Cantidades químicas

Estequiometría 1/4
QUÍMICA
Las sustancias se pueden transformar, recombinando sus átomos
Las reacciones químicas y su estequiometría
Cualquier sistema que nos propongamos estudiar desde un punto de vista químico estará formado por materia y energía. El
conocimiento de la estructura de la materia y de las transformaciones que esta puede experimentar son las dos grandes
preocupaciones de la Química. Todas las sustancias son susceptibles de sufrir un cambio químico, de reaccionar
químicamente. ¿Cuándo hablamos de cambio químico? ¿qué implica éste?...: hablamos de cambio químico, o reacción
química, para referirnos a los procesos en los que se producen modificaciones en la composición de alguna sustancia,
convirtiéndose en otra u otras sustancias diferentes: en cualquier reacción química se forma alguna sustancia nueva, con
propiedades diferentes a las de las sustancias de partida. Estos cambios implican una reordenación de los átomos, y esta
reordenación es el resultado de la ruptura de unos enlaces químicos y la formación de otros nuevos.
Cuando analizamos una reacción química nos debemos fijar en dos aspectos fundamentales:
. por un lado, los balances en la energía del sistema, como resultado de todas estas rupturas y formaciones de nuevos
enlaces (al fin y al cabo los enlaces son interacciones entre los átomos o iones que formas las sustancias
originadas por distintos tipos de fuerzas que los mantienen “unidos”, dando esta combinación y disposición
espacial concreta de los átomos un nivel energético concreto para ese sistema, que se verá alterado cuando este
se transforme, los átomos se reordenen y recombinen) ,
. por otro lado, los balances en las cantidades de las sustancias implicadas.
Ahora nos vamos a ocupar de manejar estos balances de las cantidades de sustancias implicadas en una reacción. Hemos
de tener siempre en mente que los átomos se reordenan, pero en una reacción química ni desaparecen, ni aparecen átomos
nuevos. Es decir, tanto el número de átomos, como el tipo de estos, permanece inalterados, y lo que cambia son las
sustancias que estos forman. De todas estas relaciones entre cantidades de átomos y de sustancias en las reacciones
químicas es de lo que nos ocupamos cuando hablamos de la estequiometría de las reacciones.
En un cambio químico, los átomos de las sustancias que intervienen se recombinan,
intercambiando o compartiendo sus electrones, dando lugar a otras sustancias.
En las reacciones químicas, una o más sustancias iniciales, los reactivos, se
transforman en una o más sustancias nuevas, los productos. Las reacciones
químicas las representamos mediante ecuaciones químicas, en las que se
especifican los reactivos a la derecha, los productos a la izquierda, mediante sus
fórmulas químicas (ver ficha: Moléculas y otras posibilidades), incluyendo las
proporciones, en número de moles, de cada uno de ellos. Estas proporciones se
expresan mediante unos coeficientes que se escriben delante de la fórmula
química de cada sustancia. Además se suele detallar la forma (estado físico) en la
que tenemos cada una de las sustancias, esto es: sólido (s), líquido (l), gas (g) o
disolución acuosa (aq), esta información es especialmente relevante en
termoquímica (ver ficha: Termoquímica). Por ejemplo: la siguiente ecuación
química que representa la combustión de un hidrocarburo:
2C8H18 (l) + 25 O2 (g) Æ 16 CO2 + 18 H2O (l)
Reacción química:
Proceso en el que se
produce la transformación
de algunas sustancia
debido a la reordenación
de los átomos que la
constituyen. Esta
reordenación es
consecuencia de la ruptura
y formación de enlaces
entre los átomos que están
en juego.
Reactivos:
Sustancias que constituyen
el estado inicial de una
reacción química.
Productos:
Resultado de la conversión
de los reactivos mediante
una reacción química.
Estequiometría: relación masa-masa y mol-mol
Para que una ecuación química sea cuantitativamente correcta, debe estar
ajustada; es decir, cada lado de la ecuación debe tener el mismo número de
átomos de cada elemento (los átomos se reordenan, pero ni desaparecen ni
aparecen átomos nuevos). Por tanto, de lo primero que nos tenemos que
preocupar cuando escribamos la ecuación de una reacción química es de analizar
si esto se cumple: debemos ajustar los coeficientes incluidos delante de la fórmula
de cada elemento o compuesto de forma que los moles de cada elemento sean los
mismos a cada lado de la ecuación. Los coeficientes de una ecuación química nos
indican la proporción en moles, pero no en gramos. Ahora bien, la conversión
entre unidades de cantidad de masa y de cantidad de sustancia no implica ningún
problema (ver ficha: Mol).
Ecuación química:
Representación de una
reacción químicas que
incluye las fórmulas
químicas de los reactivos y
los productos, así como
información sobre el
estado físico en el que se
encuentran y la relación de
moles que existe entre
ellos.
Estequiometría:
Relaciones cuantitativas de
las reacciones químicas.
Autora: Mercedes de la Fuente Rubio
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Estequiometría 2/4
QUÍMICA
Las sustancias se pueden transformar, recombinando sus átomos
Las reacciones químicas y su estequiometría
Reactivos en exceso y reactivos limitantes
A + 2B Æ P
Como hemos visto, la estequiometría de una reacción química determina las
proporciones correctas entre los diferentes reactivos que participan en ella. Así,
imaginemos dos reactivos, A y B que reaccionan de forma que 1 mol de A y 2
moles de B dan un mol de un determinado producto (P). Si ponemos en un medio
de reacción cantidades tales que existan 3 moles de B por cada mol de A, habrá
parte del reactivo B que no podrá reaccionar: decimos que este reactivo está en
exceso. Al otro reactivo, que es el que limita la cantidad de producto que se puede
obtener es al que denominamos reactivo limitante.
¿Porqué el producto obtenido no es igual al producto esperado en teoría?
Existen diversos factores, como pueden ser la presencia de impurezas en los
reactivos, las pérdidas de producto, existencia de reacciones laterales, etc. que
hacen que la cantidad de producto que realmente obtenemos a través de una
reacción química, en muchos casos, sea menor de la esperada de acuerdo con la
estequiometría de la reacción. Para dar cuenta de esto hablamos del rendimiento
de la reacción, expresando así la relación entre el producto obtenido y el
esperado, expresado en tanto por ciento:
% rendimient o =
cantidad de producto obtenida
× 100
cantidad de producto esperado
Reactivo en exceso:
Reactivo que sobra en el
medio de reacción, ante la
existencia de un reactivo
que limita la reacción
química.
Reactivo limitante:
Reactivo que limita la
cantidad de producto
producido en una reacción
química.
Rendimiento de una
reacción
Da cuenta de la eficacia de
una reacción, indicando el
tanto por ciento de
producto obtenido frente al
esperado según la
estequiometría de la
reacción.
Otros conceptos relacionados que conviene recordar/consultar
Fórmulas químicas. Ver ficha: Moléculas y otras posibilidades
Termoquímica. ver ficha: Termoquímica
Conversión entre unidades de cantidad de masa y de cantidad de sustancia. Ver ficha: Mol
Autora: Mercedes de la Fuente Rubio
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Estequiometría 3/4
QUÍMICA
Las sustancias se pueden transformar, recombinando sus átomos
Las reacciones químicas y su estequiometría
Por ejemplo…
Podemos obtener en el laboratorio ácido clorhídrico (HCl) mediante la adicción de ácido
sulfúrico(H2SO4) a sal común (NaCl):
a) ¿Cuál es la ecuación química que representa a esta reacción?
b) Disponemos de 100 mL de una disolución de H2SO4 al 70%, cuya densidad es de
1,61 gr/mL, si se lo añadimos a una disolución acuosa que contiene 117 gramos de NaCl
¿cuánto ácido clorhídrico podremos obtener?
c) Si con estas cantidades de reactivos obtenemos, en realidad, 50 gramos de HCl ¿cuál es
el rendimiento de la reacción?
d) Y si optimizamos las condiciones, de forma que conseguimos que el rendimiento de
nuestra reacción sea al 80 % ¿Qué cantidad, en gramos, de HCl obtendremos? ¿y de
sulfato de sodio?
Masas atómicas: H=1; O = 16; Na= 23; S = 32; Cl = 35,5
Solución:
a) ¿Cuál es la ecuación química que representa a esta reacción?
Atendiendo a los productos y reactivos la ecuación será:
NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + HCl
que tendremos que ajustar estequiométricamente, por tanto quedará como:
2 NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl
b) Disponemos de 100 mL de una disolución de H2SO4 al 70%, cuya densidad es de 1,61 gr/mL,
si se lo añadimos a una disolución acuosa que contiene 117 gramos de NaCl ¿cuánto ácido
clorhídrico podremos obtener?
En 100 mL de una disolución de H2SO4 cuya densidad es de 1,61 gr/mL tendremos 161 gramos de
masa, de la cual, el 70% es de H2SO4, luego:
Masa de H2SO4 = 161 g x 70 /100 = 112,7 gramos de H2SO4 (ver ficha: Disoluciones)
Como la masa molar del H2SO4 es de 98 g (ver ficha: Moléculas y otras posibilidades); en ese
volumen tendramos 1,15 moles de H2SO4
Por otra parte, la masa molar del NaCl es de 58,5 gramos. Como disponemos de 117 g, tendremos
2 moles de NaCl.
Vemos que la estequiometría de la reaccion es:
2 moles NaCl:1 mol de H2SO4
Y nosotros tenemos
2 moles de NaCl:1,15 moles de H2SO4
Luego, claramente, tenemos moles de ac. sulfúrico en exceso, o lo que es lo mismo, en este caso
el NaCl será el reactivo limitante.
Es decir, como máximo podremos obtener la cantidad de HCl que determina la cantidad de NaCl
que tenemos, y quedará en el medio de reacción parte del H2SO4 sin reaccionar. Suponemos por
tanto que todo el NaCl se convierte en HCl, entonces tendremos que:
por 2 moles de NaCl, podremos obtener 2 moles de HCl
o lo que es lo mismo:
por cada 117 gramos de NaCl podremos obtener 73 gramos de HCl
Autora: Mercedes de la Fuente Rubio
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Estequiometría 4/4
QUÍMICA
Las sustancias se pueden transformar, recombinando sus átomos
Las reacciones químicas y su estequiometría
c) Si con estas cantidades de reactivos obtenemos, en realidad, 50 gramos de HCl ¿cuál es el
rendimiento de la reacción?
El rendimiento será la relación entra la cantidad real de producto obtenido y la la cantidad que
esperaríamos obtener si se cumple la estequiometría de la reacción, expresado en tanto por ciento,
luego:
cantidad de producto obtenida
50 g
% rendimiento =
× 100=
× 100 = 68,5%
cantidad de producto esperado
73 g
d) Y si optimizamos las condiciones, de forma que conseguimos que el rendimiento de nuestra
reacción sea al 80 % ¿Qué cantidad, en gramos, de HCl obtendremos? ¿y de sulfato de
sodio?
Como hemos visto:
por cada 2 moles de NaCl, podremos obtener 2 moles de HCl, o lo que es lo mismo,
por cada 117 gramos de NaCl podremos obtener 73 gramos de HCl.
Es decir, lo máximo que podremos obtener de HCl (100%) serán 73 g. Si obtenemos en realidad el
80%, esto será:
Cantidad obtenida de HCl = 7 x
80
= 58,4 g
100
Estos gramos de HCl (58,4 g) equivalen a 1,6 moles de HCl (58,4 g/36,5 g mol-1).
De acuerdo con la estequiometría de la reacción, la relación entre los productos obtenidos es:
1 mol de Na2SO4 : 2 moles de HCl
Luego, si obtenemos 1,6 moles de HCl, tendremos 0,8 moles de Na2SO4.
Masa molar del Na2SO4 = 1 g; por tanto 0,8 moles de Na2SO4 = 113,6 gramos de Na2SO4.
Otros ejercicios + soluciones
Se hacen reaccionar 10 gramos de N2(g) con 1 gramo de H2(g), obteniéndose amoniaco, NH3(g):
a) está alguno de los dos reactivos en exceso; b) ¿cuánto NH3(g) podríamos obtener de acuerdo
con la estequiometría de esta reacción; c) si se obtienen 2,12 gramos de NH3 ¿cuál es el
rendimiento de esta reacción?
Solución: a) reactivo en exceso: el N2 (por tanto el H2 es el reactivo limitante); b) 5,67 g; c) 37,4 %
Autora: Mercedes de la Fuente Rubio
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