tema 15 estequiometria de reacciones quimicas

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TEMA 15 ESTEQUIOMETRIA DE REACCIONES QUIMICAS
RAZONES ESTEQUIOMETRICAS
Mario Melo Araya
Ex Profesor Universidad de Chile
[email protected]
Una reacción química es un proceso en el cual una o más substancias químicas se
transforman en otras.
A las substancias que reaccionan
se les llama reactantes o
reaccionantes y a las que se producen, productos. Toda reacción química se expresa
simbólicamente por medio de una ecuación química del tipo:
Reactantes
———→ Productos
Como los participantes de la reacción son sus partículas constituyentes (átomos, moléculas,
iones), representadas por sus fórmulas químicas, son ellas las que aparecen en la ecuación
química. Por ejemplo,
5C
+
2 SO2
——→
en donde la flecha indica reacción química.
coeficientes estequiométricos.
CS2
+
4 CO
(1)
Los números 5, 2, 1 y 4, son los
En el año 1774, A.L.Lavoisier descubrió que en las reacciones químicas la masa no
variaba, permanecía constante; lo que significa que la masa de los reactantes es igual a
la masa de los productos:
mReactantes = mProductos
esta es la ley de Lavoisier o ley de la conservación de la masa.
Por otra parte, en toda reacción química se produce un intercambio de energía entre el
sistema químico reaccionante y su medio exterior inmediato; energía que el hombre
aprovecha o trata de aprovechar para su beneficio. Tales intercambios de energía se llevan
a cabo de modo que se cumple el Principio de la conservación de la energía; esto es, que
la cantidad de energía que el sistema entrega o recibe es exactamente igual a la que el
medio exterior recibe o entrega respectivamente. De este modo, la cantidad de energía
del conjunto │sistema químico-medio exterior│ permanece constante; no aumenta ni
disminuye.
Desde el punto de vista estructural, toda reacción química consiste, simplemente, en una
reagrupación de átomos al pasar de reactantes a productos, con rompimiento de enlaces y
formación de otros; procesos que involucran intercambios energéticos.
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Desde el punto de vista estequiométrico, el número de átomos de cada elemento que
aparecen
en el primer miembro de la ecuación química, debe ser igual a los que
aparecen en el segundo miembro. Por ejemplo, en el caso de la ecuación (1), la
información estequiométrica proporcionada es que por cada 5 átomos C reaccionan 2
moléculas SO2 para dar 1 molécula CS2 y 4 moléculas CO; siendo estas las cantidades
mínimas de partículas que participan en esta reacción química. Si multiplicamos estos
valores por No, tendríamos que 5No átomos C reaccionan con 2No moléculas SO2
para dar No moléculas CS2 y 4No moléculas CO. O bien, como No partículas es 1 mol
de partículas, tenemos que 5 moles de átomos C reaccionan con 2 moles de moléculas
SO2 para dar 1 mol de moléculas CS2 y 4 moles de moléculas CO. También podríamos
multiplicar esos valores mínimos por 103No, o por 10-3No, o por 453.6No, etc. y
tendríamos
las cantidades
de participantes, expresadas en kilomoles, milimoles,
libramoles, etc. de partículas, respectivamente, como se indica a continuación:
5C
+
——→
2 SO2
CS2
+
4 CO
5 mol
2 mol
1 mol
4 mol
5 kmol
2 kmol
1 kmol
4 kmol
5 mmol
2 mmol
1 mmol
4 mmol
5 lbmol
2 lbmol
1 lbmol
4 lbmol
etc..
Las cantidades de C, SO2, CS2 y CO que participan en esta reacción química, se hallan
relacionadas entre sí por medio de los coeficientes estequiométricos 5, 2, 1 y 4.
respectivamente. O bien, dichas cantidades son entre sí como los respectivos coeficientes
estequiométricos, o sea,
nC
:
n SO2
:
nCS2 :
nCO
=
5 : 2 : 1 : 4
(2)
Las ecuaciones químicas, entonces, son expresiones simbólicas de las reacciones
químicas en las cuales las cantidades de las especies participantes son entre sí como sus
respectivos coeficientes estequiométricos.
Representemos por A y B las fórmulas químicas de dos especies participantes cualesquiera de una reacción química, y por vA y
vB,
sus respectivos coeficientes
estequiométricos en la ecuación química ajustada. Entonces, las cantidades nA y nB de
A y B se hallan relacionadas entre sí por medio de la proporción
nA :
nB
=
vA
:
vB
(3)
3
Esta razón se llama razón estequiométrica y en el Sistema Internacional se simboliza con
el símbolo S(A/B); y se tiene:
S(
A
)
B
=
nA
nB
=
vA
vB
(4)
Como los coeficientes estequiométricos de la ecuación química ajustada se conocen, las
razones estequiométricas nos permiten calcular la cantidad de una especie participante
cualquiera en función de la cantidad conocida de otra.
PROBLEMA. Dada la siguiente ecuación química: 5 C + 2 SO2 → CS2 + 4 CO
Calcular la cantidad de C necesaria para obtener 2.50 kilomoles de CS2.
Se parte de la razón estequiométrica que relaciona las cantidades de C y de
CS2 involucrados en el problema:
S(C/CS2) =
nC
nCS2
=
5
1
de donde,
nC = 5 nCS2 = 5 x 2.50 kmol
= 12.5 kmol
PROBLEMA. Dada la ecuación química del problema anterior, calcular la masa de C que
puede reaccionar con 10.0 kg de SO2.
La masa mC se puede calcular a partir de la cantidad nC de C, por medio de la ecuación
que define la masa molar (M = m/n); pero la cantidad nC hay que expresarla en
función de la cantidad nSO2 dada por la razón estequiométrica entre estas dos cantidades.
Finalmente, la cantidad de SO2 se expresa en función de la masa de SO2, también por
medio de la ecuación que define la masa molar. Se obtiene así la ecuación que permite
calcular mC en función de mSO2.
mC
= M C n C = MC
mC
=
5
2
nSO2
= MC
5
2
12.011 kg kmol-1 x 5 x 10.0 kg
2 x 64.063 kg kmol-1
mSO2
MSO2
=
4.69 kg
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Bibliografía.
Melo A. Mario. Química Básica en el rigor del lenguaje matemático. Tomo I: Estequiometria Inscripción Nº 67.381 1987.