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Estequiometría y Reacciones Químicas: Un Estudio Cuantitativo, Slides of Biology

Este documento explora los conceptos fundamentales de la estequiometría, el estudio cuantitativo de reactivos y productos en reacciones químicas. Se abordan temas como la notación científica, la precisión y exactitud en las mediciones, el cálculo de pesos moleculares, el análisis elemental, la composición porcentual, la fórmula molecular, el balanceo de ecuaciones químicas, la determinación del reactivo límite y el rendimiento porcentual de las reacciones. Se incluyen ejemplos y ejercicios prácticos para ilustrar los conceptos y facilitar la comprensión.

Typology: Slides

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Unidad de Aprendizaje No. 2. Estequiometría y Reacciones Químicas
La estequiometría, es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una
reacción química.
Para desarrollarla es conveniente revisar algunos conceptos previos:
- Sistema Internacional de Unidades de Medida (SI):
La metrología es una ciencia que tiene por objeto el estudio de los sistemas de
medida. Esta ciencia la fundamenta la necesidad de medir las cosas y establecer
patrones de comparación, lo cual forma parte de las bases de la comunicación entre
los seres humanos.
Hacia 1960, la organización internacional denominada “Conferencia General de
Pesas y Medidas”, se puso de acuerdo respecto a una versión unificada del sistema
métrico el cual se ha venido adoptando gradualmente por casi todos los paises del
mundo. Sin embargo, algunos otros sistemas de unidades más antiguos aun se
siguen usando en ciertas sociedades, por ejemplo el CGS (centímetro, gramo,
segundo).
En general son siete (7) las magnitudes básicas que constituyen el fundamento del
(SI): masa, longitud, temperatura, tiempo, corriente eléctrica, intensidad luminosa y
cantidad de sustancia. A las 7 magnitudes básicas se les asignó sus
correspondientes unidades básicas y símbolos con sus respectivos múltiplos y
submúltiplos, basados en el sistema arábigo base 10, permitiendo relacionarlos en
términos de decimales con respecto a la unidad. Ver las tablas siguientes.
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Unidad de Aprendizaje No. 2. Estequiometría y Reacciones Químicas La estequiometría, es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reacción química. Para desarrollarla es conveniente revisar algunos conceptos previos:

  • Sistema Internacional de Unidades de Medida (SI): La metrología es una ciencia que tiene por objeto el estudio de los sistemas de medida. Esta ciencia la fundamenta la necesidad de medir las cosas y establecer patrones de comparación, lo cual forma parte de las bases de la comunicación entre los seres humanos. Hacia 1960, la organización internacional denominada “Conferencia General de Pesas y Medidas”, se puso de acuerdo respecto a una versión unificada del sistema métrico el cual se ha venido adoptando gradualmente por casi todos los paises del mundo. Sin embargo, algunos otros sistemas de unidades más antiguos aun se siguen usando en ciertas sociedades, por ejemplo el CGS (centímetro, gramo, segundo). En general son siete (7) las magnitudes básicas que constituyen el fundamento del (SI): masa, longitud, temperatura, tiempo, corriente eléctrica, intensidad luminosa y cantidad de sustancia. A las 7 magnitudes básicas se les asignó sus correspondientes unidades básicas y símbolos con sus respectivos múltiplos y submúltiplos, basados en el sistema arábigo base 10, permitiendo relacionarlos en términos de decimales con respecto a la unidad. Ver las tablas siguientes.
  • Notación científica: Surgió como una manera de expresar de forma simple números exageradamente pequeños o exageradamente grandes. Donde N = número entero entre 1 y 10, y n = exponente, el cual puede ser un número entero positivo o negativo. En general cualquier número puede expresarse en notación científica. Para ello, la tarea es encontrar el valor de n. Procedimiento: se cuenta el número de lugares que se debe mover el punto decimal para obtener el número N. (i) Si el punto decimal se mueve hacia la izquierda  n = entero positivo (ii) Si el punto decimal se mueve hacia la derecha  n = entero negativo Ejemplos: Expresar en notación científica los siguientes valores a) 0.0000000000125 cm R/ El punto decimal se debe mover 11 lugares hacia la derecha  n = - 11 Por tanto la respuesta es: 1.25x10-^11 cm b) 72032000000000000 s R/ El punto decimal se debe mover 16 lugares hacia la izquierda  n = 1 6 Por tanto la respuesta es: 7.2032x10^16 s Ejercicio: Expresar en notación científica los siguientes números i) 573.28g ii) 0.0000084 mL iii) 54 m

mediciones y llevan consigo errores inerentes al instrumento usado para la medición o al sujeto que realizó la medición, por tanto, son valores aproximados. (i) Precisión: Se asocia con la concordancia o cercanía entre dos o más valores obtenidos al medir una misma magnitud o propiedad. (ii) Exactitud: Indica cuán cercana está una medición con respecto al valor real de la cantidad o propiedad medida. Ejemplo a) Un grupo de 3 estudiantes realizaron una serie de pesadas sucesivas a una masa de 2000g. A continuación los valores obtenidos. Análisis de los resultados:

  • Las mediciones del estudiante A son menos precisas (∆ = 14) que las del estudiante B (∆ = 4), pero son más exactas que las del estudiante B. Su promedio 1971g está más cercano a 2000g que el promedio de B (1970g).
  • Las mediciones del estudiante B son más precisas (∆ = 4) que las del estudiante A (∆ = 14), pero son menos exactas y menos precisas que las del estudiante C.
  • Las mediciones del estudiante C son las más precisas (∆ = 2) y las más exactas (promedio = 2001) de todas las mediciones. La siguiente gráfica ayuda a ilustrar los conceptos y diferencias entre precisión y exactitud. Nota: - Mediciones muy precisas no siempre garantizan resultados exactos.
    • Mediciones muy exactas también suelen ser muy precisas.
  • El concepto de mol (la docena de los químicos) Surgió como una necesidad para los químicos. En el inicio del desarrollo de la química se trabajaba con masas atómicas unitarias (u.m.a = masa de un átomo) de los elementos. Estos valores son muy pequeños los cuales se hacían imposibles de medir en una balanza (igual sucede hoy en día). Se adoptó entonces el término “mol” como una cantidad que abarca el número de Avogadro (NA) de partículas u objetos, es decir NA = 6.022x10^23. Este número de partículas si permite el pesaje de cantidades medibles de sustancia, sea elementos o compuestos. Por lo tanto, así como en una docena hay 12 unidades de algo, en un mol hay 6.022x10^23 unidades de algo. La unidad fundamental del elemento es el átomo. Por lo tanto, el peso atómico (PA) de un elemento, es el peso en gramos (g) del número de Avogadro de átomos ( mol) de ese elemento. Por ejemplo: Peso atómico del H = peso de 6.022x10^23 átomos de H = 1.008g La unidad fundamental del compuesto es la molécula. Una molécula está conformada por la unión de dos o más átomos. Puede ser del mismo (Br 2 ) o de diferentes elementos (H 2 O, NaCl). Por lo tanto, el peso molecular (PM) es el peso en gramos (g) del número de Avogadro de moléculas (1 mol) de ese compuesto. En otras palabras, el PM es equivalente a la sumatoria de los PA´s de los elementos contenidos en la molécula. Ejemplos Calcular: (a) cuántos moles de C hay en 5g de C?. (b) Cuántos átomos hay?.

Ejemplos Calcular la composición porcentual de cada elemento en las siguientes moléculas: (a) H 2 O (b) C 6 H 12 O 6 (c) H 2 SO 4 (d) N 2

Nota: La sumatoria de las composiciones porcentuales de todos los elementos de una molécula debe ser igual a 100.

  • Fórmula Molecular (FM): Indica el número, tipo y cantidad de átomos de cada elemento presentes en las moléculas de un compuesto determinado. Es decir, da información tanto cualitativa como cuantitativa. Ejemplos
  • Fórmula Empírica (FE): Es la expresión que representa la proporción más simple en la que están presentes los átomos que forman un compuesto químico. Por lo tanto, n(FE) = FM donde n = 1, 2, 3…etc. Ejemplo: Determine las FE´s para los siguientes compuestos.

(iii) En ocasiones se usan abreviaciones entre paréntesis para significar el estado físico de reactivos y productos, pero no siempre es mandatorio en una ecuación química. Ej. (s) sólido, (g) gas, (l) líquido, (ac) o (aq) acuoso. (iv) Los símbolos químicos y fórmulas químicas en una ecuación química no solo representan los nombres de los diferentes reactivos y productos, sino también los átomos y moléculas involucradas. Por tanto, la Ec. 1, también se puede leer: “Un átomo de carbono reacciona con una molécula de oxígeno para formar una molécula de dióxido de carbono”. Como los átomos y moléculas se relacionan con número de moles en una ecuación química, entonces la Ec. 1 también se puede leer: “Un mol de átomos de carbono reaccionan con un mol de moléculas de oxígeno para producir un mol de moléculas de dióxido de carbono. (v) La ecuación química debe cumplir con la ley de la conservación de la masa, es decir que el número y tipo de átomos que reaccionan debe ser igual al número y tipo de átomos que se producen. Esto se consigue “balanceando la ecuación”. Ej. Si se observa en la Ec. 2, reaccionan 2 átomos de H (en H 2 ) y se forman 2 átomos de H en el producto (H 2 O), pero reaccionan 2 átomos de O (en O 2 ) y en principio solo se produce un átomo de O (H 2 O). Por lo tanto se debe balancear la ecuación para dar cumplimiento a la ley se conservación de la masa. La Ec. 2 balanceada se transformará en Ec. 3: Entonces en Ec. 3, reaccionan cuatro átomos de H y se producen cuatro átomos de H. Reaccionan dos átomos de O y se producen dos átomos de O. Ahora ya está balanceada y los nuevos números “ 2 ” en la Ec.3 reciben el nombre de “coeficientes”. (vi) Las ecuaciones químicas deben cumplir con la “ley de la conservación de las cargas eléctricas”. Es decir que “en las reacciones donde participan iones, la suma algebraica de las cargas al lado izquierdo de la ecuación debe ser igual a la del lado derecho de la ecuación”. Ej.

La Ec. 4 no solo tiene balanceadas las cargas, los átomos también están balanceados. (vii) La ecuación química puede contener información obtenida experimentalmente, cuando sea posible, para facilitar la reproducibilidad de la reacción. Ej. La Ec. 5 indica que el cloruro de sodio sólido (sal de mesa) se disuelve en agua para generar solución de sal disuelta o sal acuosa. Ej. La Ec. 6 indica que el bromuro de potasio y el nitrato de plata deben estar en estado acuoso para poder generar productos. La reacción genera nitrato de potasio acuoso (disuelto) mientras que el bromuro de plata no disuelve, es sólido y precipita. Ej. En la Ec. 7 el símbolo (“∆” = calor) indica que para que la reacción proceda es necesario suministrar calor al sistema, de lo contrario la reacción no ocurre.

  • Clasificación de las reacciones químicas: Las reacciones químicas se clasifican en dos grupos generales: (i) Reacciones que no implican transferencia de electrones (e-) (o reacciones de intercambio). Son las más simples y más fáciles de balancear. Ej. Reacciones de neutralización

Ejemplos: Balancear las siguientes reacciones Tarea: Balancear las siguientes reacciones

  • Cálculos a partir de ecuaciones químicas. Relaciones de masa en las ecuaciones químicas Cuando se realizan reacciones químicas surgen preguntas frecuentes como: (i) Qué cantidad de producto se obtendrá a partir de ciertas cantidades específicas de reactivos o materias primas?. (ii) Qué cantidades de reactivos o materia prima se deben usar para obtener una cantidad específica de un producto?. (iii) Cuál es la eficiencia o rendimiento porcentual de la reacción?.

En este sentido, los cálculos estequiométricos y una ecuación balanceada ayudarán a dar respuesta a estos interrogantes.

  • Determinación del reactivo límite en una reacción química Generalmente en una reacción o proceso químico los reactivos no están presentes (o no se adicionan) exactamente en las proporciones que indica la ecuación balanceada. En este sentido, hay un reactivo que se consume de primero en la reacción, el cual recibe el nombre de “reactivo límite”, y es quien va a determinar la cantidad máxima de producto que se puede formar en dicha reacción (rendimiento teórico). Una vez se consuma el reactivo límite, la reacción no proseguirá más, no se formará más producto, mientras que del o de los reactivos que se encuentren en mayor cantidad de la necesaria se aislarán fracciones sin reaccionar, por lo cual reciben el nombre de “reactivos en exceso”. El concepto de reactivo límite se puede asociar con el siguiente caso: Si se tienen 9 jinetes y 5 caballos, solo se pueden formar 5 binomios (jinete + caballo) para una carrera. En este sentido, los caballos serán el reactivo límite, mientras que los jinetes serán el reactivo en exceso. Habrá un exceso de 4 jinetes en esta competencia. En el proceso de determinar el reactivo límite se deben tener en cuenta las siguientes indicaciones: (i) La ecuación debe estar balanceada (ii) Calcular o determinar el número de moles de los reactivos requeridos para la formación del 100% de los productos. (iii) Conversión de los moles requeridos de cada reactivo a masa, para confirmar si la masa suministrada es suficiente o insuficiente para llevar a cabo el proceso al 100%. Ejemplos (a) La combustión del metano en presencia de oxígeno (aire) genera dióxido de carbono y vapor de agua, según la siguiente ecuación: Cuántos gramos de CO 2 y cuántos gramos de H 2 O se formarán cuando se queman 64g de metano en presencia de 320g de oxígeno?. (b) Cómo se “lee” la ecuación resultante?.
  • Determinación del rendimiento porcentual de una reacción química El reactivo límite determina el rendimiento teórico de la reacción, es decir la cantidad de producto que se obtendrá si se consume todo el reactivo límite. En este sentido, el rendimiento teórico también corresponde al rendimiento máximo que se puede obtener en una reacción química, a partir de la ecuación balanceada. De otro lado, el rendimiento real, que es la cantidad de producto que se obtiene o aísla experimentalmente de una reacción química, generalmente es menor que el rendimiento teórico. Diversas razones explican el porqué de esta diferencia: (i) muchas reacciones son reversibles, por lo cual no proceden al 100%, es decir, no se consume todo el reactivo límite. (ii) Si la reacción procediera al 100% no siempre es fácil aislar la totalidad del producto formado por efectos de solubilidad, estado físico del producto o por factores de manipulación del producto. (iii) Algunas reacciones son complejas y los productos continúan reaccionando en el medio de reacción generando subproductos no deseables o no esperados, los cuales disminuyen su rendimiento; entre otras razones. Por lo anterior, para determinar la eficiencia de una reacción, se utiliza el rendimiento porcentual (o porcentaje de rendimiento), el cual determina la proporción del rendimiento real con respecto al rendimiento teórico, como sigue: Tarea: (a) Cuántos gramos de carborundo SiC, se forman a partir de 6.5g de carbono y 16g de silicio?. Cuál es el reactivo límite?. Cuántos gramos sobran del reactivo en exceso, según la siguiente reacción?. Cuál será el % de rendimiento de la reacción si experimentalmente se aíslan 18.3g de SiC?. (b) Cuántos gramos de hidrógeno se producen cuando se coloca un trozo de aluminio de 72.9g en ácido sulfúrico?. Cuántos gramos de ácido sulfúrico se consumen en el proceso?. Cuántos gramos de sulfato de aluminio se formarán, según la siguiente ecuación?. Cómo se “lee” la ecuación resultante?.

(c) Cuántos moles de hidrógeno se consumirán y cuántos gramos de amoniaco se formarán cuando reaccionan 1.38 moles de nitrógeno, según la siguiente reacción?: Cuál será el % de rendimiento de la reacción si experimentalmente se aíslan 9.43x10^23 moléculas de NH 3 (g)?. Cómo se “lee” la ecuación resultante?. (d) En la reacción de amoniaco con oxígeno, (i) cuántas moléculas de óxido nítrico pueden formarse a partir de 3.6x10^21 moléculas de oxígeno?, (ii) cuántos moléculas de amoniaco se consumirán en el proceso?, según la ecuación: Cómo se “lee” la ecuación resultante?.