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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.
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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:
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:
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.
(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.
Ejemplos: Balancear las siguientes reacciones Tarea: Balancear las siguientes reacciones
En este sentido, los cálculos estequiométricos y una ecuación balanceada ayudarán a dar respuesta a estos interrogantes.
(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?.