Una ecuación química equilibrada proporciona la identidad de los reactivos y los productos, así como el número exacto de moléculas o moles de cada uno que se consumen o producen. Estequiometría es un término colectivo para las relaciones cuantitativas entre las masas, el número de moles y el número de partículas (átomos, moléculas e iones) de los reactivos y los productos en una ecuación química equilibrada. Una cantidad estequiométrica es la cantidad de producto o reactivo especificada por los coeficientes en una ecuación química equilibrada. Esta sección describe cómo usar la estequiometría de una reacción para responder preguntas como las siguientes: ¿Cuánto oxígeno se necesita para asegurar la combustión completa de una cantidad dada de isooctano? (Esta información es crucial para el diseño de motores de automóviles eficientes y no contaminantes). ¿Cuántos gramos de oro puro se pueden obtener de una tonelada de mineral de oro de baja ley? (La respuesta determina si el depósito de mineral vale la pena extraer). Si una planta industrial debe producir una cierta cantidad de toneladas de ácido sulfúrico por semana, ¿cuánto azufre elemental debe llegar por ferrocarril cada semana?
Todas estas preguntas pueden responderse utilizando los conceptos de las masas moleculares, molares y de fórmula, y las concentraciones de la solución, junto con los coeficientes en la ecuación química equilibrada apropiada.
Problemas de estequiometría
Cuando se lleva a cabo una reacción en un entorno industrial o en un laboratorio, es más fácil trabajar con masas de sustancias que con el número de moléculas o moles. El método general para convertir de la masa de cualquier reactivo o producto a la masa de cualquier otro reactivo o producto usando una ecuación química equilibrada se describe y describe en el siguiente texto.
Pasos para la conversión entre masas de reactivo y producto
- Convierta la masa de una sustancia (sustancia A) en el número correspondiente de moles usando su masa molar.
- A partir de la ecuación química equilibrada, obtenga el número de moles de otra sustancia (B) a partir del número de moles de sustancia A usando la relación molar apropiada (la relación de sus coeficientes).
- Convierta el número de moles de sustancia B en masa usando su masa molar. Es importante recordar que algunas especies están presentes en exceso en virtud de las condiciones de reacción. Por ejemplo, si una sustancia reacciona con el oxígeno en el aire, entonces el oxígeno está en exceso obvio (pero no declarado).
La conversión de cantidades de sustancias a moles, y viceversa, es la clave para todos los problemas de estequiometría, ya sea que las cantidades se den en unidades de masa (gramos o kilogramos), peso (libras o toneladas) o volumen (litros o galones). )
Para ilustrar este procedimiento, considere la combustión de glucosa. La glucosa reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono y agua:
[C_6H_ {12} O_6 (s) + 6 O_2 (g) rightarrow 6 CO_2 (g) + 6 H_2O (l) label {3.6.1} ]
Justo antes de un examen de química, suponga que un amigo le recuerda que la glucosa es el principal combustible utilizado por el cerebro humano. Por lo tanto, decide comer una barra de caramelo para asegurarse de que su cerebro no se quede sin energía durante el examen (a pesar de que no hay evidencia directa de que el consumo de barras de caramelo mejore el rendimiento en los exámenes de química). Si una barra de caramelo típica de 2 oz contiene el equivalente a 45.3 g de glucosa y la glucosa se convierte completamente en dióxido de carbono durante el examen, ¿cuántos gramos de dióxido de carbono producirá y exhalará en la sala de examen?
El paso inicial para resolver un problema de este tipo es escribir la ecuación química equilibrada para la reacción. La inspección muestra que está equilibrado como está escrito, por lo que la estrategia descrita anteriormente se puede adaptar de la siguiente manera:
1. Usa la masa molar de glucosa (hasta un decimal, 180,2 g / mol) para determinar la cantidad de moles de glucosa en la barra de chocolate:
[moles , glucosa = 45.3 , g , glucosa veces {1 , mol , glucosa sobre 180.2 , g , glucosa} = 0.251 , mol , glucosa ]
2. Según la ecuación química equilibrada, se producen 6 mol de CO 2 por mol de glucosa; la relación molar de CO 2 a glucosa es, por lo tanto, 6: 1. El número de moles de CO 2 producido es, por lo tanto,
[moles , CO_2 = mol , glucosa veces {6 , mol , CO_2 over 1 , mol , glucosa} ]
[= 0.251 , mol , glucosa veces {6 , mol , CO_2 over 1 , mol , glucosa} ]
[= 1,51 , mol , CO_2 ]
3. Use la masa molar de CO 2 (44.010 g / mol) para calcular la masa de CO 2 correspondiente a 1.51 mol de CO 2 :
[masa , de , CO_2 = 1.51 , mol , CO_2 times {44.010 , g , CO_2 over 1 , mol , CO_2} = 66.5 , g , CO_2 ]
Estas operaciones se pueden resumir de la siguiente manera:
[45.3 , g , glucosa veces {1 , mol , glucosa sobre 180.2 , g , glucosa} veces {6 , mol , CO_2 sobre 1 , mol , glucosa} veces {44.010 , g , CO_2 over 1 , mol , CO_2} = 66.4 , g , CO_2 ]
Las discrepancias entre los dos valores se atribuyen a los errores de redondeo resultantes del uso de cálculos escalonados en los pasos 1-3. (¡Recuerde que generalmente debe llevar dígitos adicionales significativos a través de un cálculo de varios pasos hasta el final para evitar esto!) Esta cantidad de dióxido de carbono gaseoso ocupa un volumen enorme: más de 33 L. Se pueden usar métodos similares para calcular la cantidad de oxígeno consumido o la cantidad de agua producida.
La ecuación química equilibrada se utilizó para calcular la masa del producto que se forma a partir de una cierta cantidad de reactivo. También se puede usar para determinar las masas de reactivos que son necesarias para formar una determinada cantidad de producto o, como se muestra en el Ejemplo ( PageIndex {1} ), la masa de un reactivo que se requiere para consumir una masa dada de otro reactivo.
Usando la masa molar de O 2 (32.00 g / mol, a cuatro cifras significativas), podemos calcular el número de moles de O 2 contenidos en esta masa de O 2 :
[mol , O_2 = 9.07 times 10 ^ 5 , g , O_2 times {1 , mol , O_2 over 32.00 , g , O_2} = 2.83 times 10 ^ 4 , mol , O_2 ]
2. Ahora usa los coeficientes en la ecuación química equilibrada para obtener el número de moles de H 2 necesarios para reaccionar con este número de moles de O 2 :
[mol , H_2 = mol , O_2 times {2 , mol , H_2 over 1 , mol , O_2} ]
[= 2.83 por 10 ^ 4 , mol , O_2 por {2 , mol , H_2 over 1 , mol , O_2} = 5.66 por 10 ^ 4 , mol , H_2 ]
3. La masa molar de H 2 (2.016 g / mol) nos permite calcular la masa correspondiente de H 2 :
[mass , of , H_2 = 5.66 times 10 ^ 4 , mol , H_2 times {2.016 , g , H_2 over mol , H_2} = 1.14 times 10 ^ 5 , g , H_2 ]
Finalmente, convierta la masa de H2 a las unidades deseadas (toneladas) utilizando los factores de conversión apropiados:
[tons , H_2 = 1.14 times 10 ^ 5 , g , H_2 times {1 , lb over 453.6 , g} times {1 , tn over 2000 , lb} = 0.126 , tn , H_2 ]
El transbordador espacial debía diseñarse para transportar 0,126 tn de H 2 por cada 1,00 tn de O 2 . Aunque se necesitan 2 mol de H 2 para reaccionar con cada mol de O 2 , la masa molar de H 2 es mucho más pequeña que la de O 2 que solo se necesita una masa relativamente pequeña de H 2 en comparación con la masa de O 2 .
Cálculo de moles a partir del volumen
Los cálculos cuantitativos que involucran reacciones en solución se llevan a cabo con masas , sin embargo, volúmenes de soluciones de concentración conocida se usan para determinar el número de moles de reactivos. Ya sea que se trate de volúmenes de soluciones de reactivos o masas de reactivos, los coeficientes en la ecuación química equilibrada dan el número de moles de cada reactivo necesario y el número de moles de cada producto que se puede producir. En la Figura ( PageIndex {2} ) se muestra una versión ampliada del diagrama de flujo para cálculos estequiométricos. La ecuación química equilibrada para la reacción y las masas de reactivos sólidos y productos o los volúmenes de soluciones de reactivos y productos pueden usarse para determinar las cantidades de otras especies, como se ilustra en los siguientes ejemplos.
Resumen
Se pueden usar las masas o los volúmenes de soluciones de reactivos y productos para determinar las cantidades de otras especies en la ecuación química equilibrada. Los cálculos cuantitativos que implican la estequiometría de las reacciones en solución utilizan volúmenes de soluciones de concentración conocida en lugar de masas de reactivos o productos. Los coeficientes en la ecuación química equilibrada indican cuántos moles de reactivos se necesitan y cuántos moles de producto se pueden producir.