Estequiometría

Estequiometría 

Se entiende como estequiometría al cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactivos y los productos en el transcurso de una reacción química. Estas relaciones se apoyan en distintas leyes y principios.

En 1792 Jeremias Benjamin Richter (1762-1807), enunció la estequiometría como la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa de los elementos químicos que están implicados en una reacción química. Aunque también estudia la proporción de los distintos elementos en un compuesto químico y la composición de mezclas químicas.

Una reacción química se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias intervinientes; esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la reacción química, los reactivos se consumen para dar lugar a los productos.

A escala microscópica una reacción química se produce por la colisión de las partículas que intervienen ya sean moléculas, átomos o iones, aunque puede producirse también por el choque de algunos átomos o moléculas con otros tipos de partículas, tales como electrones o fotones. Este choque provoca que los enlaces que existían previamente entre los átomos se rompan y se facilite que se formen nuevas uniones. Es decir que, a escala atómica, es un reordenamiento de los enlaces entre los átomos que intervienen. Este reordenamiento se produce por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, sin embargo los átomos implicados no desaparecen, ni se crean nuevos átomos. Esto es lo que se conoce como ley de conservación de la masa, e implica los dos principios siguientes:

El número total de átomos antes y después de la reacción química no cambia.

El número de átomos de cada tipo es igual antes y después de la reacción.En el transcurso de las reacciones químicas las partículas subatómicas tampoco desaparecen, el número total de protones, neutrones y electrones permanece constante. Y como los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa, la suma total de cargas no se modifica. Esto es especialmente importante tenerlo en cuenta para el caso de los electrones, ya que es posible que durante el transcurso de una reacción química salten de un átomo a otro o de una molécula a otra, pero el número total de electrones permanece constante. Esto que es una consecuencia natural de la ley de conservación de la masa se denomina ley de conservación de la carga e implica que:

La suma total de cargas antes y después de la reacción química permanece constante.Las relaciones entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y por lo tanto pueden ser determinadas por una ecuación (igualdad matemática) que las describa. A esta igualdad se le llama ecuación estequiométrica

Cuando los reactivos de una reacción están en cantidades proporcionales a sus coeficientes estequiométricos se dice:

La mezcla es estequiométrica;

Los reactivos están en proporciones estequiométricas;

La reacción tiene lugar en condiciones estequiométricas;Las tres expresiones tienen el mismo significado.

En estas condiciones, si la reacción es completa, todos los reactivos se consumirán dando las cantidades estequiométricas de productos correspondientes.

Si no en esta forma, existirá el reactivo limitante que es el que está en menor proporción y que con base en él se trabajan todos los cálculos.

Ejemplo

¿Qué cantidad de oxígeno es necesaria para reaccionar con 100 gramos de carbono produciendo dióxido de carbono?

Masa atómica del oxígeno = 15,9994 g/mol

Masa atómica del carbono = 12,0107 g/mol

La ecuación química que representa la reacción química es:

Se tienen las siguientes equivalencias a partir de la reacción química y las masas atómicas citadas:

Para determinar la masa de oxígeno podemos realizar los siguientes "pasos": determinamos las moles de átomos de carbono (primer factor), con estas moles fácilmente determinamos las moles de moléculas de oxígeno (segundo factor a partir de coeficientes de la ecuación química), y finalmente obtenemos la masa de oxígeno (tercer factor)

realizadas las operaciones:

Cálculos estequiométricos

Los cálculos estequiométricos se basan en las relaciones fijas de combinación que hay entre las sustancias en las reacciones químicas balanceadas. Estas relaciones están indicadas por los subíndices numéricos que aparecen en las fórmulas y por los coeficientes. Este tipo de cálculos es muy importante y se utilizan de manera rutinaria en el análisis químico y durante la producción de las sustancias químicas en la industria. Los cálculos estequiométricos requieren una unidad química que relacione las masas de los reactantes con las masas de los productos. Esta unidad química es el mol.

Ejemplo de la vida diaria. La estequiometria la podemos usar por ejemplo cuando vamos al médico porque tenemos un dolor ocasionado por una infección, el galeno debe de sacar la cuenta de nuestro peso con los gramos que contiene el medicamento y sobre la base de esto obtener la medida exacta para saber cuántas pastillas o cuantos mililitros nos tenemos que tomar de dichos medicamentos.

Relaciones estequiométricas y cálculos con estequiometría

La estequiometría, ya se ha dicho, establece relaciones entre las moléculas o elementos que conforman los reactivos de una ecuación química con los productos de dicha reacción. Las relaciones que se establecen son relaciones MOLARES entre los compuestos o elementos que conforman la ecuación quimica:siempre en MOLES, NUNCA en gramos.

La estequiometría es el estudio de las relaciones cuantitativas (de cantidades) entre los reactivos y los productos en una ecuación química y se basa en la ecuación balanceada.

Los coeficientes estequiométricos de una reacción química sólo nos indican la proporción en la que reaccionan dichas sustancias. No nos dicen cuánto están reaccionando.

Analizando la siguiente ecuación química balanceada:

           C7H8+ 9 O2 → 7 CO2 + 4 H2O

Pueden establecerse las siguientes relaciones:

Por 1 mol de C7H8 que reacciona, se necesitan 9 moles de O2. En pocas palabras, estamos estableciendo una regla de tres, la cual también la podemos escribir como un factor de conversión unitario:

También podemos establecer relaciones entre las moles de O2 y las moles de CO2 producidas o la relación entre lasmoles de H2O producidas y la cantidad de O2 necesariaspara producirla, tal y como podemos observar en las siguientes relaciones estequiométricas:

CÁLCULOS CON ESTEQUIOMETRÍA

Una reacción química balanceada, nos informa sobre lasrelaciones molares entre reactantes y productos.

Cuando se lleva a cabo una reacción química ya sea, en el laboratorio, en una fábrica o en la naturaleza, las cantidades que se emplean pueden ser muy variadas y se conocen como las condiciones de reacción. Las relaciones estequiométricas, nos permitirán conocer la cantidad de producto que esperamos en las reacciones químicas, dicho de otra manera, estas relaciones nos permiten conocer cuánto se producirá o cuánto se necesitará de una sustancia, cuando la reacción ocurre a esas condiones.

Por ejemplo, si nos piden calcular:

¿Cuántos moles de cloruro de magnesio (MgCl2), se producirán, si se hacen reaccionar 2,4 g de Mg con suficiente cantidad de ácido clorhídrico (HCl)? (estas son las condiciones de reacción).

La reacción química es la siguiente:

Mg(s) + HCl(ac) → MgCl2(ac) + H2(g)

El primer paso será balancear la ecuación, esto permite conocer las relaciones estequiométricas existentes entre reactivos y productos.

Mg(s) + 2 HCl(ac) → MgCl2(ac) + H2(g)

El segundo paso, como las relaciones estequiométricas se establecen en moles, debemos conocer a cuántas moles equivale la cantidad en gramos del reactivo. Si la masa molar del Mg es igual a 24 g/mol, tendremos que a las condiciones de la reacción descrita anteriormente, se están haciendo reaccionar 0,1 mol de Mg.

El tercer paso, analizamos las relaciones estequiométricas descritas en la ecuación balanceada. Podemos ver que la relación entre el Mg (reactivo) y el MgCl2 (producto) es 1:1; por lo que podemos concluir que a las condiciones de esa reacción se producirán 0, 1 mol de MgCl2.

Calculen ustedes la cantidad:

De gas H2 que se producirán en está reacción, expresen está cantidad tanto en moles como en gramos.

De ácido clorhídrico (HCl), que serán necesarios para que todo el Mg reaccione.

Ejercicio 

Se hacen reaccionar tolueno (C7H8), con O2, para producir dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

1. Si en la ecuación química descrita, las condiciones de reacción son hacer reaccionar 10 moles de tolueno, con suficiente cantidad de oxígeno.

Determina la cantidad de:

Oxígeno que se necesitarán para que todo el tolueno reaccione.

Dioxido de carbono y de agua que se producen. Exprese la cantidad en gramos.

2. Teniendo en cuenta la misma reacción, determine:

La cantidad (en gramos) de tolueno que será necesraia para producir 380 g de dióxido de carbono.