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• Natali Condeña

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CALCULOS ESTEQUIOMETRICOS La fabricación de productos químicos es uno de los esfuerzos industriales más grandes del mundo. Las industrias químicas son la base de cualquier sociedad industrial. Dependemos de ellas respecto a productos que utilizamos a diario como gasolina y lubricantes de la industria del petróleo; alimentos y medicinas de la industria alimentaria; telas y ropa de las industrias textiles. Estas son sólo unos cuantos ejemplos pero casi todo lo que compramos diariamente se fabrica mediante algún proceso químico o al menos incluye el uso de productos químicos. Por razones económicas los procesos químicos y la producción de sustancias químicas deben realizarse con el menor desperdicio posible, lo que se conoce como "optimización de procesos". Cuando se tiene una reacción química, el Químico se interesa en la cantidad de producto que puede formarse a partir de cantidades establecidas de reactivos. Esto también es importante en la mayoría de las aplicaciones de las reacciones, tanto en la investigación como en la industria. En una reacción química siempre se conserva la masa, de ahí que una cantidad específica de reactivos al reaccionar, formará productos cuya masa será igual a la de los reactivos. Al químico le interesa entonces la relación que guardan entre sí las masas de los reactivos y los productos individualmente. Los cálculos que comprenden estas relaciones de masa se conocen como cálculos

estequiométricos. La estequiometría es el concepto usado para designar a la parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas de las sustancias y sus reacciones. En su origen etimológico, se compone de dos raíces , estequio que se refiere a las partes o elementos de los compuestos y metría, que dice sobre la medida de las masas. Cuando se expresa una reacción, la primera condición para los cálculos estequimétricos es que se encuentre balanceada, por ejemplo :

Mg + O2  MgO 2 Mg + O2  2 MgO Reacción balanceada

La reacción anterior se lee como : 2 ATG de Magnesio reaccionan con un mol de Oxígeno y producen 2 moles de Oxído de magnesio (reacción de síntesis) 2ATG Mg = 49 g 1 mol de O2 = 32 g 2 moles de MgO = 81 g 49 g

+

32 g

=

81 g

2Mg

+

O2



2 MgO

Lo que demuestra la ley de Lavoisiere " la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma " , cuando reaccionan 49g más 32g y se producen 81 g .

¿Cómo se realizan los cálculos estequiométricos? ATG MOLES No. DE ATOMOS y No. DE MOLÉCULAS VOLUMEN MOLAR REACTIVOS O PRODUCTOS REACTIVO LIMITANTE

ATG ¿Cuántos ATG se encuentran contenidos en 54 g de Al ? *Consultar la tabla periódica 1 ATG de Al ---- 27 g X ---- 54 g X = (1) (54) / 27 X = 2 ATG ¿ 4.5 ATG de Pb a cuántos g equivalen ? 1 ATG de Pb ---- 207 g 4.5 ATG ---- X X = (4.5) (207) / 1 X = 931.5 g

MOLES

¿Cuántos moles se encuentran contenidos en 120 g de H2O? 1 mol de H2O ---- 18 g X ---- 120 g X = (1) (120) / 18 X = 6.6 moles ¿ 0.6 moles, de NaNO2 a cuántos g equivalen ? 1 mol de NaNO2 ---- 69 g 0.6 moles ---- X X = (0.6) (69) / 1 X = 41.4 g

No. DE ATOMOS Y No. DE MOLÉCULAS. 1 ATG de cualquier elemento contiene 6.023 X 10 23 átomos y 1 mol de cualquier compuesto tiene 6.023 X 10 23 moléculas. El número 6.023 X 10 23 es conocido como número de Avogadro (N) . ¿Cuántos átomos están contenidas en 15 ATG de Cobre? 1 ATG de Cu ---- 6.023 X 10 23 átomos 15 ATG ---- X X = (15) (6.023 X 10 23) / 1 X = 9.023 X 10 24 átomos ¿ Cuántos átomos están contenidos en 230 g de Niquel ? Convertir g a ATG (230g = 3.93 ATG) 1 ATG de Ni ---- 6.023 X 10 23 átomos 3.93 ATG ---- X X = (3.93) (6.023 X 10 23) / 1 X = 2.36 X 10 24 átomos ¿Cuántas moléculas están contenidas en 0.25 moles de CO2 ? 1 mol de CO2 ---- 6.023 X 10 23 moléculas 0.25 moles ---- X X = (0.25) (6.023 X 10 23) / 1 X = 1.5 X 10 23 moléculas ¿Cuántas moléculas están contenidas en 10 g de Convertir g a moles (10g = 0.27 moles) 1 mol de HCl ---- 6.023 X 10 23 moléculas 0.27 moles ---- X X = (0.27) (6.023 X 10 23) / 1 X = 1.6 X 10 23 moléculas

HCl

?

VOLUMEN MOLAR El volumen que ocupa 1 mol de cualquier gas en condiciones estándar ( 0° C y 1 atm de presión) es igual a 22.4 litros. ¿Qué volumen ocupan 0.75 moles de N2 en condiciones estándar ? 1 mol de N2 ---22.4 litros 0.75 moles ---- X X = (0.75) (22.4) / 1 X = 16.8 litros

¿ Qué volumen ocupan 100g de CO2 en condiciones Convertir g a moles (100g = 2.27 moles) 1 mol de CO2 ---- 22.4 litros 2.27 moles ---- X X = (2.27) (22.4) / 1 X = 50.8 litros

estándar

?

REACTIVOS O PRODUCTOS En una reacción química se puede calcular la cantidad de reactivos que se necesitan para generar una cantidad definida de productos, o la cantidad de productos que se forma con una cantidad definida de reactivo. Es necesario contar con una reacción balanceada y establecer la cantidad de ATG o moles que participan (teóricamente) en la reacción. ¿Cuántos g de Na se necesitan para preparar 12 g de sal (NaCl) ? Reacción: 2 Na + Cl2  2 NaCl 2 ATG de sodio = 46 g , 1 mol de cloro = 71g y 2 moles de cloruro de sodio = 117 g (la suma de los reactivos es igual al producto).

Teórica

46 g

71 g

117 g

2 Na +

Cl2 

2 NaCl

Real

X

12 g

Se establece la relación teórico-Práctica, y se calcula la cantidad de sodio. Na NaCl 46 g ------ 117 g X ------ 12 g X = (46) (12) / 117 X = 4.7 g ¿Cuántos g de H2O se producen cuando reaccionan 28 g de Zn(OH) 2 ? Reacción: Zn(OH) 2 + H2S  ZnS + 2 H2O 2 mol de hidróxido de zinc = 99.5 g reaccionan con 1 mol de ácido sulhídrico = 34 g y produce 1 mol de sulfuro de zinc = 97.5 g más 2 moles de agua = 36 g (la suma de los reactivos es igual al producto).

Teórica

Real

99.5 g

34 g

97.5

36 g

Zn(OH) 2 +

H2S 

ZnS

+ 2 H2O

28 g

X

Se establece la relación teórico-Práctica, y se calcula la cantidad de agua. Zn(OH) 2 H2O 99.5 g -------- 36 g 28 g -------- X X = (28) (36) /99.5 X = 10.1 g

REACTIVO LIMITANTE Cuando se tiene una reacción donde participan dos reactivos, existe una relación teórica de la cantidad de ambos, por ejemplo si se agregan cantidades al azar de ambos reactivos, lo más probable es que uno de ellos se haya agregando en exceso y el otro reactivo se terminará en la reacción ( este último se conoce como reactivo limitante) .Los cálculos estequiométricos para determinar el reactivo en exceso y el reactivo limitante consiste en establecer dos condiciones, primero usando uno de los reactivos y después el otro, la condición que pueda llevarse a cabo se tomará de referencia.

Por ejemplo : Calcular la cantidad de reactivos (que reaccionan) y el reactivo limitante, si se hacen reaccionar 250 g de sulfato cúprico con 80 g de fierro. Reacción: CuSO 4 + Fe  FeSO 4 + Cu Reacción balanceada 1 mol de sulfato cúprico = 159.5 g reaccionan con 1 ATG de fierro = 56 g y produce 1 mol de sulfato ferroso = 152 g más 1 ATG de cobre = 63.5 g (la suma de los reactivos es igual al producto).

A Teórica

Real

159.5 g

56 g

152 g

63.5 g

CuSO4 +

Fe 

Fe SO4

+ Cu

250 g

X

Se establece la condició A , y se calcula la cantidad de fierro. CuSO 4 Fe 159.5 g --------- 56 g 250 g --------- X X = (250) (56) /159.5 X = 87.7 g

B Teórica

Real

159.5 g

56 g

152 g

63.5 g

CuSO4 +

Fe 

Fe SO4

+ Cu

X

80 g

Se establece la condición B , y se calcula la cantidad de sulfato cúprico. CuSO 4 Fe 159.5 g --------- 56 g X -------- 80 g X = (80) (159.5) /56 X = 227.8 g La pregunta es ¿Cuál de las dos condiciones se puede realizar, considerando los 250 g de sulfato y los 80 g de fierro ? La respuesta es "la condición B" , ya que pueden reaccionar 227.8 g de sulfato cúprico con 80 g de fierro, por lo que el reactivo limitante es el fierro y el reactivo en exceso es el sulfato (sobraran 22.2 g).