ESTEQUIOMETRÍA

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La estequiometría (del griego "stoicheion” (elemento) y "métrón” (medida) es el cálculo de las relaciones cuantitativa entre reactivos y productos en el transcurso de una reacción química.

La estequiometría es una herramienta indispensable en la química. Problemas tan diversos como, por ejemplo, la medición de la concentración de ozono en la atmósfera, la determinación del rendimiento potencial de oro a partir de una mina y la evaluación de diferentes procesos para convertir el carbón en combustibles gaseosos, comprenden aspectos de estequiometría.

El primero que enunció los principios de la estequiometría fue Jeremias Benjamin Richter (1762-1807), en 1792. Escribió:

La estequiometría es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa en la que los elementos químicos que están implicados.

Principio científico

En una reacción química se observa una modificación de las sustancias presentes: los reactivos se modifican para dar lugar a los productos.

A escala microscópica, la reacción química es una modificación de los enlaces entre átomos, por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, pero los átomos implicados se conservan. Esto es lo que llamamos la ley de conservación de la materia (masa), que implica las dos leyes siguientes:

1.- la conservación del número de átomos de cada elemento químico

2.- la conservación de la carga total

Las relaciones estequiométricas entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y están determinadas por la ecuación (ajustada) de la reacción.

Ajustar o balancear una reacción

Estequiometría, indispensable en la química.

¿Qué significa ajustar o balancear una reacción? Veamos.

Una ecuación química (que no es más que la representación escrita de una reacción química) ajustada debe reflejar lo que pasa realmente antes de comenzar y al finalizar la reacción y, por tanto, debe respetar las leyes de conservación del número de átomos y de la carga total.

Para respetar estas reglas, se pone delante de cada especie química un número llamado coeficiente estequiométrico, que indica la proporción de cada especie involucrada (se puede considerar como el número de moléculas o de átomos, o de iones o de moles; es decir, la cantidad de materia que se consume o se treansforma).

Por ejemplo:

En la reacción de combustión de metano (CH₄), éste se combina con oxígeno molecular(O₂) del aire para formar dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

La reacción sin ajustar (sólo representando los elementos que interactúan) será:

Esta reacción no es correcta, porque no cumple la ley de conservación de la materia. Para el elemento hidrógeno (H), por ejemplo, hay 4 átomos en los reactivos (CH₄) y sólo 2 en los productos (H₂O). Se ajusta la reacción introduciendo delante de las fórmulas químicas de cada compuesto un coeficiente estequiométrico adecuado.

De esta manera, si se pone un 2 delante del H₂O:

se respeta la conservación para el carbono (C) y el hidrógeno (H), pero no para el oxígeno (O), situación que puede corregirse poniendo otro 2 delante de O₂ en los reactivos:

y se obtiene así, finalmente, la reacción ajustada.

Ésta dice que 1 molécula de metano (CH₄) reacciona con2 moléculas de oxígeno molecular (O₂) para producir 1molécula de dióxido de carbono(CO₂) y 2 moléculas de agua (H₂O). Si verificamos el número de átomos veremos que en ambos lados de la ecuación hay 1 átomo de carbono (C), 4 átomos de hidrógeno (H) y 4 átomos de oxígeno (O). La materia (la cantidad de átomos) se ha conservado una vez terminada la reacción química.

Ejemplo 1. Una forma de eliminar el CO₂ del aire de una nave espacial consiste en hacer reaccionar dicho gas con NaOH:

CO₂(g)  + NaOH(s) → Na₂CO₃(s) + H₂O

Se estima que en 24 horas, un astronauta exhala aproximadamente 1000 g de CO₂. ¿Cuántos kilogramos de NaOH se requieren para eliminar el CO₂ exhalado por el astronauta? ¿Cuántos kg de Na₂CO₃ se producen en el proceso?

Ecuación química balanceada:

CO₂(g)  + 2 NaOH(s) → Na₂CO₃(s) + H₂O

1 mol               2mol                   1 mol         1 mol
44.0 g            2(40.0 g)               106 g          18 g

Relaciones estequiométricas en masa

Relaciones estequiométricas en mol

Ejemplo 2.

Un elemento X forma un yoduro XI₃ y un cloruro XCl₃. El yoduro se convierte en cloruro cuando se calienta en una corriente de cloro:

XI₃ + Cl₂ →  XCl₃ + I₂

0.500 g de XI₃ producen 0.236 g de XCl₃. ¿Cuál es la masa molar de X?

2 XI₃ + 3 Cl₂ → 2 XCl₃ + 3 I₂

2 mol     3 mol         2 mol      3 mol

Masa molar de XI₃ = (x + 381) g/mol

Masa molar de XCl₃ = (x + 106.5) g/mol

De acuerdo con la ecuación química balanceada:

Es decir:

Reactivo límite

Cuando en la realidad se llevan a cabo reacciones químicas, es normal que los reactivos no se encuentran en cantidades estequiométricas, es decir, en las proporciones exactas que indican los coeficientes estequiométricos de la ecuación química balanceada. Usualmente, uno o varios de los reactivos están en mayor cantidad de la que se requiere, por lo que, al finalizar la reacción, quedará un remanente de esos reactivos.

El reactivo límite o limitante es aquel reactivo que en una reacción química se consume en primera medida, determinando la cantidad de producto o de productos obtenidos. La reacción depende del reactivo limitante, ya que según la ley de las proporciones definidas, los demás reactivos no reaccionarán cuando uno se haya consumido.

Ejemplo 3.

Considerar la siguiente reacción:

MnO₂ (s) + 4 HCl (ac) → MnCl₂ (ac) + Cl₂ (g) + 2 H₂O (l)

Al inicio se ponen a reaccionar 4.5 g de MnO₂con 4.0 g de HCl. ¿Cuántos gramos de Cl₂ se obtienen? Calcular la cantidad de reactivo en exceso que queda sin reaccionar.

En adelante se usará el método de relaciones estequiométricas, expresadas en mol, para todos los cálculos estequiométricos.

MnO₂ (s) + 4 HCl (ac) → MnCl₂ (ac) + Cl₂ (g) + 2 H₂O (l)

1 mol             4 mol                    1 mol           1 mol            2 mol

Para determinar cuál es el reactivo límite, se dividen las mol de cada reactivo entre el respectivo coeficiente estequiométrico. El menor valor obtenido para este cociente corresponde al reactivo límite:

Todos los cálculos estequiométricos deben hacerse tomando como referencia al reactivo límite: