L. CICLO QUMICO Dr. JULIO INDA F.

Introduccin a EstequiometraUno de los aspectos ms interesantes e importantes de la Qumica es el estudio de las reacciones qumicas. Es mediante las reacciones qumicas que se producen compuestos nuevos a partir de otros compuestos. Las reacciones qumicas pueden producirse:1. De manera natural, como la fotosntesis, la respiracin, inhalamos oxgeno y exhalamos dixido de carbono, las explosiones en los volcanes, etc.2. Otras son producidas por el hombres, tales como la produccin de medicamentos, explosivos, colorantes para textiles y para alimentos, nuevos plsticos, catalizadores que aceleren otras reacciones, etc.Un proceso en el cul una o ms sustancias se convierten, en una o ms sustancias nuevas, se denomina reaccin qumica.

Cmo se lee una ecuacin qumica?

Tomemos de ejemplo la ecuacin siguiente:

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)

Se lee de la manera siguiente: Dos moles de hidrgeno reaccionan con un mol de oxgeno para producir 2 moles de agua.

En qumica, la estequiometra, del griego "stoicheion (elemento) y "mtrn (medida), es el clculo de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en el transcurso de una reaccin qumica. La estequiometra es una herramienta indispensable en la qumica. Problemas tan diversos como, por ejemplo, la medicin de la concentracin de ozono en la atmsfera, la determinacin del rendimiento potencial de oro a partir de una mina y la evaluacin de diferentes procesos para convertir el carbn en combustibles gaseosos, comprenden aspectos de estequiometra.Principio cientfico

En una reaccin qumica se observa una modificacin de las sustancias presentes: los reactivos se consumen para dar lugar a los productos. A escala microscpica, la reaccin qumica es una modificacin de los enlaces entre tomos, por desplazamientos de electrones.

Unos enlaces se rompen y otros se forman, pero los tomos implicados se conservan. Esto es lo que llamamos la ley de conservacin de la masa, que implica las dos leyes siguientes:1. La conservacin del nmero de tomos de cada elemento qumico2. La conservacin de la carga total

Las relaciones estequiomtricas entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservacin, y estn determinadas por la ecuacin (balanceada) de la reaccin.Balancear una ecuacin qumica

Las relaciones estequiomtricas entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservacin, y estn determinadas por la ecuacin balanceada de la reaccin.Balancear una reaccin

Qu significa ajustar o balancear una reaccin? Una ecuacin qumica (que no es ms que la representacin escrita de una reaccin qumica) balanceada debe reflejar lo que pasa realmente antes de comenzar y al finalizar la reaccin y, por tanto, debe respetar las leyes de conservacin del nmero de tomos y de la carga total.Para respetar estas reglas, se pone delante de cada especie qumica un nmero llamado coeficiente estequiomtrico, que indica la proporcin de cada especie involucrada (se puede considerar como el nmero de molculas o de tomos, o de iones o de moles; es decir, la cantidad de materia que se consume o se transforma).EjemploEn la reaccin de combustin de metano (CH4), ste se combina con oxgeno molecular (O2) del aire para formar dixido de carbono (CO2) y agua (H2O).

La reaccin sin ajustar (slo representando los elementos que interactan) ser:

CH4 + O2 CO2 + H2O

Esta reaccin no est escrita correctamente, porque no cumple la ley de conservacin de la materia. Para el elemento hidrgeno (H), por ejemplo, hay 4 tomos en los reactivos (CH4) y slo 2 en los productos (H2O). Se ajusta la reaccin introduciendo delante de las frmulas qumicas de cada compuesto un coeficiente estequiomtrico adecuado; si se pone un 2 delante del H2O, se respeta la conservacin para el carbono (C) y el hidrgeno (H), pero no para el oxgeno (O), situacin que puede corregirse poniendo otro 2 delante de O2 en los reactivos:

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

y se obtiene as, finalmente, la reaccin balanceada.

sta dice que 1 molcula de metano (CH4) reacciona con 2 molculas de oxgeno molecular (O2) para dar 1 molcula de dixido de carbono (CO2) y 2 molculas de agua (H2O). Si verificamos el nmero de tomos veremos que en ambos lados de la ecuacin hay 1 tomo de carbono (C), 4 tomos de hidrgeno (H) y 4 tomos de oxgeno (O). La materia (la cantidad de tomos) se ha conservado una vez terminada la reaccin qumica. Ejercicio 11. Balancea las siguientes ecuaciones qumicas:

C6H12O6(ac) C2H5OH (ac) + CO2(g)Mg(s) + O2(g) MgO(s)C3H8(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(g)2. Est balanceada la siguiente ecuacin? C7H8(l) + 9 O2(g) 7 CO2(g) + 4 H2O(l)

Relaciones estequiomtricas y clculos con estequiometra

La estequiometra establece relaciones entre las molculas o elementos que conforman los reactantes de una ecuacin qumica con los productos de dicha reaccin. Las relaciones que se establecen son relaciones MOLARES, entre los compuestos o elementos que conforman la ecuacin qumica, estas relaciones NUNCA se dan en gramos.La estequiometra es el estudio de las relaciones cuantitativas (de cantidades) entre los reactivos y los productos en una ecuacin qumica, y se basa en la ecuacin balanceada.Los coeficientes estequiomtricos de una reaccin qumica, slo nos indican la proporcin en la que reaccionan dichas sustancias. No nos dicen cunto estn reaccionando.

Analicemos la siguiente ecuacin qumica: C7H8 + 9 O2 7 CO2 + 4 H2OPodemos establecer las siguientes relaciones estequiomtricas:

1. Por 1 mol de C7H8, se necesitan 9 moles de O2; esta relacin tambin se puede escribir de la manera siguiente:

2. Tambin podemos establecer relaciones entre las moles de O2 y las moles de CO2 producidas o la relacin entre las moles de H2O producidas y la cantidad de O2 necesarias para producirla, tal y como podemos observar en las siguientes relaciones estequiomtricas:

CLCULOS CON ESTEQUIOMETRAUna reaccin qumica balanceada, nos informa sobre las relaciones molares entre reactantes y productos.

Cuando se lleva a cabo una reaccin qumica ya sea, en el laboratorio, en una fbrica o en la naturaleza, las cantidades que se emplean pueden ser muy variadas y se conocen como las condiciones de reaccin. Las relaciones estequiomtricas, nos permitirn conocer la cantidad de producto que esperamos en las reacciones qumicas, dicho de otra manera, estas relaciones nos permiten conocer cunto se producir o cunto se necesitar de una sustancia, cuando la reaccin ocurre a esas condiciones. Por ejemplo, si nos piden calcular:Cuntos moles de cloruro de magnesio (MgCl2), se producirn, si se hacen reaccionar 2,4 g de Mg con suficiente cantidad de cido clorhdrico (HCl)? (estas son las condiciones de reaccin).La reaccin qumica es la siguiente:Mg(s) + HCl(ac) MgCl2(ac) + H2(g)El primer paso ser balancear la ecuacin, esto permite conocer las relaciones estequiomtricas existentes entre reactivos y productos.Mg(s) + 2 HCl(ac) MgCl2(ac) + H2(g)El segundo paso, como las relaciones estequiomtricas se establecen en moles, debemos conocer a cuntas 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 reaccin descrita anteriormente, se estn haciendo reaccionar 0,1 mol de Mg.

El tercer paso, analizamos las relaciones estequiomtricas descritas en la ecuacin balanceada. Podemos ver que la relacin entre el Mg (reactivo) y el MgCl2 (producto) es 1:1; por lo que podemos concluir que a las condiciones de esa reaccin se producirn 0, 1 mol de MgCl2.Calculen ustedes la cantidad:1. De gas H2 que se producirn en esta reaccin, expresen est cantidad tanto en moles como en gramos.

2. De cido clorhdrico (HCl), que sern necesarios para que todo el Mg reaccione.Ejercicio 2Se hacen reaccionar tolueno (C7H8), con O2, para producir dixido de carbono (CO2) y agua (H2O).

1. Si en la ecuacin qumica descrita, las condiciones de reaccin son hacer reaccionar 10 moles de tolueno, con suficiente cantidad de oxgeno.

Determina la cantidad de:

Oxgeno que se necesitarn para que todo el tolueno reaccione.

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

2. Teniendo en cuenta la misma reaccin, determine:

La cantidad (en gramos) de tolueno que ser necesaria para producir 380 g de dixido de carbono.

Reactivo limitante y reactivo en excesoAnalicemos la siguiente analoga:En la cafetera de Artes tienen una ecuacin para preparar pan con jamn. Ellos requieren de 1 jamn y 2 rebanadas de pan de molde, por cada pan con jamn que deban preparar.La ecuacin la podemos representar de la siguiente forma:1 JAMN + 2 REBANADAS DE PAN --> 1 PAN CON JAMN"Analicen y respondan las situaciones siguientes:

1.Si se cuenta con 15 jamones y:

a. 38 rebanadas de pan, cuntos panes con jamn se podrn preparar?, sobrar alguna pieza? cuntas?

b. 28 rebanadas de pan, cuntos panes con jamn se podrn preparar?, sobrar alguna pieza? cuntas?

2. En el punto 1, establece para cada situacin, quin limita la produccin de panes con jamn, las rebanadas de pan o el jamn. Es decir quin es el reactivo limitante para cada situacin.Una vez analizada la analoga anterior, podemos tener ya una idea y una definicin de reactivo limitante. Escrbela y luego compara tus observaciones con las emitidas lneas abajo.

a. El reactivo limitante ser aqul que se agote primero en la reaccin.

b. El reactivo en exceso ser aquel que no se agote por completo durante la reaccin.

c. La cantidad de producto que se obtenga de la reaccin, depender siempre de la cantidad de reactivo limitante que se tenga en la reaccin.

La mayora de las veces, los reactivos que intervienen en una ecuacin qumica, no se encuentran en las cantidades estequiomtricas para reaccionar por completo.

Siempre se debe averiguar cul de los reactivos es el limitante y cul de ellos est en exceso.

Recuerda: la reaccin es gobernada por el reactivo limitante

EjemploLa reaccin de combustin del propano, es la siguiente:

C3H8 (g) + 5 O2 3 CO2 (g) + 4 H2O (g)

Si se hacen reaccionar 3 moles de C3H8 con 20 moles de O2. Cul de los dos ser el reactivo limitante?

Podemos realizar los clculos de dos maneras:

Teniendo en cuenta la informacin del C3H8. Diremos que para que reaccionen todas las moles de C3H8 (3 moles) se requieren:

por lo tanto:

slo se utilizarn 15 moles de O2 en la reaccin. ste ser el reactivo en exceso, y se tendr la final de la reaccin 5 moles de oxgeno que no han reaccionado (excedente).

Teniendo en cuenta la informacin del O2, Diremos que para que reaccionen todas las moles de O2 (20 moles), se necesitaran:

Por lo tanto:

Como slo se tienen 3 moles de C3H8 (y no 4 moles como se necesitara para que se consuma todo el O2).

Se concluye que el Reactivo limitante, el que se agota es el C3H8, y el que est en exceso ser el O2.

Tengan en cuenta que por cualquiera de los dos caminos se llega la misma conclusin, que:

a. el C3H8 es el reactivo limitante (puesto que ste limita la cantidad a reaccionar) y

b. el O2 est en exceso (parte de ste quedar sobrando).Qu especies estarn presentes al final de la reaccin y en qu cantidad?El reactivo limitante es el que determinar cunto producto se formar.Luego, las moles de C3H8 son las que determinarn, cuntas moles de CO2 y H2O formarn:Conclusin:

Al inicio de la reaccin se tenan 3 moles de C3H8 y 20 moles de O2. Al finalizar la reaccin, se han formado 9 moles de CO2 y 12 moles de H2O adems y tambin se tendrn las 5 moles de O2 que no reaccionaron (reactivo en exceso).Rendimiento de reaccinSi regresamos a la analoga de la produccin de "panes con jamn", ahi veamos que la fabricacin de panes con jamn segua la "ecuacin" siguiente:1 JAMN + 2 REBANADAS DE PAN 1 PAN CON JAMNSi le entregan a uno de los cocineros 18 jamones y 36 rodajas de pan, el puede preparar los panes con jamn, pero supongamos que se le caen 2 al piso y tiene que botarlos a la basura. Calcula el rendimiento de produccin de panes con jamn que tuvo el cocinero.

l deba conseguir una produccin de 18 panes de jamn, "rendimiento terico", pero en realidad solo puede entregar 16 panes de jamn, "rendimiento real".El rendimiento de la reaccin ser:

El rendimiento terico de una reaccin es la cantidad de producto que se esperara obtener si todo funciona bien. Sin embargo, frecuentemente hay reacciones secundarias (formacin de otros productos), o no todos los reactivos reaccionan como se esperara. Esto ocasiona que no se alcance el rendimiento terico sino una menor cantidad de producto: rendimiento real.

La relacin entre lo que realmente (experimentalmente) se obtuvo de producto (rendimiento real) y el rendimiento terico (lo que se esperaba obtener) es el rendimiento de la reaccin. Ten en cuenta que el rendimiento se puede calcular en peso (gramos) o moles, teniendo cuidado que ambos rendimientos (real y terico) estn en las mismas unidades.

Ejercicio 3

La aspirina, C9H8O4, se produce a partir de cido saliclico, C7H6O3, y anhidrido actico, C4H6O3, produciendo adems cido actico (C2H4O2).

1.- Escribe la ecuacin balanceada de la produccin de la aspirina.

2.- Cunto cido saliclico se requiere para producir 150 kg de aspirina, suponiendo que todo el cido saliclico se convierte en aspirina? Recuerda que todo calculo estequiomtrico debe hacerse en moles.

3.- Cunto cido saliclico se requerira si la reaccin tiene un rendimiento de 80 %? Ten en cuenta que se producen 150 kg (rendimiento real), debes averiguar cuanto es el rendimiento terico, y con esta cantidad, calcular la cantidad de acido saliclico necesaria para esa produccin, haciendo uso de las relaciones estequimetricas de la reaccin.

4.- Calcula el rendimiento terico de produccin de aspirina, si se hacen reaccionar 185 kg de cido saliclico con 125 kg de anhdrido actico.

5.- Si la situacin descrita en la pregunta 4, produjera solo 182 kg de aspirina, calcula el porcentaje de rendimiento.Tipos de reacciones qumicas

1. Clculos mol-molEn este tipo de relacin la sustancia de partida est expresada en moles, y la sustancia deseada se pide en moles.

En los clculos estequiomtricos los resultados se reportan redondendolos a dos decimales. Igualmente, las masas atmicas de los elementos, deben utilizarse redondeadas a dos decimales.

Recordando: Para redondear con dos decimales, usamos como base el tercer decimal. Si este es mayor o igual a 5, aumentamos una unidad al segundo decimal; si es menor o igual a 4 se conservara lacifra del segundo decimal.

Ejemplos:

NmeroValor redondeado a dos decimales15.28645

15.293.1247865

3.1220.0054

20.01155.49722

155.50Ejemplos:

Para la siguiente ecuacin balanceada::

Calcule:

a) Cuntas mol de aluminio (Al) son necesarios para producir 5.27 mol de Al2O3?

PASO 1Balancear la ecuacin

Revisando la ecuacin nos aseguramos de que realmente est bien balanceada. Podemos representar en la ecuacin balanceada el dato y la incgnita del ejercicio.

PASO 2

Identificar la sustancia deseada y la de partida.

Sustancia deseadaEl texto del ejercicio indica que debemos calcular las moles de aluminio, por lo tanto esta es la sustancia deseada. Se pone la frmula y entre parntesis la unidad solicitada, que en este caso son moles.Sustancia deseada: Al (mol)

Sustancia de partida:El dato proporcionado es 5,27 mol de xido de aluminio (Al2O3) por lo tanto, esta es la sustancia de partida. Se anota la frmula y entre parntesis el dato.

Sustancia de partida: Al2O3 (5,27 mol)

PASO 3

Aplicar el factor molar

Las moles de la sustancia deseada y la de partida los obtenemos de la ecuacin balanceada.

Se simplifica mol de Al2O3 y la operacin que se realiza es

Seale claramente el resultado final. La respuesta es: 10,54 mol de Al2. Clculos mol-gramoEn este tipo de clculos se involucran los gramos en la sustancia deseada o en la de partida, y la otra sustancia se expresa en moles.3.Clculos gramo-gramoEn estos ejercicios tanto la sustancia deseada como la de partida se expresan en gramos.

Ejemplos que involucran gramos:

1. Para la ecuacin mostrada calcule:

a) Mol de Mg(OH)2 (hidrxido de magnesio) que se producen a partir de 125 g de agua.

b) Gramos de Mg3N2 (nitruro de magnesio) necesarios para obtener 7,11 mol de NH3 (amoniaco).

En el Mg3N2 (nitruro de magnesio) el coeficiente es 1, por lo que no debe escribirse.

a) Moles de Mg(OH)2 (hidrxido de magnesio) que se producen a partir de 125 g de agua.

PASO 1Revisar que la ecuacin esta correctamente balanceada.

PASO 2Sustancia deseada: Mg(OH)2 (hidrxido de magnesio ) en MOLSustancia de partida: H2O (agua) 125 gPASO 3

La sustancia de partida, agua, est expresada en gramos y no en moles, por lo tanto, no se puede aplicar directamente el factor molar. Es necesario realizar una conversin a moles. Para efectuarlo debemos calcular la masa molecular del agua.

Recordando: Para obtener la masa molecular, multiplicamos el nmero de tomos de cada elemento por su masa atmica y las sumamos.

H2OH

2

x

1.01

=2.02

O

1

x

16

= 16+

18.02 gPara convertir a moles:

Ahora como ya tenemos el dato de la sustancia de partida en moles, podemos aplicar el factor molar. Recuerde que los datos del factor molar se obtienen de la ecuacin balanceada.

PASO 4

Cancelamos moles de H2O y obtenemos moles de Mg(OH)2, que son las unidades de la sustancia deseada, y la respuesta es: 3,47 mol Mg(OH)2 .

EJERCICIOS1. Dada la siguiente ecuacin:

Balancear la ecuacin. Por cada mol de Mg(OH)2 que se utiliza cuntas moles de H2O se producen? Si se producen 2,5 moles de agua. Determina con cuntas moles de Mg(OH)2 se dio inicio la reaccin.

Si se parte de 25 g de Mg(OH)2, calcular cuntos gramos de MgCl2 se producirn. Sobre una mesa de laboratorio se derrama cido sulfrico, H2SO4. El cido puede neutralizarse espolvoreando sobre l bicarbonato de sodio, NaHCO3, y absorbiendo con un pao la solucin resultante. Esto es factible pues el cido sulfrico reacciona con el bicarbonato de sodio para dar sulfato de sodio (Na2SO4), dixido de carbono (CO2) y agua (H2O).

2. Escriba la ecuacin qumica balanceada de la reaccin de neutralizacin.

3. Si se derram 1 mol de H2SO4, qu masa de NaHCO3 debe agregarse al derrame para neutralizar todo el cido? Cuntos gramos de CO2 se formarn?1. Una muestra de 150 g. de zinc metlico se calienta hasta que se vaporiza y a continuacin se quema en exceso de oxgeno. Una vez que la reaccin ha terminado se recogen 160 g. de xido de zinc. Calcula el rendimiento del proceso.

2. Se tratan 4,25 g. de aluminio en polvo con 40 ml de disolucin 0,5 M de cido sulfrico. Determina la cantidad de sal formada y el volumen, en dm3, ocupado por el gas formado si se mide a 15C y 745 mm de Hg.

3. Calcula el V de hidrgeno que se obtendr, medido en c.n., tratando 90 g de Zn con exceso de cido sulfrico si el rendimiento previsto es del 80%.

4. El Fsforo se obtiene mediante la siguiente secuencia de reacciones:

a) Fosfato clcico --( xido de calcio + xido de fsforo(V)

b) xido de fsforo(V) + Carbono ---( Fsforo + monxido de carbono

Ajusta las reacciones y determina la masa de Fsforo que puede obtenerse a partir de 2000 g de fosfato clcico, con un rendimiento del 65%.

5. El Ca(NO3)2 puede obtenerse por reaccin del CaCO3 con HNO3. Si se hacen reaccionar 250 g de CaCO3 del 82% de pureza con 500mL de HNO3 3M, calcula la cantidad de nitrato obtenido si el proceso transcurre con un rendimiento del 93%.

6. Se hacen reaccionar 10,0 g de xido de aluminio con exceso de cido clorhdrico y se obtienen 25,0 g de cloruro de aluminio. Calcula el rendimiento del proceso.

7. El amonaco se puede obtener calentando cloruro amnico con hidrxido de sodio. Calcula cuntos gramos de una muestra de cloruro de amonio que tiene un 88% de riqueza, se necesitan para obtener 3 litros de amonaco medidos a 25C y 1 atm.

8. Una muestra de 20 g. de propeno se hacen reaccionar con exceso de HBr. Se obtienen 40 g. de 2-bromopropano. Calcula el rendimiento porcentual de la reaccin.

9. Qu volumen de una disolucin de cido clorhdrico 0,5 N se necesita para disolver una muestra de 1,76 g. de un mineral de zinc con un 34,1% de pureza?. Cul ser la presin del gas obtenido, si la reaccin se lleva a cabo en un recipiente cerrado de 0,5 L de capacidad, siendo la temperatura de 18C?.

10. El cido adpico (hexanodioico), es una de las materias primas que se utilizan en la fabricacin del nylon, se obtiene oxidando el ciclohexano con oxgeno, formndose tambin agua, determina:

a. La cantidad terica de cido adpico que debera obtenerse si se utilizan 50,0 g de ciclohexano.

b. El rendimiento de la reaccin si se obtienen 67,0 g de cido adpico.

11. Calcula los gramos de hidrxido clcico del 75% de riqueza que son necesarios para neutralizar 100 c.c. de cido ntrico de d= 1,20 g/c.c. y 78% de riqueza.

12. La obtencin del bismuto metal puede hacerse en dos pasos: El mineral sulfuro de bismuto(III) se somete a tostacin en corriente de aire, con lo que se obtienen el xido del metal y dixido de azufre. Seguidamente, el xido de bismuto(III) obtenido se reduce a bismuto metal con carbn, desprendindose monxido de carbono, calcula:

a. Suponiendo un rendimiento del 100%, calcula los Kg de mineral se necesitar para obtener 1 Kg de metal, sabiendo que el mineral contiene un 30% de impurezas.

b. Cuntos litros de gases (a P=1 atm y 273K), que pueden producir lluvia cida se emitirn al ambiente en el caso anterior?

13. Una muestra de 1,00 g compuesta por Na2CO3 y K2CO3, se trata con HCl y se obtiene una mezcla de 1,091 g de NaCl y KCl. Calcula la composicin de la mezcla inicial en % de cada componente.

14. Se descompone por calentamiento una mezcla de 4,00g de KClO3 y KClO4 obtenindose 2,4 g de KCl. Adems de este producto, se obtiene oxgeno en las dos reacciones simultneas de descomposicin. Calcula el % de cada sal en la mezcla inicial.

Resuelva Para la siguiente ecuacin balanceada:

Calcule:

a) Cuntas mol de Cu(NO3)2 (nitrato de cobre II) se producen a partir de 5.50 mol de HNO3 (cido ntrico)?

b) Cuntos gramos de CuS (sulfuro de cobre II) son necesarios para producir 8.17 mol de S (azufre)?

c) Cuntas mol de NO (monxido de nitrgeno) se producen cuando se obtienen 175 g de H2O (agua)?

d) Cuntos gramos de HNO3 (cido ntrico) reaccionan con 225 g de CuS (sulfuro de cobre)?

Reporte sus respuestas redondeando a dos decimales y utilice las masas atmicas tambin redondeadas a dos decimales.

De acuerdo con la siguiente ecuacin balanceada:

a) Cuntos gramos de H3PO4 (cido fosfrico) reaccionan con 5.70 mol de Ca(OH)2?

b) Cuntas mol de agua se producen si se obtienen 500 g de Ca3(PO4)2 (fosfato de calcio)?

c) Cuntos gramos de H3PO4 (cido fosfrico) son necesarios para producir 275 g de agua?

10