TRANSFORMACIONES QUÍMICAS Y

ESTEQUIOMETRÍA

Prof. Estela Alem

REACCIONES

Reacción química, cambio químico o fenómeno químico: proceso termodinámico por el cual una o más sustancias (reactivos o reactantes), se transforman en otras sustancias (productos).

Las reacciones pueden darse en forma natural o inducida. Un ejemplo de cambio químico natural es la reacción del hierro con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro (sobre todo óxido férrico).

A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones químicas. Para el ejemplo:

4 Fe + 3 02 2 Fe203

Si bien los productos obtenidos dependen de las condiciones de reacción, en cualquier reacción química se conservan: el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total. Por eso balanceamos (igualamos las ecuaciones)

ESTEQUIOMETRÍA Término que proviene del griego στοιχέιον

(stequíon: elemento; metron: medida). En 1792 Jeremías Richter incorporó la palabra para

identificar la ciencia que estudia relaciones de masa en las reacciones. Es la parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas de las

sustancias en sus reacciones (reactivos y productos). Las relaciones se pueden deducir a partir de la teoría atómica, pero

históricamente se enunciaron sin referir a la composición de la materia según leyes y principios.

LEYES PONDERALES

• Su objetivo es el estudio de las masas de las sustancias en una reacción química. También se conocen como leyes estequiométricas:

• - Ley de conservación de la masa (Lavoisier)

• - Ley de las proporciones constantes (Proust)

• - Ley de las proporciones múltiples (Dalton, Gay Lussac))

• - Ley de las proporciones equivalentes o recíprocas (Richter-Wenzel)

LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA

Fue planteada por el químico francés Antoine Lavoiser (1743 – 1794) considerado el padre de la química moderna.

Nos indica que en todo sistema cerrado, la masa total es igual antes y después de la reacción (dentro de los límites del error experimental).

Ejemplo: síntesis del agua

Se cumple: masas (react.) masas produc.

LEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS

Fue enunciada por el químico francés Joseph Louis Proust (1748 – 1822).

Establece que en todo proceso químico los reactivos y productos participan manteniendo sus masas en proporción fija, constante y definida; cualquier exceso de uno de ellos permanece sin reaccionar.

Ejemplo: Cu + S CuS

LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES

Enunciada por el químico Ingles John Dalton (1766 – 1844).Establece que si dos sustancias simples reaccionan para

generar dos o más sustancias de una misma función química, se observará que mientras que la masa de uno de ellos es constante, la masa del otro varía en relación de números enteros y sencillos.

LEY DE LAS PROPORCIONES RECÍPROCAS

Enunciada por Wenzel – Richter.

Establece que si las masas de las sustancias A y B pueden reaccionar separadamente con la misma masa de una tercera sustancia “C”, entonces si A y B reaccionan juntos, lo harán con la misma masa con que reaccionan con “C” o con masas, múltiplos o submúltiplos, a la mencionada.

Reacción (1) 1 H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)

2g 71g

Reacción (2) 2 Na(s) + Cl2(g) 2NaCl(s)

46g 71g

Conclusión 1 H2(g) + 2Na(s) 2NaH(s)

2g 46g

LEY VOLUMÉTRICA DE GAY LUSSACEnunciada por Joseph Louis Gay – Lussac (1778 – 1850)Establece: “Los volúmenes de las sustancias gaseosas que

intervienen en una reacción química, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, están en relación de números enteros sencillos”.

EJEMPLO:

231322 NHHN VVV

Ecuación química 1 N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g)

Relación molar 1 mol 3 mol 2 mol

1 vol 3 vol 2 vol

Relación volumétrica 5L 15L 10L

20mL

CALCULOS ESTEQUIOMÉTRICOSSe basan en las relaciones fijas de combinación que hay entre las

sustancias en las reacciones químicas balanceadas.

Las relaciones están indicadas por los subíndices numéricos que aparecen en las fórmulas y por los coeficientes.

Estos cálculos se utilizan frecuentemente en el análisis químico y durante la producción de las diversas sustancias químicas en la industria.

REACTIVO LIMITANTE En una ecuación balanceada, los coeficientes representan el número de moles de reactivos

y productos. La estequiometria permite conocer la cantidad de sustancia (expresada en moles) de un producto que se obtienen a partir de un número conocido de moles de un reactivo, estudiando la ecuación igualada.

Cuando uno de los reactivos al agotarse determina que la reacción se detenga, se denomina reactivo limitante.

Es aquel reactivo que se consume por completo en una reacción química, recibe ese nombre porque determina o limita la cantidad de producto formado.

El reactivo limitante depende de la reacción, un mismo reactivo puede ser limitante en una reacción y excedente en otra.

SANDWICHES

Si deseamos hacer sándwiches de jamón y disponemos de 6 rebanadas de pan y dos fetas de jamón, ¿cuántos sándwiches podremos hacer?

Necesitamos dos rebanadas de pan y una feta de jamón para elaborar un sándwich. Por lo tanto, sólo podré armar dos sándwiches.

El jamón se agotó, limita la producción de sándwiches: es el reactivo limitante.

Quedaron sin participar en la “reacción” dos rebanadas de pan: el pan es el reactivo excedente.

EJERCICIO

Dispones de una caja que contiene 93 pernos, 102 tuercas y 150 arandelas. ¿Cuántos grupos de un perno, una tuerca y dos arandelas pueden formarse? Indica cuál es el “reactivo” limitante y cuáles son los “reactivos” en exceso.

OTROS EJEMPLOS1.- Para la reacción:

¿Cuál es el reactivo limitante si partimos de 5 moles de hidrógeno y 5 moles de oxígeno?

La ecuación igualada nos indica que necesitamos 2 moles de H2 por cada mol de O2,

El reactivo O2 se encuentra en exceso: cuando todo el hidrógeno se consuma, quedarán 5 moles de oxígeno sin reaccionar.

El reactivo limitante es el H2.

2.- Observa el video que aparece en el siguiente link http://youtu.be/LQHKNX-G_cw . Explica lo que ocurre en la experiencia.

¿CÓMO CALCULAR EL REACTIVO LIMITANTE?Para determinar cuál de los reactivos es el limitante en una reacción, pueden utilizarse los siguientes métodos:

Se supone que un reactivo se consume por completo y se calcula la cantidad del segundo reactivo que se requiere en la reacción. Si se compara la cantidad calculada con la disponible, se puede determinar cuál es el reactivo limitante.

Se calcula la cantidad de producto que podría formarse a partir de cada una de las cantidades dadas de reactivo, suponiendo que se consume. El reactivo que lleve a menor masa de producto será el reactivo limitante.

EJEMPLO

¿Qué masa de CO2 se producirá al reaccionar 8,0 gramos de CH4 con 48 gramos de O2 en la combustión del metano?

1 mol 2 moles 1 mol 2 moles

16 g/mol 32 g/mol 44 g/mol 18 g/mol

Para obtener la masa de CO2 que se forma, debemos saber cuál es el reactivo limitante, ya que es a partir de éste del que haremos los cálculos posteriores.

SOLUCIÓN ICon nuestros datos se calcula el número de moles de cada uno de los reactivos.

La ecuación ajustada indica la relación de los reactivos al reaccionar:

1 mol de CH4 a 2 moles de O2

0,5 mol de CH4 a 1 mol de O2

pero como realmente tenemos:

0,5 mol de CH4 a 1,5 de O2

Entonces una vez que han reaccionado 0,5 moles de CH4 con 1 mol de O2, la reacción se detiene por agotamiento del CH4, y quedarían 0,5 moles de O2 de exceso.

SOLUCIÓN IICalculamos la cantidad de CO2 que se forma a partir de cada uno de los reactivos.

Aunque nos están pidiendo la masa de CO2 que se forma, primero calculamos los moles que se obtienen a partir de cada reactivo, para saber cuál es el Reactivo Limitante (a partir de éste haremos los cálculos posteriores). El reactivo que da la menor cantidad de producto es el reactivo limitante

24

2

4

44 5.0

1

1*

16

1*8 molCO

molCH

molCO

gCH

molCHgCH

22

2

2

22 75.0

2

1*

32

1*48 molCO

molO

molCO

gO

molOgO

RESULTADOA partir de cualquiera de los métodos, obtuvimos que el metano es el reactivo limitante.

El CH4 es el reactivo limitante y sobre éste deben basarse los cálculos:

• 48 g O2 - 32 g O2 = 16 g O2

22

2

4

2

4

44 22

1

44*

1

1*

16

1*8 gCO

molCO

gCO

molCH

molCO

gCH

molCHgCH

RENDIMIENTORendimiento real: Es la cantidad obtenida del producto en la práctica, cuando todo el reactivo limitante se ha

consumido. No se obtiene el teórico debido a la presencia de impurezas, fugas, equipos defectuosos, etc.

Rendimiento teórico: Es la cantidad de producto que se formaría si todo el reactivo limitante se consumiera en la reacción.

Siempre se cumplirá la siguiente desigualdad:

Rendimiento de la reacción rendimiento teórico ≦

Debido a que:

• es posible que no todos los productos reaccionen

• es posible que haya reacciones secundarias que no lleven al producto deseado

• la recuperación del 100% de la muestra es prácticamente imposible

Rendimiento porcentual: Mide la eficiencia de la reacción.

Relaciona el rendimiento de la reacción con el rendimiento teórico : Cantidad real% R x 100

Cantidad teórica

EJEMPLOPuede obtenerse nitrobenceno, C6H5NO2, por reacción de ácido nítrico, HNO3 en exceso con una cantidad limitada de benceno, C6H6. La ecuación balanceada de la reacción es:

Una muestra de 15,6 gramos de C6H6 reacciona con HNO3 en exceso y origina 18,0 g de C6H5NO2.

¿Cuál es el rendimiento de esta reacción con respecto al C6H5NO2? Calcula en primer lugar el rendimiento teórico del C6H5NO2 de acuerdo a la estequiometria de la reacción.

SOLUCIÓN

256256

256

66

256

66

6666 6.24

1

1.123*

1

1*

1.78

1*6.15 NOHgC

NOHmolC

NOHgC

HmolC

NOHmolC

HgC

HmolCHgC

Es decir que si todo el C6H6 se convirtiera en C6H5NO2, se obtendrían 24,6 g de C6H5NO2 (rendimiento del 100%);.Pero la reacción produce sólo 18,0 gramos de C6H5NO2

PORCENTAJE DE PUREZA

Cantidad de sus tancia pura% Pureza x 100

Cantidad de muestra impura

REVISIÓN Reactivo limitante: Aquel reactivo cuya cantidad determina la cantidad máxima de

producto que puede formarse en la reacción. Proporción de reacción: Cantidades relativas de reactivos y productos que

intervienen en una reacción. Puede expresarse en número de moles, masas, volumen, número de moléculas.

Rendimiento real: Cantidad de producto puro que se obtiene en una reacción dada. Rendimiento teórico: Cantidad máxima de un producto específico que se puede

obtener a partir de determinadas cantidades de reactivos, suponiendo que el reactivo limitante se consume en su totalidad siempre que ocurra una sola reacción y se recupere totalmente el producto.

Rendimiento porcentual: Rendimiento real sobre rendimiento teórico por 100. Porcentaje de pureza: El porcentaje de un compuesto o elemento específico en una

muestra impura.