Estequiometria. Cantidades de reactivos y productos

in StemSocial2 months ago
¡Hola estimados amigos y comunidad científica de Hive!

Estoy seguro que todos tenemos alguna noción de cocina, en lo particular, me defiendo con las comidas, carnes y vegetales, y en cuanto a los dulces solo me salen bien las galletas jaja, creo que para la repostería hace falta tener más habilidades, no es solo mezclar ingredientes, las cantidades e incluso el orden en que se mezclan influyen en el resultado.

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Mezclar las cantidades adecuadas de los ingredientes correctos tiene como resultado increibles preparaciones. Fuente: @emiliomoron.

¿Y qué tiene que ver la cocina con la química?

He comenzado hablando de cocina porque tiene muchas cosas en común con la química, cuando vamos a preparar unas sencillas galletas debemos mezclar cantidades específicas de harina, azúcar, huevos y mantequilla, si queremos obtener más galletas no basta con aumentar solo la cantidad de harina, los ingredientes deben mantener la misma proporción, y sacar un ingrediente de la receta simplemente conducirá a una terrible preparación.

De forma similar, cuando vemos una ecuación química balanceada estamos leyendo la receta de cómo se prepara una reacción química, en ella vemos los reactivos (los ingredientes) y los productos (por ejemplo, las galletas) y la proporción entre ellos. Como ejemplo veamos una ecuación sencilla, la combustión del metano.

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Esquema estequimétrico de la rección de combustión del metano. Fuente: Wikipedia.com.

En esta ecuación podemos observar que se necesitan dos moléculas de oxígeno por cada molécula de metano para que se produzca la reacción. Como sabemos, sin oxígeno los hidrocarburos simplemente no se queman, es decir, la reacción no se produce.

Entonces, como tenemos una relación entre las cantidades de reactivos y productos, podemos utilizar esta relación para calcular la masa de productos que se generan a partir de cierta cantidad de reactivos, o viceversa, a partir de la cantidad de producto que queremos obtener, determinar la cantidad necesaria de reactivos que debemos combinar. Y al uso de las ecuaciones químicas para hacer estas relaciones se le conoce como estequiometria.

Aunque parece una palabra muy técnica, que se deriva del griego στοιχειον, stoikheion, 'elemento' y μετρον, métrón, 'medida', significa el uso de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos implicados en una reacción química[1].

Así, las reacciones dependerán de los compuestos involucrados y sus cantidades, para determinar cuánto de los productos resultará.

Ecuación química y relaciones molares

Cuando voy a preparar galletas mezclo 200 g de harina, con 130 g de azúcar, 80 g de mantequilla y un huevo, con esas cantidades puedo hacer aproximadamente 20 galletas. Si quisiera hacer unas cuarenta tendría que multiplicar por dos los ingredientes, ese dos que multiplica las cantidades de ingredientes es un factor que utilizamos para asegurar que las cantidades estén balaceadas.

Así como en la receta de cocina, en la química necesitamos expresar como debe proceder una reacción química, es por eso que mediante símbolos se representan los átomos que intervienen en esta y como están agrupados, antes y después de la reacción.

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Por ejemplo, sabemos que la molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrogeno y uno de oxígeno,

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Molécula de agua. Fuente: @emiliomoron.

Pero en la naturaleza no existe el oxígeno monoatómico, por lo que, para que se lleve a cabo la reacción entre el hidrogeno y el oxígeno para producir agua estos deben intervenir en su forma molecular, H2 y O2, así que la reacción se escribe separando cada grupo de átomos presentes por el símbolo “+” y se separa el estado inicial del final con una flecha, apuntando la flecha hacia el producto generado.

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Pero en esta ecuación química se deben balancear la cantidad de átomos, para obedecer con la ley de la conservación de la masa, y como observamos, hay dos átomos de oxígeno de un lado y solo uno del otro, así que no puede haberse perdido uno solo porque sí. Entonces, para balancear los átomos de oxígeno multiplicamos por dos la cantidad de moléculas de agua, pero eso implica que también se dupliquen la cantidad de átomos de hidrogeno presentes de ese lado de la ecuación, así que también debemos duplicarlos del otro lado.

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Al número que multiplica a un compuesto o elemento para ajustar las cantidades de átomos de ambos lados de la expresión se le conoce como coeficiente estequimétrico. Y con estos coeficientes podemos construir relaciones de masa entre las proporciones relativas de las sustancias presentes en nuestra reacción química, a esta relación se le conoce como relación molar y se utiliza para hacer cálculos entre las diferentes cantidades de reactivos y productos. Por ejemplo:

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Lo cual podemos leer como, 2 moles de hidrogeno reaccionan con 1 mol de oxígeno o que se necesita 1 mol de oxígeno para producir 2 moles de agua.

Ejemplo de uso de las relaciones molares

Supongamos que queremos saber qué cantidad de dióxido de carbono se obtiene al quemar 100 g de propano (C3H8).

Lo primero que debemos hacer es escribir la ecuación química:

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Y luego asegurarnos que este balanceada. Para ello ajustamos coeficientes estequiométricos multiplicando el grupo de átomos que cuyas cantidades necesitamos balancear, por ejemplo en el propano hay 3 átomos de carbono así que necesitamos multiplicar por tres la molécula de dióxido carbono.

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Ahora, según nuestra ecuación química balanceada, se producen 3 moles de dióxido de carbono por cada mol de propano, para determinar la cantidad de dióxido de carbono que producen 100 g de propano procedemos de la siguiente forma:

Paso 1. Colocar la cantidad de reactivo conocida en moles

Por lo general manejamos las cantidades en gramos, pero para las reacciones químicas necesitamos las cantidades de sustancias expresadas en moles, para ello utilizamos su masa molar como factor de conversión:

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Paso 2. Utilizar la relación molar para encontrar la cantidad de producto obtenido

Para calcular la cantidad de dióxido de carbono utilizaremos la relación molar que existe entre este y el propano, que según la ecuación química es:

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Y con esta relación podemos convertir los moles de propano del paso 1 a moles de dióxido de carbono.

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Paso 3. Convertir los moles de producto a masa

Igualmente podemos expresar los moles de dióxido de carbono en gramos mediante la masa molar del compuesto.

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Lo que quiere decir que por los 100 g de propano que reaccionan se producen 299,4 g de dióxido de carbono, casi tres veces más, por eso la quema de hidrocarburos contribuye tanto en el cambio climático.

En resumen

La estequiometría se ocupa del cálculo de las cantidades de reactivos y productos que intervienen en una reacción química, mediante las relaciones molares construidas a partir de la ecuación química balanceada, que no es otra cosa que la receta que nos indica como procede la reacción.

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Ahora recuerda, llevar a cabo una reacción química es como seguir una receta. Fuente: pixabay.com.


Muchas gracias por la lectura amigos, espero que les haya gustado la información, hasta la próxima!


Referencias

Wikipedia.com. Estequiometría


Las fórmulas y estructuras químicas fueron elaboradas en power point.

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