Cálculos estequiométricos

Cálculos estequiométricos

La estequiometria es la parte de la química que se encarga de realizar cálculos matemáticos a partir de ecuaciones químicas balanceadas. Los cálculos estequiométricos se basan en relaciones fijas de combinación que hay entre sustancias, estas relaciones están indicadas en los coeficientes de las ecuaciones balanceadas.

2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂

Dos moléculas de óxido de aluminio reaccionan con tres moles de átomos de carbono para producir cuatro moles de átomos de aluminio y tres moléculas de dióxido de carbono.
Por lo tanto,

• Dos moléculas de óxido de aluminio reaccionan con tres moles de átomos de carbono (2:3)
• Dos moléculas de óxido de aluminio producen cuatro moles de átomos de aluminio (2:4)
• Tres moles de átomos de carbono producen cuatro moles de átomos de aluminio (3:4)
• Cuatro moles de átomos de aluminio se producen con tres moles de átomos de carbono (4:3)

Ejemplo 1: Moles de Al₂O₃

¿Qué cantidad de Al₂O₃ se requiere para preparar para hacer reaccionar 6 moles de átomos de carbono?

2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂

2Al₂O₃ → 3 C
X ← 6C

$$x=\frac{\mathrm{6C}x\mathrm{2AL}{}_2\mathrm{O}{}_3}{\mathrm{3C}}\to \mathrm{4AL}{}_2\mathrm{O}{}_3$$

Respuesta: Se requiere 4 moles de Al₂O₃ para hacer reaccionar 6 moles de átomos de carbono

Ejemplo 2: Cantidad de sustancia expresada en moles

Para la reacción 4FeS + 5O₂ → 4SO₂ + 2Fe₂O₃ determinar:

1. Cantidad de sustancia expresada en moles de Fe₂O₃ que se produce a partir de 2,5 moles de FeS.
$$x=\frac{\mathrm{2,5\; FeS}x\mathrm{2Fe}{}_2\mathrm{O}{}_3}{\mathrm{4\; FeS}}\to \mathrm{1,25\; Fe}{}_2\mathrm{O}{}_3$$

Respuesta: Se produce 1,25 moles de Fe₂O₃ a partir de 2,5 moles de FeS

2. Cantidad de sustancia expresada en moles de FeS que se necesitan para producir 3,5 moles de Fe₂O₃
$$x=\frac{\mathrm{3,5\; Fe}{}_2\mathrm{O}{}_{3}x\mathrm{4\; FeS}}{\mathrm{2\; Fe}{}_2\mathrm{O}{}_3}\to \mathrm{7\; FeS}$$

Respuesta: Se necesita 7 moles de FeS para producir 3,5 moles de Fe₂O₃

3. Cantidad de sustancia expresada en moles de SO₂que se producen a partir de 3 moles de FeS

$$x=\frac{\mathrm{3\; FeS}x\mathrm{4\; SO}{}_2}{\mathrm{4\; FeS}}\to \mathrm{3\; SO}{}_2$$

Respuesta: Se producirán 3 moles de SO₂ a partir de 3 moles de FeS

Cálculos químicos en los que interviene gases

Un mol de sustancia de cualquier gas en condiciones normales es equivalente a 22,4 litros por cada mol de ese gas, por lo tanto el calculo consite simplemente en multiplicar la cantidad de moles del gas por la equivalencia.

Ejemplo 3: Calcular volumen de un gas

¿Cuál es el volumen de oxígeno se produce a partir de la descomposición de 25 g de clorato de potasio?

1. Se escribe la ecuación balanceada

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

2. Calcular los moles de KClO₃

$$n=\frac{\mathrm{25\; g}}{\mathrm{127\; g/mol}}\to \mathrm{0,20\; mol}$$

3. Se calcula la relación moles litros de O₂

Si 1 mol O₂ → 22,4 L O₂
3 mol O₂ x 22,4 L
V = 67,2 L O₂

4. Se calcula el volumen según 0,20 mol de KClO₃

2 KClO₃ → 67,2 L O₂
0,20 KClO₃ → X L O₂

$$x=\frac{\mathrm{0,20\; KClO}{}_{3}x\mathrm{67,2\; L\; O}{}_2}{\mathrm{2\; KClO}{}_3}\to \mathrm{6,72\; L\; O}{}_2$$

Respuesta: Se producirá 6,72 L O₂ a partir de la descomposición de 25 g de clorato de potasio

Reactivo limitante

En las reacciones químicas muchas veces los reactivos no se encuentran en sus relaciones estequiométricas, es decir, alguno de ellos tiende a estar en exceso, y por lo tanto el rendimiento del producto viene determinado por el reactivo que está en menor proporción, en consecuencia, se hace necesario determinar cuál es el reactivo limite. El reactivo limite es la sustancia que al estar en menor proporción se agota más rápido.

Ejemplo 4: Cálculo del reactivo limite

1. Para la reacción Cu₂S + 2Cu₂O → 6Cu + SO₂ determinar:
2. Cantidad de sustancia expresada en moles de SO₂ que se producen a partir de 7 moles de Cu₂O

2 Cu₂O → SO₂
7 Cu₂O → X SO₂

$$x=\frac{\mathrm{7\; Cu}{}_2\mathrm{O}x\mathrm{SO}{}_2}{\mathrm{2\; Cu}{}_2\mathrm{O}}\to \mathrm{3,5\; SO}{}_2$$

Respuesta: Se producirá 3,5 SO₂ a partir de la reacción de 7 moles de Cu₂O

3. Si se mezcla 3 mol de Cu₂S y 5 moles de Cu₂O, ¿Qué cantidad se produce y cual sustancia queda sobrante y cuál es el reactivo límite?

Al existir una relación de combinación 1:2 el óxido limita al sulfuro
Cu₂S → 2 Cu₂O
x → 5 Cu₂O

$$x=\frac{\mathrm{5\; Cu}{}_2\mathrm{O}x\mathrm{Cu}{}_2\mathrm{S}}{\mathrm{2\; Cu}{}_2\mathrm{O}}\to \mathrm{2,5\; Cu}{}_2\mathrm{S}$$

Respuesta: Se producirá 2,5 Cu₂S a partir de la reacción de 5 moles de Cu₂O, la sustancia sobrante es el Cu₂S (3 mol - 2,5 mol = 0,5 mol) y el reactivo limitante es el óxido cuproso.

Ejercicios: Cálculo del reactivo limite

1. Para la reacción: 2Al + Cr₂O₃ → 2Cr +Al₂O₃ calcula:
1. La cantidad de Cr expresada en mol, que se produce a partir de 5 moles de Cr₂O₃.
2. La cantidad de Cr₂O₃ expresada en mol que se necesita para producir 1,51 kg de Cr
2. El acetileno (C₂H₂) el cual se utilizaba como combustible en las lámparas de carburo, se puede obtener a partir de la reacción del carburo de calcio con agua, según la siguiente ecuación: CaC₂ + H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂, Si se hacen reaccionar 30 g de carburo de calcio con 30 g de agua calcule:
1. El reactivo limitante
2. La masa en exceso del reactivo no limitante
3. El volumen del gas producido en C.N.