TEMA 2

CONCEPTOS BÁSICOS Cálculos estequiométricos

ÍNDICE

1. 2. 3. 4. 5.

Ecuaciones (reacciones) químicas Cálculos estequiométricos. Reactivo limitante y reacciones consecutivas Pureza de un reactivo Rendimiento de una reacción Ejemplos

1. Reacciones químicas  Las reacciones químicas incluyen la fórmula de todos los reactivos y productos, y a veces, el estado de agregación, las condiciones de reacción, etc. Expresa las relaciones cuantitativas existentes entre las sustancias que participan en la reacción. reactivos  productos  Coeficientes estequiométricos: números por los que se multiplica cada compuesto implicado en la reacción con el fin de que el número de átomos sea el mismo en los dos miembros (conservación de la masa). Las reacciones ajustadas nos permiten relacionar el número de átomos, de moléculas, de moles y la masa de los reactivos y los productos que reaccionan o se forman. 6 CO2 (g) + 6 H2O (l)  C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) 6 moléculas 6 moléculas 1 molécula 6 moléculas 6 mol 6 mol 1 mol 6 mol  Ajuste de reacciones: algunas se ajustan por tanteo; en este caso es recomendable ajustar primero los elementos que aparecen sólo en un compuesto, dejando para el final los que aparecen en dos o mas. Existen técnicas especiales para el ajuste de reacciones redox (ver tema 8)  Cuando no se dan otras especificaciones, consideramos que las reacciones son “completas” (que se agota al menos uno de los reactivos, y que estos son puros). En la realidad, la mayoría de los reactivos contienen impurezas, y la reacción química no se completa.

2. Cálculos estequiométricos. Reactivo limitante y reacciones consecutivas 

Los cálculos estequiométricos consisten en la cuantificación de las cantidades de sustancia que participan en una reacción química. Se parte de la ecuación química ajustada.



Se utilizan factores de conversión, que son fracciones que representan cantidades de sustancias relacionadas entre si. Las unidades nos indican a que sustancia nos referimos, y como está expresada esa cantidad. Estos cocientes se multiplican entre si, hasta obtener la unidad adecuada.

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Reactivo limitante: Cuando los reactivos no se mezclan en la relación estequiométrica uno se consumirá completamente (limitante). Los demás quedan en exceso. Los cálculos estequiométricos deben realizarse tomando como referencia el reactivo limitante.



Reacciones consecutivas: en ocasiones es necesaria más de una reacción para obtener un producto a partir de determinados reactivos; en este caso la cantidad de producto obtenido (o deseado) de cada reacción se toma como referencia para la siguiente reacción.

3. Pureza de un reactivo 

Se llama pureza al porcentaje en masa de reactivo puro en la masa total. Pureza (%) =



masa reactivo puro  100 masa reactivo total (puro+impurezas)

La mayoría de los reactivos no son puros, ya que:

Contienen otras sustancias (impurezas) que no participan en la reacción Contienen humedad (agua contenida en los reactivos) La materia seca es la fracción pura y el agua la fracción impura. Son disoluciones acuosas. La concentración g(soluto)/100g (disolución) o g(soluto)/100 mL (disolución) es una forma de expresar la pureza o riqueza. El soluto es la fracción pura y el disolvente la impura.

4. Rendimiento 



Las transformaciones químicas no siempre se producen completas. Debido a ello, en las reacciones químicas se obtiene una cantidad de producto inferior a la calculada en teoría. Se define rendimiento de la reacción al cociente entre la cantidad real de producto obtenido y la cantidad calculada o teórica (cantidad que deberíamos obtener considerando la estequiometría de la reacción). Rendimiento(%) =

Cantidad real de producto 100 Cantidad teórica de producto multiplicar por R (en tanto por uno)

reactivos dividir por R (en tanto por uno)

Para calcular la cantidad de reactivo necesaria para producir una cantidad predeterminada de producto de reacción: dividir por R (en tanto por uno)

productos

Para calcular la cantidad de producto obtenido: multiplicar por R (en tanto por uno)

5. Ejemplo 1 Sabiendo que el bicarbonato sódico descompone según la reacción: NaHCO3  Na2CO3 + CO2 + H2O Calcule: a) Los gramos de carbonato sódico que se obtienen a partir de 100,00 g de bicarbonato sódico b) El volumen de CO2 en condiciones normales que se desprende. Datos: masas atómicas (g/mol): C = 12,01; O = 16,00; H = 1,08; Na = 22,99. Mm(NaHCO3) = 84,08 g/mol; Mm (Na2CO3) = 105,90 g/mol; Mm (CO2) = 44,01 g/mol Ajuste de la reacción por tanteo: 2 NaHCO3  Na2CO3 + CO2 + H2O Como no se indica la pureza del reactivo de partida, ni el rendimiento de la reacción, consideramos ambos del 100 %. a) Masa de carbonato sódico: b) Volumen del dióxido de carbono: 1 mol NaHCO3 1 mol Na2CO3 105,90 g Na2CO3 Masa Na2CO3 = 100, 00 g NaHCO3 × × × = 62,98 g Na2CO3 84, 08 g NaHCO3 2 mol NaHCO3 1 mol Na2CO3

nº moles CO2 = 100, 00 g NaHCO3 ×

P ×V = n × R × T

1 mol NaHCO3 1 mol CO2 × = 0,59 mol CO2 84, 08 g NaHCO3 2 mol NaHCO3

n × R × T 0,59 mol × 273 K × 0, 082 atm L mol-1 K -1 V= = = 13,21 L de CO2 P 1 atm

5. Ejemplo 2 (I) El ácido clorhídrico se obtiene en el laboratorio haciendo reaccionar cloruro sódico con ácido sulfúrico; en el proceso se forma además sulfato sódico. a) Calcule la masa de ácido clorhídrico que se obtendrá a partir de 20,00 g de cloruro sódico del 80,00% de riqueza en masa con 12,00 mL de ácido sulfúrico del 96,00% de riqueza en masa y densidad 1,84 g/mL. Considere que el rendimiento de la reacción es del 95,00% Masas moleculares (g/mol): Mm (NaCl) = 58,45; Mm (H 2SO4) = 98,09; Mm (HCl) = 36,46 Reacción ajustada: 2 NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl Calculo el número de moles de NaCl y de H2SO4, con el fin de conocer cuál es el reactivo limitante Pureza del NaCl

nº moles NaCl = 20,00 g NaClimp. ×

nº moles H2SO4 = 12 mL dis. H2SO4 ×

80 g NaClpuro 100 g NaClimp.

×

1 mol NaCl = 0,27 mol NaCl 58,45 g NaCl

1,84 mL dis. H2SO4 96,00 g H2SO4 1 mol H2SO4 × × = 0,21 mol H2SO4 1 g H2SO4 100 g dis. H2SO4 98,09 g H2SO4 Pureza del H2SO4

Como 2 moles de NaCl reaccionan con 1 mol de H2SO4, 0,27 moles de NaCl reaccionarán con 0,14 moles de H2SO4 (disponemos de 0,21 moles). El reactivo limitante es el NaCl.

5. Ejemplo 2 (II) Calculamos la masa de ácido clorhídrico a partir de la cantidad de cloruro sódico: masa de HCl = 0,27 mol NaCl ×

2 mol HCl 36,46 g HCl 95 greales HCl × × =9,36 g de HCl 2 mol NaCl 1 mol HCl 100 gteóricos HCl rendimiento

b) Calcule la masa mínima de cloruro sódico del 80,00% de riqueza en masa que será necesario para obtener 100,00 g de ácido clorhídrico. Considere que el rendimiento de la reacción es del 95,00%

Reacción ajustada: 2 NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl masa de NaCl = 100,00 g HCl ×

1 mol HCl 2mol NaCl 58,44 g NaCl 100,00 g NaClimp. × × × × 36,46 g HCl 2 mol HCl 1 mol NaCl 80,00 g NaClpuro Pureza del NaCl

x

100,00 g NaClteóricos = 210,90 g de NaCl (del 80%) 95,00 g NaClreales rendimiento

Compare la aplicación del concepto de rendimiento en los dos casos señalados Compare la aplicación del concepto de pureza en los tres casos señalados