Estequiometría: Qué es y su importancia en la química

La química, percibida como un conjunto de símbolos y reacciones, esta basada en la precisión de los elementos combinados en proporciones exactas. Esta precisión esta basada en reglas y principios matemáticos que constituyen la estequiometría, una rama esencial de la química que nos permite comprender y predecir las cantidades exactas de sustancias involucradas en las reacciones químicas. A lo largo de este artículo veremos sus conceptos y aplicaciones para que cualquier persona, independientemente de su formación previa en química, pueda comprender y aplicar estos principios fundamentales en el análisis y síntesis química.

¿Qué es la estequiometría química?

La estequiometría química se ocupa de la determinación de las proporciones exactas en las que los elementos y compuestos químicos reaccionan o se producen. Es el estudio de las relaciones cuantitativas entre los reactivos y los productos en el transcurso de una reacción química.

Las relaciones se basan en la ley de conservación de la masa, que establece que en una reacción química ordinaria, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos.

Para comprender la estequiometría, es esencial tener conocimiento de las fórmulas químicas, las ecuaciones químicas balanceadas, y la masa molar de los compuestos. La masa molar es la masa de un mol de una sustancia (un mol es igual al número de avogadro). A través de la estequiometría, podemos calcular cuántos moles de un reactivo se necesitan para reaccionar completamente con otro reactivo, y cuántos moles de producto se generarán.

Cálculos estequiométricos

Para realizar cálculos estequiométricos, primero se debe tener una ecuación química balanceada. Esta ecuación muestra la relación molar entre los reactivos y los productos, y se asegura de que el número de átomos de cada elemento se conserve a través de la reacción.

La relación molar se deriva de los coeficientes de la ecuación balanceada, que indican, cuántas unidades de cada sustancia reaccionan o se forman.

Pasos para Realizar Cálculos Estequiométricos

1. Balancear la Ecuación Química: Asegúrate de que la ecuación química esté balanceada para que cumpla con la ley de conservación de la masa.
2. Convertir Unidades a Moles: Si las cantidades están dadas en gramos u otra unidad, conviértelas a moles utilizando la masa molar de cada sustancia.
3. Usar la Relación Molar: Aplica la relación molar de la ecuación balanceada para relacionar los moles de un reactivo o producto con los moles de otra sustancia en la reacción.
4. Convertir Moles a Unidades Deseadas: Una vez que tienes los moles necesarios, conviértelos a la unidad deseada, como gramos, utilizando nuevamente la masa molar si es necesario.
5. Considerar el Reactivo Limitante: En una reacción, el reactivo limitante es el que se consume completamente primero, limitando la cantidad de producto que se puede formar. Es importante identificarlo para realizar cálculos precisos.
6. Calcular el Rendimiento Teórico: El rendimiento teórico es la cantidad máxima de producto que se puede obtener en una reacción, basada en la cantidad del reactivo limitante.
7. Determinar el Rendimiento Real y el Porcentaje de Rendimiento: En el laboratorio, el rendimiento real es la cantidad de producto que realmente se obtiene. El porcentaje de rendimiento se calcula comparando el rendimiento real con el teórico.

Ejemplo de Cálculo Estequiométrico

Supongamos que queremos calcular cuántos gramos de agua se pueden producir a partir de la combustión completa de 16 gramos de metano (CH₄) con oxígeno suficiente. La ecuación balanceada para la combustión del metano es:

CH₄​+2O_2​→CO₂​+2H_2​O

Los pasos serían los siguientes:

1. Convertir gramos de CH₄ a moles: Usando la masa molar de CH₄ (16 g/mol), calculamos que hay 1 mol de CH₄ en 16 gramos.
2. Aplicar la relación molar: Según la ecuación balanceada, 1 mol de CH₄ produce 2 moles de H₂O.
3. Convertir moles de H₂O a gramos: La masa molar del agua (H₂O) es aproximadamente 18 g/mol. Por lo tanto, 2 moles de H₂O equivalen a 2 moles×18 g/mol=36 gramos.

Por lo tanto, la combustión completa de 16 gramos de metano producirá 36 gramos de agua, suponiendo que hay oxígeno en exceso y que la reacción se lleva a cabo de manera eficiente sin pérdidas.

Cálculo estequiométrico por método algebraico

El cálculo estequiométrico por método algebraico es una técnica más sistemática y matemática para balancear ecuaciones químicas en comparación con el método de tanteo. Este enfoque utiliza coeficientes representados por variables algebraicas para establecer relaciones entre los reactivos y los productos, y luego resuelve estas relaciones para encontrar los coeficientes que balancean la ecuación.

Reacciones químicas y estequiometría

La estequiometría es fundamental en el estudio de las reacciones químicas porque:

1. Conservación de la Masa: La estequiometría se basa en la ley de conservación de la masa, que establece que la masa no se crea ni se destruye en una reacción química. Esto significa que la masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos.
2. Proporciones Definidas: Las reacciones químicas ocurren en proporciones fijas de reactivos que se relacionan directamente con los coeficientes de la ecuación química balanceada. La estequiometría nos permite calcular estas proporciones.
3. Reactivo Limitante: En una mezcla de reactivos, el reactivo limitante es aquel que se consumirá primero, determinando la cantidad máxima de producto que se puede formar. La estequiometría nos ayuda a identificar el reactivo limitante y a calcular el rendimiento teórico de una reacción.
4. Rendimiento Teórico y Real: La estequiometría calcula el rendimiento teórico basado en las cantidades de reactivos utilizados. Comparando el rendimiento teórico con el rendimiento real (la cantidad de producto realmente obtenida), los químicos pueden evaluar la eficiencia de una reacción.
5. Escalado de Reacciones: La estequiometría es crucial para escalar reacciones desde el laboratorio hasta la producción industrial. Permite a los químicos calcular las cantidades necesarias de reactivos para producir una cantidad deseada de producto a mayor escala.

Ecuación química ajustada

• Balance de Masa: Los coeficientes de la ecuación están ajustados de tal manera que hay el mismo número de átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación.
• Balance de Carga: En las reacciones que involucran iones, la suma total de las cargas eléctricas también debe ser igual en ambos lados de la ecuación.
• Coeficientes Enteros y en la Menor Proporción: Los coeficientes deben ser números enteros y tan pequeños como sea posible para reflejar la relación estequiométrica más simple entre las moléculas o iones involucrados en la reacción.

Puntos clave de la estequiometria

• Conservación de la Masa: En cualquier reacción química, la masa se conserva; la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos.
• Relaciones Molares: Las ecuaciones químicas balanceadas indican las proporciones exactas en las que los reactivos y productos reaccionan y se forman, respectivamente.
• Reactivo Limitante: El reactivo que se agota primero en una reacción química y determina la cantidad máxima de producto que se puede formar.
• Rendimiento Teórico vs. Real: La cantidad máxima de producto que se puede obtener teóricamente frente a la cantidad que se obtiene realmente en la práctica.
• Cálculos Estequiométricos: Procesos matemáticos utilizados para convertir entre masas y moles, y para calcular las cantidades necesarias o producidas de reactivos y productos.