[Estequiometría] Sección 1. Conceptos clave. [Cantidad de reacción] [Estequiometría de masas y cantidades] Otros conceptos. [Nomenclatura moderna de masas] [Mezcla estequiométrica]
La estequiometría es la rama de la química que se
encarga del estudio cuantitativo de las sustancias involucradas en una
reacción, permitiendo establecer relaciones precisas entre las masas y
las cantidades de sustancia (moles) de los reactivos y productos. Aunque
tradicionalmente se limita al cálculo de proporciones en términos de materia,
sus principios también se extienden a campos como la energía química, la
electroquímica y, en contextos industriales, incluso a evaluaciones de eficiencia
económica, al optimizar el uso de recursos y maximizar rendimientos.
La estequiometría puede considerarse como la economía
de la química, ya que trabaja con las tasas de cambio impuestas por
las propias reacciones químicas, expresadas mediante los números
estequiométricos νν que acompañan a cada sustancia en una ecuación
química balanceada. Estos coeficientes indican cuántas unidades de cada especie
reaccionan o se forman, y permiten calcular con precisión cuánto se necesita de
un reactivo o cuánto producto se obtendrá. Por esta razón, saber balancear
correctamente una ecuación química es fundamental: sin ese paso, no es
posible aplicar razonamientos estequiométricos ni predecir el comportamiento
cuantitativo de una reacción.
Figura
1. Interpretaciones de la ecuación química de síntesis del agua. En el esquema se presentan tres niveles de interpretación de la reacción de
formación del agua. En la primera fila, se muestra la ecuación química
balanceada utilizando símbolos estándar, representando la transformación
simbólica entre reactivos y productos. En la segunda fila, se ofrece la interpretación
molecular, correspondiente a un único evento de reacción en el que dos
moléculas de hidrógeno reaccionan con una molécula de oxígeno para formar dos
moléculas de agua. Finalmente, en la tercera fila se encuentra la interpretación
molar, en la cual los coeficientes estequiométricos indican cantidades
macroscópicas: dos moles de H₂ reaccionan con un mol de O₂ para producir dos
moles de H₂O. Esta última interpretación permite vincular directamente la
ecuación química con cantidades medibles en el laboratorio, facilitando
los cálculos estequiométricos.
El eje central de todo cálculo estequiométrico es la
propia reacción química, representada mediante una ecuación química.
Esta ecuación no solo muestra qué sustancias reaccionan y qué productos se
forman, sino que simultáneamente expresa dos interpretaciones clave: la interpretación
molecular, que representa un solo evento de reacción con el conjunto más
pequeño posible de números estequiométricos enteros, y la interpretación
molar, que describe un mol de tales eventos. En el nivel molecular, los números
estequiométricos ννactúan como verdaderas constantes de reacción,
pues definen la estructura matemática invariable de una reacción química
específica, del mismo modo que los subíndices νν en una fórmula
química definen la identidad de una sustancia pura. Sin esta estructura, no es
posible establecer relaciones cuantitativas ni comprender el comportamiento
químico con rigor.
Dado que una reacción química representa un evento
elemental que puede repetirse un número determinado de veces, es posible escalar
su ocurrencia de forma contable. Esto significa que las reacciones están cuantizadas,
al igual que las entidades (átomos, moléculas o iones) de una sustancia
química, y por tanto pueden contarse usando unidades de agrupación como
pares, docenas, centenas o, más comúnmente, moles. No obstante, en este
contexto, el mol no se refiere a la cantidad de sustancia nn,
ya que las reacciones no son sustancias, sino procesos. Por esta razón, el
número de veces que ocurre una reacción no debe confundirse con la cantidad de
sustancia involucrada, aunque ambas se midan en moles.
Para distinguir este concepto, se introduce un nuevo
parámetro denominado ξξ (letra griega xi), conocido como cantidad
de reacción, que es análogo a la cantidad de sustancia, pero aplicado a los
eventos de reacción. La cantidad de reacción ξξ, medida también en
moles, indica cuántas veces ocurre una reacción química completa según la
proporción establecida por sus números estequiométricos. Así, mientras
que n representa cuántos moles de una sustancia tenemos, ξξ representa
cuántos moles de eventos de reacción han ocurrido.
Figura
2. Axioma de la cantidad de reacción: La cantidad de una sustancia
involucrada en una reacción química es igual al número de veces que ocurre
la reacción multiplicado por su correspondiente número estequiométrico
en la ecuación química balanceada.
Observa que en estas fórmulas utilizamos el número
estequiométrico sin la notación vectorial, lo que indica que siempre
calculamos valores absolutos de masa o cantidad, sin distinguir si las
sustancias se sintetizan o se consumen durante la reacción química. Por
otro lado, la cantidad de reacción representa un escalar positivo,
ya que la reacción, una vez iniciada, solo puede avanzar en el tiempo. La única
forma de "retroceder" sería revertir el proceso completamente, como
si deshiciéramos la reacción, lo cual implica una inversión temporal o
una reacción inversa bien definida.
La fórmula presentada en la figura 2 tiene un carácter
enteramente axiomático y se deriva directamente del análisis conceptual
de una ecuación química balanceada. Imaginemos, por ejemplo, una reacción en la
que una molécula de A produce dos moléculas de B. Si la reacción
ocurre una vez, se obtienen exactamente 2 entidades de B; si ocurre dos
veces, se obtienen 4 entidades, y así sucesivamente. En general, la cantidad de
B producida es siempre el producto del número de veces que ocurre la
reacción y su número estequiométrico. Esta relación no requiere
demostración matemática, ya que emerge naturalmente del modelo atómico
subyacente a la ecuación química, donde las proporciones entre sustancias están
determinadas por la conservación de la materia y la contabilidad de entidades
discretas.
Figura
3. La representación de una ecuación
química desde el punto de vista molecular destaca cómo las moléculas de los
reactantes se transforman en las moléculas de los productos. Recuerda que la
flecha de reacción no solo separa reactantes de productos, sino también el
estado inicial del estado final. En la figura se representan las cantidades 8
AB + 4 A₂ → 8 A₂B, lo que equivaldría a 4 eventos de reacción. Si dividimos
todo entre 4, obtenemos un único evento de reacción: 2 AB + A₂ → 2 A₂B
Un axioma es una proposición fundamental que se
acepta como verdadera sin necesidad de demostración, ya que sirve como punto de
partida para la construcción de una teoría. En el contexto de la química, los
axiomas no se derivan de principios más básicos, sino que reflejan
observaciones universales que sustentan el sistema teórico, como la existencia
de átomos o la conservación de la masa en una reacción. En el caso de la
fórmula estequiométrica presentada, esta se basa en la noción elemental de que
las reacciones químicas ocurren mediante eventos discretos y contables,
y que cada sustancia se transforma según una proporción fija establecida por su
número estequiométrico. Esta idea no requiere prueba porque está
implícita en la definición misma de lo que es una reacción química y en la
interpretación atómica de las ecuaciones balanceadas; por tanto, se trata de un
axioma operativo dentro del marco conceptual de la química cuantitativa.
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