Cantidad de reacción

[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 $\nu$ 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 $\nu$actúan como verdaderas constantes de reacción, pues definen la estructura matemática invariable de una reacción química específica, del mismo modo que los subíndices $\nu$ 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 $n$, 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 $\xi$ (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 $\xi$, 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, $\xi$ 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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