La estequiometría de masas y cantidades se refiere a
los cálculos relacionados con la cantidad de sustancia y/o las masas de las
sustancias involucradas en una misma reacción química. Dado que todas las
sustancias participan en el mismo proceso de transformación, la reacción actúa
como un engranaje maestro que conecta y regula todos los cambios de
sustancia durante la reacción. Por lo tanto, la cantidad de reacción se
considera una constante implícita que determina la relación cuantitativa
entre los reactantes y los productos, asegurando que las proporciones
estequiométricas se mantengan en todo momento.
Estequiometría mol a mol
La estequiometría mol a mol constituye la forma más
básica de la estequiometría de cantidades o de masas, y su
objetivo principal es calcular los moles de una sustancia desconocida a
partir de los moles de una sustancia conocida. Para ello, se utiliza la relación
estequiométrica extraída de la ecuación química balanceada, la cual actúa
como una constante de proporcionalidad o una tasa de cambio entre
las sustancias que participan en la reacción. Esta relación permite establecer
una correspondencia directa entre reactivos y productos, facilitando la
predicción cuantitativa del comportamiento químico en términos moleculares o
macroscópicos.
Figura
1. Estequiometría moles de la sustancia dato (j) a moles de la sustancia
incógnita (i). Este es el primer caso de estequiometría de sustancias y el mas
sencillo. Su
demostración puede verse en este enlace.
La razón estequiométrica
En este capítulo, la razón estequiométrica que
empleamos corresponde, en realidad, al valor absoluto de la razón entre
los números estequiométricos de las sustancias involucradas. Esto
significa que tratamos dichos números como magnitudes escalares, sin
considerar si la sustancia se consume (reactivo) o se forma (producto) en la
reacción. Esta simplificación es útil para enfocarnos únicamente en las proporciones
cuantitativas entre las sustancias, sin distraernos con el sentido del
cambio químico.
Figura
2. La imagen muestra el teorema de la razón estequiométrica, que define
la proporción entre dos sustancias i y j como el cociente entre sus números
estequiométricos.
También se presenta su uso como factor de conversión, que permite
convertir moles de una sustancia conocida en moles de una sustancia desconocida
aplicando esta razón como constante de proporcionalidad.
La razón estequiométrica cumple un papel central en
los cálculos químicos, ya que actúa como un factor de conversión entre
diferentes sustancias dentro de la misma reacción. Gracias a ella, podemos
predecir con precisión cuánta cantidad de una sustancia se requiere o se
produce a partir de otra. Es un reflejo directo de la ley de conservación de la
masa y del número de partículas, establecida en la ecuación química balanceada.
Este valor también recibe otros nombres en la literatura
química, como factor estequiométrico, proporción estequiométrica
o, más formalmente, coeficiente de conversión estequiométrico.
Independientemente del término, su importancia radica en que permite traducir
la información cualitativa de una reacción (qué sustancias reaccionan) en datos
cuantitativos (cuánto reaccionan), siendo así una herramienta indispensable
tanto para la práctica experimental como para el diseño industrial de procesos
químicos.
Estequiometría de masas
La estequiometría de masas es una herramienta
fundamental en la química, ya que permite predecir y cuantificar la cantidad de
sustancias que intervienen en una reacción química. A partir de una ecuación
química balanceada, es posible calcular cuánta masa de reactivos se necesita y
cuánta masa de productos se obtendrá, facilitando así la planificación de
procesos químicos tanto en el laboratorio como en la industria.
Existen varios casos prácticos dentro de la estequiometría
de masas. Uno de ellos es el caso gramo a mol, que se utiliza cuando se
conoce la masa de una sustancia y se desea conocer la cantidad de
sustancia en moles, utilizando su masa molar como factor de
conversión. Este paso es común al inicio de muchos ejercicios estequiométricos,
ya que permite traducir una cantidad física en una cantidad química.
Otro caso importante es el mol a gramo, que se aplica
cuando ya se conoce la cantidad de una sustancia en moles y se desea
calcular la masa correspondiente, nuevamente utilizando la masa molar
como puente. Finalmente, el caso más completo es el gramo a gramo, que
combina los pasos anteriores: se convierte primero a moles, se aplica la razón
estequiométrica y se vuelve a convertir a masa, permitiendo relacionar
directamente la masa de una sustancia conocida con la masa de una sustancia
desconocida en la reacción.
Figura
3. Estequiometría masa del dato a cantidad de la sustancia incógnita. Demostración.
Figura
4. Estequiometría moles del dato a gramos de la incógnita. Demostración.
Figura
5. Estequiometría gramos del dato a gramos de la incógnita. Demostración.
En el último teorema, podemos observar la generación de dos
razones o ratios de variables semejantes: la razón estequiométrica, que
por definición es adimensional, ya que los números estequiométricos no
tienen unidades en su interpretación algebraica, y la razón de masas molares.
Toda razón de variables semejantes es adimensional en la interpretación
algebraica, ya que las unidades semejantes se cancelan. Por lo tanto, en los
cálculos, podemos sustituir las masas molares sin necesidad de incluir
unidades en la formulación algebraica de los teoremas.
Por otro lado, las únicas complicaciones que pueden surgir
son el uso de unidades distintas para la masa o la conversión de un parámetro
de masa sólida a volúmenes líquidos. No plantearemos las fórmulas o factores de
conversión correspondientes para los casos de volúmenes líquidos, ya que
no son comunes en ejercicios típicos de pizarra y papel. Sin
embargo, teóricamente, podemos demostrar estos casos utilizando el axioma de
densidades y reemplazando de manera adecuada.
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