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miércoles, 7 de mayo de 2025

Estequiometría de pureza y rendimiento




Una vez que ya sabemos cómo medir la concentración de una sustancia, surge una pregunta natural: ¿cómo afecta esa información a los cálculos estequiométricos? En química, conocer la concentración no es solo un dato aislado; es un punto de partida crucial para predecir cantidades de productos y reaccionantes, optimizar procesos y controlar rendimientos.

En esta sección, exploraremos cómo la concentración impacta directamente en los cálculos estequiométricos, centrándonos especialmente en la fracción de masa.  Estas herramientas serán clave para comprender con precisión cómo se relacionan las sustancias en una reacción química y cómo aplicar esas relaciones en escenarios reales, desde la producción industrial hasta la investigación en laboratorio.

Recuerda que en la pareja estequiométrica sustancia (i) — sustancia (j), es común que al menos una de ellas se encuentre en estado impuro. Sin embargo, el enunciado del problema puede utilizar cualquiera sustancia ya sea como dato conocido o como incógnita a determinar. Por esta razón, los teoremas y fórmulas que utilizamos para resolver problemas deben estar preparados para despejar cualquier variable involucrada, en función de los valores conocidos.

En los siguientes teoremas, asumiremos que la sustancia j se encuentra en estado impuro. Sin embargo, es importante recordar que, dependiendo del enunciado, esta sustancia puede presentarse tanto como dato como incógnita. Aunque el caso más frecuente y directo consiste en calcular la masa de la sustancia pura a partir de la masa del impuro, los teoremas son lo suficientemente generales como para adaptarse a distintos escenarios.

Figura 1. Teorema de la estequiometría entre una sustancia impura y una sustancia pura, asumiendo un rendimiento de reacción del 100%. Ver demostración.

Es importante distinguir entre los conceptos de impureza y rendimiento de reacción, ya que aunque están relacionados, no son equivalentes. La impureza se refiere a la presencia de otras sustancias diferentes al reactivo principal en una muestra, lo que implica que la cantidad efectiva de reactivo real disponible es menor. Esta condición puede ser una de las causas por las que el rendimiento de una reacción sea inferior al 100%, pues simplemente hay menos sustancia útil reaccionando. Sin embargo, hay casos en los que los contaminantes o sustancias acompañantes no solo reducen la cantidad de reactivo, sino que también interfieren directamente con el mecanismo de reacción, ya sea inhibiendo, desviando la reacción hacia productos no deseados o catalizando reacciones secundarias.

En este sentido, la impureza no solo disminuye el reactivo disponible, sino que puede afectar profundamente la eficiencia química del proceso. Por tanto, el control de impurezas es un objetivo esencial en la ingeniería de procesos, donde se busca no solo maximizar la cantidad de sustancia pura utilizada, sino también minimizar cualquier efecto adverso que las impurezas puedan tener sobre el rendimiento final del sistema.

Figura 2. Teorema de la estequiometría entre una sustancia impura y una sustancia pura, asumiendo un rendimiento cualquiera. Ver demostración.

Una vez que ya sabemos cómo medir el rendimiento con impurezas de una sustancia, surge una pregunta natural: ¿cómo afecta esa información a los cálculos estequiométricos reales? En la práctica industrial, este conocimiento es esencial, ya que muchas reacciones químicas no se llevan a cabo con sustancias puras, sino con reactivos que contienen impurezas. Estas impurezas alteran significativamente el rendimiento y la eficiencia del proceso.

Por ejemplo, en la producción industrial del ácido sulfúrico a partir de dióxido de azufre (SO₂), si el gas suministrado contiene trazas de arsénico como contaminante, este puede envenenar el catalizador de óxido de vanadio (V₂O₅) y reducir el rendimiento de conversión. En estos casos, medir la fracción de masa o molar del SO₂ puro es fundamental para ajustar la proporción real de reactivo disponible y prever la cantidad de producto que realmente se puede obtener.

Del mismo modo, en la síntesis de etanol a partir de almidón fermentado, si el insumo contiene una elevada fracción de materia orgánica no fermentable, se verá afectada la producción final. Aquí es donde entra el cálculo con fracciones de masa o fracciones molares, que permite corregir los balances estequiométricos teniendo en cuenta qué parte del insumo realmente participa en la reacción.

Referencias

Baeza Baeza, J. J., & García Álvarez-Coque, M. C. (2014). Extent of reaction balances. A convenient tool to study chemical equilibria.

da Silva, D. J. (2017). The basis of the limiting reagent concept, its identification and applications. World Journal of Chemical Education5(1), 1-8.

García García, J. L. (2020). El álgebra de la estequiometría. Educación química31(1), 138-150.

García García, J. L. (2021). Hacia un equilibrio químico verdaderamente analítico. Educación química32(1), 133-146.

Garst, J. F. (1974). The extent of reaction as a unifying basis for stoichiometry in elementary chemistry. Journal of Chemical Education51(3), 194.

Moretti, G. (2015). The “extent of reaction”: a powerful concept to study chemical transformations at the first-year general chemistry courses. Foundations of Chemistry17(2), 107-115.

Mousavi, A. (2019). Stoichiometry of equations through the Inverse de Donder relation. Chemistry Teacher International1(1), 20180006.

Schmitz, G. (2005). What is a reaction rate?. Journal of chemical education82(7), 1091.

Smith, W. R., & Missen, R. W. (1979). What is chemical stoichiometry?. Chemical Engineering Education13(1), 26-32.

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