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 Education, 5(1),
1-8.
García García, J. L. (2020). El álgebra de la
estequiometría. Educación química, 31(1), 138-150.
García García, J. L. (2021). Hacia un equilibrio químico
verdaderamente analítico. Educación química, 32(1), 133-146.
Garst, J.
F. (1974). The extent of reaction as a unifying basis for stoichiometry in
elementary chemistry. Journal of Chemical Education, 51(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 Chemistry, 17(2), 107-115.
Mousavi, A.
(2019). Stoichiometry of equations through the Inverse de Donder
relation. Chemistry Teacher International, 1(1),
20180006.
Schmitz, G.
(2005). What is a reaction rate?. Journal of chemical education, 82(7),
1091.
Smith, W. R., & Missen, R. W. (1979). What is chemical stoichiometry?. Chemical Engineering Education, 13(1), 26-32.
No hay comentarios:
Publicar un comentario