Estequiometría básica

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La estequiometría es el estudio de los parámetros cuantitativos asociados a una reacción química. A medida que una reacción avanza, no solo implica la transformación de sustancias —descomposición de los reactivos o síntesis de los productos—, sino también la posibilidad de absorber o liberar calor, generar o consumir carga eléctrica, o incluso interactuar con otras formas de energía, como la radiación. En este sentido, la estequiometría abarca todas las relaciones medibles que pueden expresarse en función de la cantidad de reacción, constituyendo el marco que permite conectar masa, volumen, cantidad de sustancia, energía o carga en un mismo sistema químico.

De momento, sin embargo, nos centraremos en las relaciones de cantidad y en sus derivaciones indirectas con la masa y los parámetros de los gases. De hecho, en la lección dedicada a la ley de volúmenes de combinación ya analizamos el caso de la relación volumen a volumen bajo condiciones constantes de presión y temperatura.

[Teoremas de estequiometría básica] Factor marcado [1] Moles a mol [2] Gramos a moles [3] gramos a gramos [4] Gas a cantidad [5] Gas a masa [6] Gas a gas [7] Líquido a cantidad [8] Líquido a masa [9] Líquido a líquido Álgebra simbólica [1] Moles a mol [2] Gramos a moles [3] gramos a gramos [4] Gas a cantidad [5] Gas a masa [6] Gas a gas [7] Líquido a cantidad [8] Líquido a masa [9] Líquido a líquido Demostraciones [Demostración. Matriz de funciones estequiométricas 1. Moles, gramos, gases.] Parámetros y unidades comunes \(n_i\) cantidad de sustancia de la sustancia i (mol); \(n_j\) cantidad de sustancia de la sustancia j (mol); \(m_i\) masa de la sustancia i (g); \(m_j\) masa de la sustancia j (g); \(\nu_{i/j}\) razón de número estequiométrico de i sobre j (adimensional); \(M_i\) masa molar de la sustancia i (g/mol); \(M_j\) masa molar de la sustancia j (g/mol); \(M_{i/j}\) razón de masas molares de i sobre j (adimensional); \(P_i\) presión del gas i (atm); \(P_j\) presión del gas j (atm); \(P_{i/j}\) razón de presiones de i sobre j (adimensional); \(V_i\) volumen del gas/líquido i (L); \(V_j\) volumen del gas/líquido j (L); \(T_i\) temperatura absoluta del gas i (K); \(T_j\) temperatura absoluta del gas j (K); \(T_{i/j}\) razón de temperaturas absolutas de i sobre j (adimensional); \(R\) constante universal de los gases ideales o constante de Regnault (L·atm·mol⁻¹·K⁻¹); \(\rho_i\) densidad de la sustancia líquida i (g/L o g/mL); \(\rho_j\) densidad de la sustancia líquida j (g/L o g/mL); \(\rho_{i/j}\) razón de densidades de i sobre j (adimensional); \(\rho_{j/i}\) razón de densidades de j sobre i (adimensional); \(m_i\) masa de la sustancia i (g).

Miremos unos cuantos ejemplos.

Ejemplo 1.  El nitrógeno reacciona con hidrógeno para formar amoníaco: N₂(g) + 3 H₂(g) → 2 NH₃(g) Si se mezclan 2.0 mol de N₂ con suficiente de H₂, determina cuántos moles de NH₃ se producirán. Etapa analítica. Usaremos la forma (1) de [Teoremas de estequiometría básica] Etapa numérica por factor marcado. Etapa numérica por álgebra simbólica.

Ejemplo 2.   ¿Cuántos moles de agua, se necesitan para reaccionar completamente con 640 gramos de metano según la reacción: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O Etapa analítica. Usaremos la forma (2) de [Teoremas de estequiometría básica] y [Cálculo de masa molar teórica]. Recuerda que g/u = mol. Etapa numérica por factor marcado. Primero se calcula la masa molar Luego calculamos la cantidad Etapa numérica por álgebra simbólica. Primero se calcula la masa molar Luego calculamos la cantidad

 

Ejemplo 3.   La fermentación: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Es esencial en la producción de bebidas alcohólicas y en la industria alimentaria para la obtención de productos como pan y yogurt, influyendo en aspectos culturales y económicos globales. ¿Cuantos miligramos de etanol (C₂H₅OH) se producen a partir de 2.70 milimoles de glucosa? Etapa analítica. Usaremos la forma (2) de [Teoremas de estequiometría básica] y [Cálculo de masa molar teórica]. En este caso debemos modificar el teorema. Dado u = g/mol entonces u x mol = g. Etapa numérica por factor marcado. Primero se calcula la masa molar Luego calculamos la masa Etapa numérica por álgebra simbólica. Primero se calcula la masa molar Luego calculamos la masa

 

Ejemplo 4.    El aluminio, Al, reacciona con ácido clorhídrico para producir gas hidrógeno, H₂. ¿Cuántos kilogramos de hidrógeno se producirán a partir de 2.00 kilogramos de aluminio según la reacción: 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂ Etapa analítica. Usaremos la forma (3) de [Teoremas de estequiometría básica] y [Cálculo de masa molar teórica]. En este caso debemos modificar el teorema. Etapa numérica por factor marcado. Primero se calcula la masa molar de ambas sustancias. En este caso sin embargo es relativamente simple Luego calculamos la masa Etapa numérica por álgebra simbólica. Primero se calcula la masa molar de ambas sustancias. En este caso sin embargo es relativamente simple Luego calculamos la masa

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