Ejercicios de química resueltos. Estequiometría. Desplazamiento de gases y cenizas.

[Desplazamiento de gases y cenizas]

A primera vista, muchos problemas estequiométricos parecen sencillos: las reacciones están balanceadas, los datos son claros y las magnitudes involucradas resultan familiares. Sin embargo, existe una familia particular de ejercicios cuyo procedimiento no es evidente a simple vista, a pesar de su aparente simplicidad. Son problemas que no fallan por dificultad matemática, sino por ambigüedad conceptual. No es raro que incluso profesores experimentados duden o se equivoquen al resolver un ejercicio que ellos mismos han propuesto. Estos son, precisamente, problemas de ese tipo.

En esta categoría se encuentran los experimentos de desplazamiento de gases y el análisis de cenizas en reacciones incompletas. En ambos casos, el estudiante suele disponer de datos reales de laboratorio —volúmenes de gas húmedo, masas de residuos sólidos, presiones atmosféricas— pero no de la información que normalmente se considera “clave”, como la cantidad exacta de sustancia reaccionada. La dificultad radica en que el sistema no alcanza el estado ideal que solemos asumir en la estequiometría elemental: los gases no son puros, las reacciones no se completan y los residuos son mezclas.

Estos ejercicios exigen abandonar el enfoque mecánico del “reactivo limitante clásico” y adoptar una visión más estructural, basada en balances de masa, presiones parciales, extensión de reacción y construcción de entidades equivalentes. Por eso aparecen recurrentemente en textos como Brown, Chang o Matamala y González: no para complicar el cálculo, sino para obligar a pensar la estequiometría como un lenguaje conceptual, no como una receta automática.

Brown

Experimento de desplazamiento de gases

10.81. En un generador de Kipp, el gas hidrógeno se produce cuando el zinc en láminas reacciona con ácido clorhídrico: 2 HCl (ac) + Zn (s) → ZnCl₂ (ac) + H₂ (g) Si se recogen 30.0 mL de H₂ húmedo sobre agua a 20 °C y una presión barométrica de 101.33 kPa, ¿cuántos gramos de Zn se han consumido? (La presión de vapor del agua está tabulada en el Apéndice B.) [brown.15ed.10.81]

10.82 El gas acetileno (C₂H₂) puede prepararse por la reacción del carburo de calcio con agua: CaC₂(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + C₂H₂(g) Calcula el volumen de C₂H₂ que se recoge sobre agua a 23 °C por la reacción de 1.524 g de CaC₂, si la presión total del gas es 100.4 kPa. (La presión de vapor del agua está tabulada en el Apéndice B.) [brown.15ed.10.82]

Chang.

Experimento de desplazamiento de gases

Ejemplo 5.15. El gas oxígeno generado por la descomposición del clorato de potasio se recoge como se muestra en la Figura 5.15. El volumen de oxígeno recogido a 24 °C y a una presión atmosférica de 762 mmHg es 128 mL. Calcula la masa (en gramos) de gas oxígeno obtenida. La presión de vapor del agua a 24 °C es 22.4 mmHg. [chang.10ed.5.15]

Práctica 5.15. El gas hidrógeno generado cuando el metal calcio reacciona con agua se recoge como se muestra en la Figura 5.15. El volumen de gas recogido a 30 °C y a una presión de 988 mmHg es 641 mL. ¿Cuál es la masa (en gramos) del gas hidrógeno obtenida? La presión de vapor del agua a 30 °C es 31.82 mmHg. [chang.10ed.p.5.15]

5.67 Un trozo de sodio metálico reacciona completamente con agua según: 2 Na(s) + 2 H₂O(l) → 2 NaOH(aq) + H₂(g) El gas hidrógeno generado se recoge sobre agua a 25.0 °C. El volumen del gas es 246 mL, medido a 1.00 atm. Calcula el número de gramos de sodio utilizados en la reacción. (La presión de vapor del agua a 25 °C es 0.0313 atm.) [chang.10ed.5.67]

5.68 Una muestra de zinc metálico reacciona completamente con un exceso de ácido clorhídrico: Zn(s) + 2 HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂(g) El gas hidrógeno producido se recoge sobre agua a 25.0 °C usando un montaje similar al que se muestra en la Figura 5.15. El volumen del gas es 7.80 L y la presión es 0.980 atm. Calcula la cantidad de zinc metálico, en gramos, consumida en la reacción. (La presión de vapor del agua a 25 °C es 23.8 mmHg.) [chang.10ed.5.68]

Matamala y González 1976

Análisis de cenizas

9.ej.14. Se inicia la calcinación de 20 g de carbonato de calcio y la operación se interrumpe cuando queda un residuo sólido de 15 g.  CaCO3 → CaO(s) + CO₂(g) (a) ¿Cuántos gramos de CaO se han formado? 6.4 g (b) ¿Cuántos gramos de CaCO3 se han descompuesto? 11.4 g [matamala.y.gonzalez.9.e.14]

9.ej.15. Si se parte de 18.75 g de nitrato cúprico y se calcinan durante algún tiempo, quedando un residuo de 10.80 g ¿Qué porcentaje de nitrato cúprico se ha transformado? 2 Cu(NO₃)₂ → 2 CuO(s) + 4 NO₂(g) + O₂(g) [quimica.matamala.y.gonzalez]

9.23.  Se calientan 30 g de carbonato de calcio (CaCO₃) para producir óxido de calcio (CaO), pero el proceso de descomposición se interrumpe antes de completarse, cuando queda un residuo sólido de 19 g. Ecuación química de la reacción: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) (a) ¿Qué masa de CaCO₃ se descompuso durante el proceso? (b) ¿Cuántos gramos de CaO (cal) hay en el residuo sólido? [matamala.gonzalez.9.23]

9.27.   Se inicia la calcinación de 2.28 g de nitrato de calcio, Ca(NO₃)₂, y el proceso se suspende cuando queda un residuo sólido de 2.00 g. Ecuación química de la reacción: Ca(NO₃)₂(s) → CaO(s) + 2 NO₂(g) + ½ O₂(g) (a) ¿Cuántos gramos de Ca(NO₃)₂ se descompusieron? (b) ¿Cuántos gramos de CaO se formaron? [matamala.gonzalez.9.27]

9.29.    Se calcinan durante cierto tiempo 20 g de carbonato de calcio (CaCO₃) y el proceso se interrumpe antes de completarse, quedando 15 g de residuo sólido. Ecuación química de la reacción: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) (a) ¿Cuántos gramos de dióxido de carbono (CO₂) se han liberado? (b) ¿Cuántos moles de óxido de calcio (CaO) se han formado? (c) ¿Cuántos moles de carbonato de calcio (CaCO₃) se han descompuesto? (d) ¿Cuál es el porcentaje en masa de óxido de calcio presente en el residuo? [matamala.gonzalez.9.29]

Referencias bibliográficas

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

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry: The central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill.

Chang, R., & Overby, J. (2021). Chemistry (14th ed.). McGraw-Hill.

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. (2021a). Hacia un equilibrio químico verdaderamente analítico. Educación Química, 32(1), 133–146.

García García, J. L. (2021b). Deduciendo las relaciones entre las unidades de concentración en disoluciones líquidas. Educación Química, 32(3), 38–51.

García García, J. L. (2025). Dimensional analysis in chemistry textbooks 1900–2020 and an algebraic alternative. Educación Química, 36(1), 82–108.

Garst, J. F. (1974). The extent of reaction as a unifying basis for stoichiometry in elementary chemistry. Journal of Chemical Education, 51(3), 194.

IUPAC. (2019). Compendium of chemical terminology (2nd ed.). IUPAC. https://doi.org/10.1351/goldbook

Matamala, M., & González Tejerina, P. (1975). Química (1ª ed.). Ediciones Cultural.

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.

Seager, S. L., Slabaugh, M. M., & Hansen, M. M. (2022). Chemistry for today (10th ed.). Cengage Learning.

Smith, W. R., & Missen, R. W. (1979). What is chemical stoichiometry? Chemical Engineering Education, 13(1), 26–32.

Solaz, J. J., & Quílez, J. (2001). Changes of extent of reaction in open chemical equilibria. Chemistry Education Research and Practice, 2(3), 303–312.

Vandezande, J. E., Vander Griend, D. A., & DeKock, R. L. (2013). Reaction extrema: Extent of reaction in general chemistry. Journal of Chemical Education, 90(9), 1177–1179.

Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., DeCoste, D. J., & Adams, G. (2018). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning.