Estequiometría. Teoría

Química (1S, Grado Biología) UAM 1.Estequiometría

1. Estequiometría1. Estequiometría

Química (1S, Grado Biología) UAM 1.Estequiometría 2

ContenidosContenidos

•• Reacciones químicas y ecuaciones químicasReacciones químicas y ecuaciones químicas–– Mezclas y sustancias puras; compuestos y elementos; moléculas y Mezclas y sustancias puras; compuestos y elementos; moléculas y átomos; ionesátomos; iones

–– Reacciones químicas; estequiometría; ecuaciones químicasReacciones químicas; estequiometría; ecuaciones químicas•• Ajustes de ecuaciones químicasAjustes de ecuaciones químicas

–– Reacciones sencillasReacciones sencillas•• Reactivo limitanteReactivo limitante•• Rendimiento de las reacciones químicasRendimiento de las reacciones químicas


Bibliografía recomendadaBibliografía recomendada

• Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, 2003).– Secciones 1.3, 1.4, 4.1, 4.2, 4.4, 4.5


Reacciones químicas y Reacciones químicas y ecuaciones químicasecuaciones químicas


Clasificación de la materia hasta el nivel atómicoClasificación de la materia hasta el nivel atómico

MateriaMateria

¿puede separarse por un proceso físico?¿puede separarse por un proceso físico?

MezclaMezcla SustanciaSustancia

SÍSÍ NONO

¿puede descomponerse ¿puede descomponerse por un proceso químico?por un proceso químico?

NONOSÍSÍ

ElementoElementoCompuestoCompuesto

¿es homogénea?¿es homogénea?

NONOSÍSÍ

Mezcla Mezcla heterogéneaheterogénea

DisoluciónDisolución

LecheLeche HH22O (l)O (l)

CC66HH1212OO66 (s)(s)

HH22 (g)(g)

OO2 2 (g)(g)

C (s)C (s)

Disolución Disolución de glucosa de glucosa 0,83 M0,83 M SangreSangre

(suspensiones)(suspensiones)

[Lectura: Petrucci 1.4]


Clasificación de la materia hasta el nivel atómicoClasificación de la materia hasta el nivel atómico

•• Mezcla Mezcla (Ej. mezcla gaseosa de O(Ej. mezcla gaseosa de O22 y Hy H22))

–– Formada por sustancias (compuestos o elementos)Formada por sustancias (compuestos o elementos)–– Se pueden separar por procedimientos físicosSe pueden separar por procedimientos físicos–– Su composición Su composición --proporción de las sustancias que la proporción de las sustancias que la

componencomponen-- puede variarpuede variar–– Sus propiedades físicas se relacionan con las de las Sus propiedades físicas se relacionan con las de las sustancias que la componensustancias que la componen

•• Sustancia Sustancia (Ej. H(Ej. H22O en estado líquido)O en estado líquido)

–– Formada por moléculas iguales Formada por moléculas iguales ––en algunos casos por átomos, p.ej. C, Fe, Auen algunos casos por átomos, p.ej. C, Fe, Au--..•• Cada molécula está formada por átomosCada molécula está formada por átomos

–– Su composición Su composición ––proporción de los átomos que la componenproporción de los átomos que la componen-- es fijaes fija•• Determinada por números enteros (fórmula molecular)Determinada por números enteros (fórmula molecular)

–– Cada sustancia (compuesto o elemento) tiene unas propiedades Cada sustancia (compuesto o elemento) tiene unas propiedades físicas únicasfísicas únicas•• Independientes de las de sus componentes Independientes de las de sus componentes ––atomosatomos--..•• Útiles para su identificación (análisis).Útiles para su identificación (análisis).



Reacciones químicasReacciones químicas


Reacciones químicasReacciones químicas

•• Dos o más moléculas distintas pueden intercambiar algunos de susDos o más moléculas distintas pueden intercambiar algunos de susátomos y dar lugar a nuevas moléculasátomos y dar lugar a nuevas moléculas

•• Reacción químicaReacción química–– Proceso por el que un conjunto de sustancias Proceso por el que un conjunto de sustancias --reactivosreactivos-- se transforma se transforma en otro conjunto de sustancias en otro conjunto de sustancias ––productos.productos.

–– Transcurre normalmente con cambios notables de las propiedades fTranscurre normalmente con cambios notables de las propiedades físicasísicas•• cambio de color; formación de precipitado; desprendimiento de gacambio de color; formación de precipitado; desprendimiento de gas; s; desprendimiento o absorción de calordesprendimiento o absorción de calor

•• En caso contrario hay que hacer análisis químico para saber si hEn caso contrario hay que hacer análisis químico para saber si ha tenido lugar a tenido lugar una reacción químicauna reacción química


Reacciones químicas y ecuaciones químicasReacciones químicas y ecuaciones químicas

mezcla gaseosa de Omezcla gaseosa de O22 y Hy H22HH22O en estado líquidoO en estado líquidochispachispa

2 2 2H ( ) + O ( ) H O( )g g l→1) Reactivos y productos:1) Reactivos y productos:

2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→2) Conservación de los átomos:2) Conservación de los átomos:

Cada molécula de OCada molécula de O22 reacciona con dos moléculas de Hreacciona con dos moléculas de H22

coeficientes estequiométricoscoeficientes estequiométricos



Ecuaciones químicas: estequiometríaEcuaciones químicas: estequiometría

2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→

•• Interpretación en términos atómicoInterpretación en términos atómico--moleculares moleculares (microscópicos)(microscópicos)–– Las moléculas de reactivos reaccionan entre sí, en la proporciónLas moléculas de reactivos reaccionan entre sí, en la proporciónindicada por los coeficientes estequiométricos de la izquierdaindicada por los coeficientes estequiométricos de la izquierda•• Intercambian átomos Intercambian átomos --en uno o en varios pasosen uno o en varios pasos-- y generan los y generan los productosproductos

–– La proporción de moléculas de productos generadas a partir de La proporción de moléculas de productos generadas a partir de moléculas de reactivos también es la indicada por los coeficientmoléculas de reactivos también es la indicada por los coeficientes es estequiométricosestequiométricos

–– Sólo se indica el resultado global de la reacciónSólo se indica el resultado global de la reacción•• Si la reacción tiene lugar en varios pasos (mecanismo de la reacSi la reacción tiene lugar en varios pasos (mecanismo de la reacción), ción), las moléculas que se generan temporalmente para ser consumidos las moléculas que se generan temporalmente para ser consumidos inmediatamente (intermedios de reacción) no se indican inmediatamente (intermedios de reacción) no se indican



2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→

•• Interpretación en términos molares (macroscópicos)Interpretación en términos molares (macroscópicos)

–– Un mol de dos sustancias cualesquiera contiene el mismo número Un mol de dos sustancias cualesquiera contiene el mismo número de moléculas de cada sustancia de moléculas de cada sustancia ––por definición de molpor definición de mol--..•• NNAA, el número de , el número de AvogadroAvogadro, 6,0221418 x 10, 6,0221418 x 102323 moléculas/molmoléculas/mol•• P.ejP.ej., 2,016 g de H., 2,016 g de H22 y 32,00 g de Oy 32,00 g de O22 tienen el mismo número de tienen el mismo número de moléculas con cuatro cifras significativas (6,022 x 10moléculas con cuatro cifras significativas (6,022 x 102323 moléculas) moléculas)

–– Las cantidades macroscópicas de reactivos que reaccionan entre Las cantidades macroscópicas de reactivos que reaccionan entre sí guardan la misma proporción que los coeficientes sí guardan la misma proporción que los coeficientes estequiométricos, si se expresan en molesestequiométricos, si se expresan en moles

–– Las cantidades macroscópicas de productos que se generan a Las cantidades macroscópicas de productos que se generan a partir de los reactivos guardan la misma proporción que los partir de los reactivos guardan la misma proporción que los coeficientes estequiométricos, si se expresan en molescoeficientes estequiométricos, si se expresan en moles



2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→

•• ¿Con cuántos moles de H¿Con cuántos moles de H22 reaccionan 2,40 moles de Oreaccionan 2,40 moles de O22? ¿Cuántos ? ¿Cuántos moles de Hmoles de H22O producen?O producen?

22 2

2

2mol H2,40molO =4,80mol H

1molO⋅

22 2

2

2mol H O2,40molO =4,80 mol H O

1molO⋅



2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→

•• ¿Con cuántos gramos de H¿Con cuántos gramos de H22 reaccionan 38,4 gramos de Oreaccionan 38,4 gramos de O22? ¿Cuántos ? ¿Cuántos gramos de Hgramos de H22O producen? [Masas atómicas: H 1,008; O 16,00]O producen? [Masas atómicas: H 1,008; O 16,00]

2 2 22 2

2 2 2

1molO 2 mol H 2,016g H38,4g O =4,84g H

32,00g O 1molO 1mol H⋅ ⋅ ⋅

1,20 2,40

2 2 22 2

2 2 2

1molO 2mol H O 18,02g H O38,4g O =43,2g H O

32,00g O 1molO 1mol H O⋅ ⋅ ⋅

[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.3-4.5] [Prob. 1.3]


Ajustes de Ajustes de ecuaciones químicasecuaciones químicas


Ajustes de ecuaciones químicas simplesAjustes de ecuaciones químicas simples

4 2 2 2CH + O CO + H O→

•• Procedimiento de tanteoProcedimiento de tanteo–– Si un elemento aparece en un solo compuesto en cada lado, se ajuSi un elemento aparece en un solo compuesto en cada lado, se ajustan stan los coeficientes de dichos compuestos los primeroslos coeficientes de dichos compuestos los primeros

–– Si un reactivo o producto es un elemento libre, se ajusta en últSi un reactivo o producto es un elemento libre, se ajusta en último lugarimo lugar–– Los demás coeficientes se van adaptado, por tanteo, al resultadoLos demás coeficientes se van adaptado, por tanteo, al resultado del del primer pasoprimer paso

–– Pueden usarse coeficientes fraccionarios; al final pueden converPueden usarse coeficientes fraccionarios; al final pueden convertirse tirse todos en enteros por multiplicación por un factor comúntodos en enteros por multiplicación por un factor común


1. C aparece en un solo compuesto en cada lado: 4 2 2 21 CH + O 1 CO + H O→

2. H aparece en un solo compuesto en cada lado: 4 2 2 21 CH + O CO + 2 H O→

3. Como consecuencia de 1+2: 4 2 2 21 CH + O 1 CO + 2 H O→

4. O aparece como elemento libre y lo ajustamos el último

4 2 2 2CH + 2 O CO + 2 H O→



3 4 3 4 2 2H PO + CaO Ca (PO ) + H O→

Ejemplo:Ejemplo:

2 1P:

3 1Ca:

2 3H:

P,Ca,H: 2 313

O: ya está

3 4 3 4 2 22 H PO +3 CaO Ca (PO ) + 3 H O→



6 12 6 2 2 2C H O + O CO + H O→

Ejemplo: Ejemplo: Reacción global de combustión metabólica completa de la glucosaReacción global de combustión metabólica completa de la glucosa

1 6C:

1 6H:

C,H: 1 66

O: 1 666

6 12 6 2 2 2C H O + 6 O 6 CO + 6 H O→

[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.1,4.2]


Ajustes de reacciones redoxAjustes de reacciones redox

•• Reacciones entre especies cargadas: Además del balance de Reacciones entre especies cargadas: Además del balance de materia hay que tener en cuenta el balance de cargamateria hay que tener en cuenta el balance de carga–– Se verán en el Tema 9. Reacciones de oxidaciónSe verán en el Tema 9. Reacciones de oxidación--reducción.reducción.


Reactivo limitanteReactivo limitante



2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→

•• En un recipiente cerrado se prepara una mezcla de 2,40 mol de OEn un recipiente cerrado se prepara una mezcla de 2,40 mol de O2 2 y y 4,00 mol de H4,00 mol de H22. Se hace saltar una chispa y se produce la reacción . Se hace saltar una chispa y se produce la reacción de formación de Hde formación de H22O indicada más arriba.O indicada más arriba.–– ¿Cuántos moles de O¿Cuántos moles de O22 reaccionan?reaccionan?–– ¿Cuántos moles de H¿Cuántos moles de H22 reaccionan?reaccionan?–– ¿Cuántos moles de H¿Cuántos moles de H22O se forman?O se forman?

22 2

2

2 mol H2,40 molO =4,80mol H

1molO⋅

1) 2,40 mol O2 podrían reaccionar con 4,80 mol H2, pero sólo hay presentes 4,00 mol H2; luego se quedará O2 sobrante sin reaccionar.

22 2

2

1molO4,00 mol H × =2,00 molO

2 mol H

2) 4,00 mol H2 pueden reaccionar con 2,00 mol O2; como hay presentes 2,40 mol O2, quedaran 0,40 mol O2 sobrantes sin reaccionar.

3) 4,00 mol H2 reaccionan con 2,00 mol O2 y producen 4,00 mol H2O.

4) El resultado de la reacción es que se consume todo el H2, se producen 4,00 mol H2O y quedan presentes sin reaccionar 0,40 mol O2.

El HEl H22 actúa de “reactivo limitante”actúa de “reactivo limitante”



Los coeficientes estequiométricos de la ecuación química indicanLos coeficientes estequiométricos de la ecuación química indican las proporciones las proporciones de moles de reactivos que de moles de reactivos que puedenpueden reaccionar y las proporciones molares de reaccionar y las proporciones molares de productos que se formarán.productos que se formarán.

•• Cuando se prepara una mezcla de reactivos de modo que los moles Cuando se prepara una mezcla de reactivos de modo que los moles de los mismos guardan la misma proporción que los coeficientes de los mismos guardan la misma proporción que los coeficientes estequiométricos, se dice que es una estequiométricos, se dice que es una mezcla estequiométricamezcla estequiométrica, o , o que los reactivos están en que los reactivos están en proporciones estequiométricasproporciones estequiométricas..–– En este caso, todos los reactivos presentes se consumen completaEn este caso, todos los reactivos presentes se consumen completamente mente

en la reacción. en la reacción. Ej. 2,40 mol OEj. 2,40 mol O22 y 4,80 mol Hy 4,80 mol H22

•• Normalmente se ponen a reaccionar Normalmente se ponen a reaccionar mezclas no estequiométricasmezclas no estequiométricas..–– En estos casos, el reactivo que está presente en menor proporcióEn estos casos, el reactivo que está presente en menor proporción n

(respecto a la estequiométrica) se consume totalmente en la reac(respecto a la estequiométrica) se consume totalmente en la reacción y ción y determina las cantidades que se consumen de los otros reactivos determina las cantidades que se consumen de los otros reactivos y las y las que se forman de productos. que se forman de productos.

–– Se le denomina Se le denomina reactivo limitantereactivo limitante. . –– Del resto de reactivos decimos que están Del resto de reactivos decimos que están en excesoen exceso..

Ej. 2,40 mol OEj. 2,40 mol O22 y 4,00 mol Hy 4,00 mol H22; reactivo ; reactivo limitante:Hlimitante:H22




Ejemplo: Ejemplo: Con el objeto de determinar el valor energético de la glucosa, sCon el objeto de determinar el valor energético de la glucosa, se realiza e realiza un experimento de combustión completa de la misma. Se preparan 2un experimento de combustión completa de la misma. Se preparan 2,30 g de glucosa ,30 g de glucosa y 2,30 g de oxígeno. ¿Cuánta glucosa y cuánto oxígeno se espera y 2,30 g de oxígeno. ¿Cuánta glucosa y cuánto oxígeno se espera que reaccionen? que reaccionen? ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿Cuál es el reactivo limitante? [[MasasMasas atómicasatómicas: H 1,008; C 12,01; O 16,00]: H 1,008; C 12,01; O 16,00]

1) Escribimos y ajustamos la reacción

6 12 6 2 2 2C H O + 6 O 6 CO + 6 H O→

2) Calculamos la cantidad (en g) de glucosa que reaccionaría con el oxígeno presente

22

2 2

1molO 1molgluc 180,16g gluc2,30g O =2,15g glucosa

32,00g O 6 molO 1molgluc⋅ ⋅ ⋅

3) Concluimos:

Reaccionarán 2,15 g glucosa y los 2,30 g O2; el reactivo limitante es el O2

[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.12,4.13] [Prob. 1.5]


RendimientoRendimiento


Rendimiento de las reacciones químicasRendimiento de las reacciones químicas

En el transcurso real de una reacción química suele haber factorEn el transcurso real de una reacción química suele haber factores que hacen que es que hacen que se obtenga una cantidad de productos menor que la correspondientse obtenga una cantidad de productos menor que la correspondiente a la e a la estequiometría de la reacción. estequiometría de la reacción. P.ejP.ej., la existencia de otras reacciones secundarias ., la existencia de otras reacciones secundarias competitivas que generan subproductos.competitivas que generan subproductos.

•• Rendimiento teórico Rendimiento teórico (de un producto):(de un producto): es la cantidad de ese producto es la cantidad de ese producto que que se espera obtenerse espera obtener, por la estequiometría de la reacción, a partir , por la estequiometría de la reacción, a partir de unas cantidades dadas de reactivos.de unas cantidades dadas de reactivos.–– depende de las cantidades de reactivos de que se partadepende de las cantidades de reactivos de que se parta

•• Rendimiento real Rendimiento real (de un producto):(de un producto): es la cantidad de ese producto que es la cantidad de ese producto que se obtienese obtiene realmente a partir de unas cantidades dadas de reactivos.realmente a partir de unas cantidades dadas de reactivos.–– depende de las cantidades de reactivos de que se partadepende de las cantidades de reactivos de que se parta

•• Rendimiento porcentual, o rendimiento Rendimiento porcentual, o rendimiento (de un producto):(de un producto):

–– Es independiente de las cantidades de reactivos de que se partaEs independiente de las cantidades de reactivos de que se parta–– Una reacción con rendimiento ~100% se dice que es cuantitativa yUna reacción con rendimiento ~100% se dice que es cuantitativa y se puede se puede

utilizar para realizar análisis químicos cuantitativos utilizar para realizar análisis químicos cuantitativos [Lectura: Petrucci 4.5]

rendimiento realrendimiento (porcentual)= ×100%

rendimiento teórico



Ejemplo: Ejemplo: La urea, La urea, CO(NHCO(NH22))22, se sintetiza a escala industrial por reacción entre , se sintetiza a escala industrial por reacción entre amoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por convenienamoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica, cia metodológica, se prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amonse prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido de iaco/dióxido de carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol de urea por mol de dióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y eldióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentual rendimiento porcentual de la reacción. de la reacción. [[MasasMasas atómicasatómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]

1) Escribimos y ajustamos la reacción

( )3 2 2 222 NH + CO CO NH + H O→

2) Determinamos el reactivo limitante

La proporción estequiométrica NH3/CO2 es 2:1. Si se prepara una mezcla de proporción molar 3:1, hay exceso de NH3 y el reactivo limitante es el CO2, que es quien determina la cantidad de urea que se puede producir.

3) Calculamos el rendimiento teórico como la cantidad de urea que se puede producir a partir de la cantidad de CO2 utilizada

2

2

1mol urea 60,06g urea1molCO =60,06g urea

1molCO 1mol urea⋅ ⋅

Rendimiento teórico (de urea): 60,06 g



4) Determinamos el rendimiento real como la cantidad de urea realmente producida a partir de la cantidad de CO2 utilizada

Rendimiento real (de urea): 47,7 g

5) Calculamos el rendimiento porcentual

Rendimiento porcentual (de urea): 79,4%

47,7g urea (producida)100%= 79,4%

60,06g urea (producible)×

Ejemplo: Ejemplo: La urea, La urea, CO(NHCO(NH22))22, se sintetiza a escala industrial por reacción entre , se sintetiza a escala industrial por reacción entre amoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por convenienamoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica, cia metodológica, se prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amonse prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido de iaco/dióxido de carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol de urea por mol de dióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y eldióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentual rendimiento porcentual de la reacción. de la reacción. [[MasasMasas atómicasatómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]



Ejemplo: Ejemplo: Si la síntesis industrial de urea a partir de amoniaco y dióxidoSi la síntesis industrial de urea a partir de amoniaco y dióxido de carbono de carbono tiene un rendimiento del 79,4%, ¿qué masas de amoniaco y de dióxtiene un rendimiento del 79,4%, ¿qué masas de amoniaco y de dióxido de carbono se ido de carbono se consumen para producir 1000 consumen para producir 1000 kgkg de urea? de urea?

1) Calculamos la cantidad de urea que se produciría si el rendimiento fuese del 100%

rendimiento realrendimiento teórico = ×100%

rendimiento porcentual

1000 kg urea= ×100% = 1260 kg urea

79,4%

2) Calculamos las cantidades de reactivos necesarias para producir esa urea; utilizamos la estequiometría de la reacción global ajustada y las masas atómicas (ejemplo anterior)

3 33

3

2 mol NH 17,03g NH1mol urea 1000 g 1 kg1260 kg urea = 715kg NH

60,06g urea 1 kg 1mol urea 1mol NH 1000 g⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

2 22

2

1molCO 44,01g CO1mol urea 1000 g 1 kg1260 kg urea =923kg CO

60,06g urea 1 kg 1mol urea 1molCO 1000 g⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.14,4.15] [Prob. 1.6]

Estequiometría. Teoría

Documents

Transcript of Estequiometría. Teoría