Clase 33 Estequiometría

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
PERÍODO 2020 A
Clase No:
33
FUNDAMENTOS DE QUÍMICA
Tema de la clase:
ESTEQUIOMETRÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
ESTEQUIOMETRÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Parte de la Química que se encarga del estudio CUANTITATIVO de los reactivos y productos en el transcurso de una
reacción química.

La cantidad de reactivos y productos que participan en una reacción química se pueden expresar en unidades
de masa (g), de volumen (L) o de cantidad de sustancia (mol), como se muestra a continuación:
Cantidad de
sustancia
(
Masa
Cantidad de
sustancia
Volumen
(
(
)
)
( )
)
(
)
(
)
(
(
(
)
)
)
Volumen
CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

Son relaciones cuantitativas que se pueden establecer al relacionar los coeficientes estequiométricos de una
ecuación química balanceada.
Ejemplo:
Relaciones estequiométricas posibles
Reactivo-Reactivo
(R/R)
Producto-Producto
(P/P)
Reactivo-Producto
(R/P)
Producto-Reactivo
(P/R)
¿CÓMO RECONOCER LOS DATOS PROPORCIONADOS EN UN ENUNCIADO?
Para empezar con el estudio de la estequiometría hay que tener en cuenta que LA ESTEQUIOMETRÍA ES PURA Y
TEÓRICA, esto quiere decir que los reactivos usados para aplicar estequiometría deben ser puros y los productos
calculados por estequiometría son teóricos.

En caso de que los reactivos no sean puros, se puede usar la ecuación de la pureza para determinar la parte
pura y así poder aplicar la estequiometría.

Los productos calculados por estequiometría siempre serán teóricos porque los calculé con lápiz, papel y
calculadora, pero si necesito que estos productos sean experimentales como los determinados en un
laboratorio puedo aplicar la ecuación del rendimiento.
Resumen gráfico de la terminología usada en los enunciados de ejercicios de estequiometría:
REACTIVOS
PUROS
Impuros:
Reactivos
(
)
Puros:
+
PRODUCTOS
TEÓRICOS
Minerales,
comerciales, etc.
100% esa
sustancia, son
caros
(
)
Experimentales
o reales:
DATO
(obtenidos en
un laboratorio)
Teóricos:
Calculados con
Productos
(A partir del R.L)
+
(A partir del R.L)
Rx. igualada
Moles teóricas
Coeficientes
estequiométricos.
Moles reales
DATOS
(
El porcentaje de pureza es propio de cada reactivo
)
El rendimiento es de la reacción no es
propio de cada producto
Ejercicio de aplicación:
 Se combustiona 100 g de metano, de acuerdo con la siguiente reacción:
Determine:
a) La masa de oxígeno necesario para consumir por completo los 100 g de metano.
Estequiometría (R/R):
b)
La masa de anhídrido carbónico producido si se consumen por completo los 100 g de metano.
Estequiometría (R/P):
c) La masa de agua producida si se consumen por completo los 100 g de metano.
Estequiometría (R/P):
d) El volumen de AIRE (a CN) necesario para consumir por completo los 100 g de metano.
Estequiometría (R/P):
Hay que recordar que el aire es una mezcla homogénea formada por nitrógeno y oxígeno, en los
siguientes porcentajes en volumen:
(
)
REACTIVOS EN CANTIDADES ESTEQUIOMÉTRICAS
Se dice que los reactivos están en cantidades estequiométricas cuando los reactivos están en cantidades justas, es decir
que, no sobran ni faltan, sino que se consumen todos por completo formando el producto.
Ejemplo :
Las recetas de cocina suelen ser en cantidades estequiométricas porque nos indican de forma exacta la cantidad de
cada ingrediente que debemos añadir para formar el plato deseado.



Nunca en una receta de cocina nos pide 100 kg de arroz para sólo
consumir 200 g, ¿no cierto?
Tampoco, en una receta de cocina se nos pide 200 g de arroz para
preparar el plato con 300 g, ¿verdad?
Se nos pide siempre las cantidades justas, que no sobre ni que falte.
REACTIVO LIMITANTE Y REACTIVO EN EXCESO
Es muy raro encontrar que las reacciones químicas (en la vida real) se den en cantidades estequiométricas, por lo
general suele haber un reactivo que se consume por completo y otro u otros que sobran. Por tal motivo hay que
calcular el reactivo limitante y el o los reactivos en exceso.


El reactivo limitante es el reactivo que se consume por completo, por lo tanto el que limita la cantidad de
producto formado.
El reactivo en exceso es el reactivo del cual una parte si reaccionó formando el producto, pero la cantidad
disponible de este reactivo era más de la que se necesitaba, por lo tanto sobra una cantidad a la que se llama
exceso.
Calcular el reactivo limitante es de suma importancia y para comprender esta verdad analizaremos 3 ejemplos:
Ejemplo 1: TAN FACIL COMO PREPARAR UN SÁNDUCHE
Hacer un sánduche de jamón
+
3 PANES
Sobra 1 pan
R. Exceso
+
3 LECHUGAS
Sobra 1
lechuga
R. Exceso
+
3 TOMATES
Sobra 1
tomate
R. Exceso
+
2 JAMONES
Se acabó
No sobró
R. Limitante
MAYONESA (ex)
Ya sabía que iba a sobrar desde un
inicio
R. Exceso
¿? SÁNDUCHES
2 sánduches

El reactivo limitante es el jamón ya que esté fue el que limitó la cantidad de sánduches iguales que se pudieron
preparar.

Hay dos tipos de reactivos en exceso:
 Reactivos que sólo cuando estoy resolviendo el problema puedo saber que están en exceso.
Ejemplo: Pan, lechuga, tomate
 Reactivos que desde el principio ya conocía que estaban en exceso.
Ejemplo: Mayonesa
Ejemplo 2: APLICANDO EL SENTIDO COMÚN
Hacer una fogata en un parque
O
2
O
2
O
2
C
PARQUE
QUITO
MUNDO
Elementos necesarios para hacer una reacción de
combustión
Cuando vamos al parque y hacemos una fogata, ¿cuál es el reactivo que limita la reacción?. Dicho en otras palabras
¿cuál es el reactivo que se acaba primero?
Respuesta: La leña, ¿verdad?
Porque cuando la leña se acaba o se ha consumido por completo, la fogata se apaga y obviamente dejaría de producir
calor y anhídrido carbónico que es su producto.
¿Necesitaste calcular el reactivo limitante con estequiometría?
No, sólo usamos el sentido común. Entonces de la misma forma entenderás la importancia que tiene calcular el reactivo
) está ligada a la cantidad de leña (idealmente carbono), ya
limitante, porque la cantidad de anhídrido carbónico (
).
que al momento en se agota se detiene la reacción y por ende la producción de calor y dióxido de carbono (
¡Esto se va a descontrolar!
Sería absurdo que para esta fogata
calcules la cantidad de anhídrido
) a partir del oxígeno
carbónico (
del mundo ya que de ser así la
reacción se terminaría una vez que
se haya consumido todo el aire del
mundo y para esto se consumiría
todo el material que sea
combustible (personas, parques,
animales, etc).
Entonces, si no mueres quemado
mueres por asfixia.
Ejemplo 3: PROCESO QUÍMICO INDUSTRIAL
Es el típico caso al que nos vamos a enfrentar en nuestra vida estudiantil. En el que nunca hemos visto ni los reactivos,
ni los productos pero no queda más que calcular.

En los altos hornos se produce hierro metálico a partir de la siguiente
reacción:
Calcular la masa de hierro que se obtendrá a partir de 300 kg de óxido
férrico y 50 kg de carbono.
Empezamos por poner los datos debajo de los reactivos:
+
+
Aquí es absolutamente necesario determinar cuál es el reactivo limitante para determinar cuánto de hierro se
produce, ya que los productos se calculan a partir del reactivo limitante como vimos en los ejemplos 1 y 2. Ojo
que no puedo decir que el limitante es el carbono porque se encuentra en menor cantidad.
El razonamiento que vamos a usar se basa en una suposición inicial. Voy a suponer que voy a consumir por
completo los 300 kg de
Entonces, ¿será que la cantidad disponible de carbono (50 kg) me alcanza? o
¿será que me sobra? Sólo cuando calcule podré responder a estas interrogantes.
Una vez calculado puedo concluir que, para consumir por completo los 300 kg de
. Dipongo de 50 kg de , por lo tanto me sobran 16,19 kg de
Entonces:
Rex:
R.L:
necesito de 33,81 kg de
Sé que ustedes se deben estar preguntando porque partí de la suposición de que se consume por completo el
y por qué no plantear la suposición de que el que se consume por completo es el . En realidad, también
puedo suponer la segunda opción, el resultado será el mismo. Pero para una prueba o examen basta con calcular
el R.L con una de las 2 suposiciones (para no perder el tiempo). Sin embargo, como no estamos en una
evaluación demostraremos este punto:
Voy a suponer que voy a consumir por completo los 50 kg de Entonces, ¿será que la cantidad disponible de
(300 kg) me alcanza? o ¿será que me sobra? Sólo cuando calcule podré responder a estas interrogantes.
Una vez calculado puedo concluir que, para consumir por completo los 50 kg de
. Dipongo de 300 kg de
, por lo tanto me falta 143,61 kg de
Entonces:
R.L:
Rex:
Ahora, como ya sabemos que el reactivo limitante es el
.
necesito de 443,61 kg de
, a partir de este se calcula el producto, es decir el
Pregunta final ¿cuánto de reactivo se quedó sin reaccionar?
El reactivo en exceso fue el , entonces:
PUREZA DE LOS REACTIVOS
Los reactivos que disponemos para realizar una reacción química pueden ser puros o impuros. Como ya se había
indicado los reactivos deben ser puros para poder aplicar estequiometría pero ya en la vida cotidiana no siempre se va
a disponer de reactivos puros porque son costosos y para algunas aplicaciones no representa invertir tanto dinero en
un reactivo puro si lo que estoy produciendo es por ejemplo para limpiar pisos. Pero en industrias como la alimenticia,
cosmética y farmacéutica es muy importante usar reactivos puros ya que los productos de esas reacciones estarán en
contacto directo con nuestro organismo.
En todo caso, así yo disponga de un REACTIVO IMPURO, cuando se dé la reacción química sólo la parte pura intervendrá
en el proceso químico, y las impurezas se quedarán idealmente sin reaccionar.
Ahora profundicemos en los tipos de reactivos que podemos disponer:

Reactivos puros
Sería genial que en la industria química dispongamos siempre de reactivos puros, pero esta no es una realidad.
Para empezar los reactivos que son considerados puros son muy costosos porque alguna vez fueron impuros y
pasaron por muchos procesos físicos y químicos para ser purificados, y el gasto de la energía para esos procesos
de purificación siempre se le carga al consumidor de ese producto.
Se considera de forma ideal que un reactivo es puro cuando es 100% ese reactivo, por ejemplo 100% oro, 100%
hierro, 100%
, etc. Pero este grado de pureza tan alto y tan perfecto muchas de las veces es ideal y no
real. Ya en la industria (fuera de la teoría de los libros), los reactivos aún cuando se les llama puros, no lo son. El
mejor ejemplo para este caso es el ácido sulfúrico, que al ser llamado puro, nosotrxs nos imaginaríamos que es
100%
, pero su propia naturaleza no le permite ser 100%
, sino que lo más puro que podemos
encontrar es 98% p/p puro y el 2% que le falta para la perfección es de agua.
Por ahora no nos vamos a preocupar tanto por la pureza de reactivos como el ácido sulfúrico porque en
nuestros cálculos los reactivos serán minerales y en este caso si se puede alcanzar la pureza del 100%.
Ejemplo de un reactivo puro:
Oro puro

Reactivos impuros
Pueden ser de varias naturalezas, presentarse en varios estados de agregación o estar expresados con
diferentes unidades de concentración. Pero ya que estamos empezando con nuestros primeros cálculos
estequiométricos, nos concentraremos en los reactivos minerales cuya concentración estará expresada en peso
(%p/p).
Pero ¿qué es un mineral?
Se pueden dar varias definiciones de un mineral, nosotrxs revisaremos algunas de éstas, las que sean más
apropiadas para nuestro grado de estudio y comprensión.

Definición 1: (ROCA)
Un mineral puede ser visto como la parte útil de una explotación minera, entonces si yo voy a una mina
de oro lo que me interesa es explotar oro y todo lo que no sea oro yo lo consideraría como impureza.
Ejemplo:
Mineral de oro.- es una mezcla homogénea o heterogénea formada por oro e impurezas. Al ser una
mezcla no tiene fórmula química.
Oro puro: Au
Mineral de oro
Mezcla: oro + impurezas
Mineral de oro
Mezcla: oro + impurezas
Impurezas: Cualquier cosa
que no sea oro

Definición 2:
Un mineral es una sustancia inorgánica natural normalmente en estado sólido que presenta una
composición química definida, que tiene cierta estructura cristalina. Los minerales son diferentes de
una roca que puede ser un agregado de minerales o no minerales y que no tiene composición química
definida.
Ejemplos:
Minerales y su estructura cristalina
Para nuestros fines de estudio, nos conviene adoptar la definición 1 en la que vemos a un mineral como una
mezcla. Entonces ¿cómo reconocemos a un mineral dentro del enunciado de un ejercicio?
Las siguientes palabras nos pueden ayudar a identificar un mineral:
Palabras o pistas
Ejemplos
Mineral de hierro, mineral de carbonato de calcio
Carburo de calcio comercial
Sílice impura
Carbonato de calcio con 90% de pureza
Carbonato de calcio 99% p/p
Calcita, pirita, ferrita, magnetita, bauxita, etc.
Mineral
Comercial, grado técnico
Impuro
Con X% de pureza
Nombres bonitos o raros:
Nombres que no obedecen a las reglas de los 3 tipos
Caliza
de nomenclaturas.
Ejemplo de aplicación:
Determinar la masa de cal viva que puede formarse por la descomposición térmica de 80 g de caliza que tiene una
pureza de 90% en peso de carbonato de calcio.
+
80 g
caliza
90%
10% impurezas
Desarrollo:
Recordemos que “la estequiometría es pura y teórica”, lo que quiere decir que no puedo hacer estequiometría con
ese dato de 80 g de carbonato de calcio impuro, por tal motivo debo calcular la parte pura de este reactivo.
Reactivo impuro
Caliza: 80 g
Pura:
Impurezas:
Ahora si puedo hacer estequiometría a partir de los 72 g de
Cualquier cosa
72 g
8g
:
RENDIMIENTO DE LA REACCIÓN ( )
Es una relación (presentada como porcentaje) entre la cantidad de producto que espero obtener calculando con lápiz,
papel y calculadora y la cantidad de producto obtenida ya de forma experimental en un laboratorio real (no con
simulaciones).
Hay que tener en cuenta que cuando calculamos con lápiz, papel y calculadora la cantidad de producto que vamos a
obtener, lo hacemos desde una perspectiva optimista, es decir que estaríamos calculando el máximo que esperamos
obtener. Pero en la vida real pueden suceder situaciones imprevistas que afecten a la cantidad de producto producida y
por lo general esta cantidad de producto real suele ser menor a la esperada.
Les recuerdo que estamos dando nuestros primeros pasos en la comprensión de cómo se da una reacción química, ya
más adelante aprenderán que hay muchos otros factores a considerar como la presión, la temperatura, el medio de
reacción, las condiciones climáticas, el material de los reactores, la velocidad de agitación, el tipo de espátulas usadas,
la superficie de contacto, etc. Y estos factores son los causantes reales de que no obtengamos la cantidad y calidad de
producto esperado.
Por ahora está bien si calculamos esta relación de productos de la siguiente forma:
No se olviden que el producto teórico
siempre se calcula a partir del R.L
Finalmente, conviene aclarar que el rendimiento es de la reacción, no es propio de cada producto. Es decir que, si yo
obtengo el rendimiento de la reacción, ese mismo porcentaje lo puedo aplicar a otro producto.
Ejemplo de aplicación:
Se pone en contacto 100 g de cloro con 15 g de metano para obtener cloroformo, de acuerdo con la siguiente
reacción:
+
+
Determinar:
a) El rendimiento de la reacción si se producen 50 g de cloroformo.
b) La masa de ácido clorhídrico formado.
Desarrollo:
Empiezo por igualar la reacción y poner los datos debajo de los reactivos y productos. Además, identifico el tipo de
datos que tengo.
Nota: Hay que tener en cuenta que en el caso de los reactivos si no me mencionada nada acerca de la pureza se
asume que son 100% puros. Así mismo, si del lado de los productos no menciona nada acerca del rendimiento, se
asume que el rendimiento fue del 100%.
Los 50 g de formol son reales porque yo no fui a un laboratorio y determiné experimentalmente, sino que me
dieron como DATO en el enunciado del ejercicio.
a)
+
+
)
Ahora, como puedo observar tengo la masa de los 2 reactivos, así que tengo que calcular cuál es el reactivo limitante
para poder formar por estequiometría la cantidad de formol teórico.
Rex:
R.L:
A partir del R.L calculo el producto, es decir el formol.
a) Calculo el rendimiento de la reacción.
b) Masa del ácido clorhídrico formado
A partir del R.L calculo el producto, es decir el ácido clorhídrico.
Pero el ejercicio no termina ahí, recuerden que tenemos el rendimiento de la reacción. Así que debemos aplicar
el rendimiento a este producto porque el rendimiento es de la reacción.