Cómo utilizar la relación molar de una reacción balanceada para calcular la cantidad de los reactivos.

Introducción

Galletas recién horneadas sobre una rejilla para enfriar
Podrías utilizar tus habilidades de estequiometría ¡para hacer el doble de una receta de galletas! Crédito de imagen: Chocolate Chip Cookies (Galletas de chispas de chocolate) por Kimberley Vardeman en Wikimedia Commons, CC-BY 2.0
¿Qué tienen en común las galletas y la química? ¡Pues resulta que muchas cosas! Una ecuación química balanceada es la receta de una reacción: contiene una lista de todos los reactivos (los ingredientes) y los productos (las galletas), así como sus proporciones relativas.
El uso de una ecuación química balanceada para calcular las cantidades de reactivos y productos se llama estequiometría. Esta es una palabra que suena muy técnica, pero sencillamente significa el uso de las proporciones de la reacción balanceada. En este artículo analizaremos cómo usar relaciones molares para calcular la cantidad de reactivos necesaria para una reacción.

Reacciones balanceadas y relaciones molares

Los coeficientes estequiométricos son los números que utilizamos para asegurar que nuestra ecuación está balanceada. Con los coeficientes estequiométricos podemos calcular razones (también llamadas relaciones), y estas relaciones nos darán información sobre las proporciones relativas de las sustancias químicas en nuestra reacción. Podrías encontrar que a esta proporción se le llama relación molar, factor estequiométrico o relación estequiométrica. La relación molar se puede usar como un factor de conversión entre diferentes cantidades.
Consejo para resolver problemas: el primer paso, y el más importante, es el mismo para todos los problemas de estequiometría, sin importar qué estás resolviendo: ¡asegúrate de que tu ecuación esté balanceada! Si no es así, las relaciones molares estarán equivocadas y las respuestas no serán correctas.
Por ejemplo, los coeficientes estequiométricos para la siguiente reacción balanceada nos dicen que 1 mol de F, e, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 3, end subscript reaccionará con 2 moles de A, l para dar 2 moles de F, e y 1 mol de A, l, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 3, end subscript.
Cuando no se ha escrito un coeficiente, como para F, e, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 3, end subscript y A, l, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 3, end subscript, significa que el coeficiente estequiométrico es uno.
F, e, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, start color blueD, 2, end color blueD, A, l, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, start color redD, 2, end color redD, F, e, left parenthesis, l, right parenthesis, plus, A, l, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, s, right parenthesis
Si tenemos una masa conocida del reactivo F, e, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 3, end subscript, podemos calcular cuántos moles de A, l necesitamos para que reaccionen totalmente con F, e, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 3, end subscript al utilizar la razón de sus coeficientes:
Relación molar entre Al y Fe2O3=2mol Al1mol Fe2O3\text{Relación molar entre Al y Fe}_2\text{O}_3=\dfrac{\blueD{2}\,\text {mol Al}}{1 \,\text{mol Fe}_2 \text O_3}

Ejemplo: el uso de relaciones molares para calcular la masa de un reactivo

Para la siguiente reacción no balanceada, ¿cuántos gramos de N, a, O, H serán necesarios para reaccionar totalmente con 3.10 gramos de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript?
En esta reacción tenemos 1 N, a y 3 H del lado de los reactivos, y 2 N, a y 2 H del lado de los productos. Podemos balancear nuestra ecuación al multiplicar N, a, O, H por dos, de manera que haya 2 N, a de cada lado, y multiplicar H, start subscript, 2, end subscript, O por dos, para que haya 6 O y 4 H en ambos lados. Esto nos da la siguiente reacción balanceada:
Una vez que tenemos la reacción balanceada, nos podemos hacer las siguientes preguntas:
  • ¿De qué reactivo o reactivos ya conocemos la cantidad?
  • ¿Qué estamos tratando de calcular?
En este ejemplo, sabemos que la cantidad de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript es 3.10 gramos, y queremos calcular la masa de N, a, O, H. Armados con la ecuación balanceada y un claro sentido de propósito (esperemos), podemos usar la siguiente estrategia para abordar este problema de estequiometría:

Paso 1: convertir una cantidad conocida de reactivo a moles

La cantidad conocida en este problema es la masa de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript. Podemos convertir la masa de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript a moles al usar el peso molecular. Dado que el peso molecular de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript es 98.09 g/mol, podemos encontrar los moles de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript de la siguiente manera:
El número 0.0316 se puede escribir mediante notación científica como 3.16 times 10start superscript, minus, 2, end superscript. La notación científica es particularmente útil para representar números muy pequeños o muy grandes, cosa que pasa mucho en la química.
Si quieres más información sobre cómo escribir números de esta forma, puedes ver este video sobre notación científica.

Paso 2: el uso de la relación molar para encontrar los moles de otro reactivo

Queremos calcular la cantidad de N, a, O, H, entonces podemos usar la relación molar entre N, a, O, H y H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript. Según nuestra ecuación química balanceada, necesitamos 2 moles de NaOH por cada mol de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript, lo que nos da la siguiente relación:
Relación molar entre NaOH y H2SO4=2mol NaOH1mol H2SO4\text{Relación molar entre NaOH y H}_2 \text{SO}_4=\dfrac{2\,\text{mol NaOH}}{1\,\text{mol H}_2 \text {SO}_4}
Podemos utilizar la proporción para convertir moles de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript del paso uno, en moles de N, a, O, H:
Observa que podemos escribir la relación molar de dos maneras:
2mol NaOH1mol H2SO4     \dfrac{2\,\text{mol NaOH}}{1\, \text{mol H}_2 \text {SO}_4}~~ \greenD{\checkmark}~~~o   1mol H2SO42mol NaOH  X~~~ \dfrac{1\, \text{mol H}_2 \text {SO}_4}{2\,\text{mol NaOH}}~~\redD{\mathsf X}
¡Cada formato nos da una respuesta diferente! Sin embargo, solo una relación permitirá que las unidades de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript se cancelen adecuadamente. El mensaje importante aquí es ¡siempre revisa tus unidades! Hay un video que explica cómo podemos tratar las unidades como números para tener una contabilidad más fácil; puedes ver este video sobre análisis dimensional.

Paso 3: convertir moles a masa

Podemos convertir los moles de N, a, O, H del Paso 2, a masa en gramos mediante el peso molecular de N, a, O, H:
Necesitaremos 2.53 gramos de N, a, O, H para que reaccionen totalmente con 3.10 gramos de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript.
Atajo: también podríamos combinar los tres pasos en un solo cálculo, con la advertencia de que debemos poner mucha atención en nuestras unidades. Para convertir la masa de H, start subscript, 2, end subscript, S, O, start subscript, 4, end subscript en masa de N, a, O, H, podemos resolver la siguiente expresión:
Si observamos cuidadosamente la expresión, la podemos descomponer en los pasos 1 a 3 arriba. La única diferencia es que en lugar de hacer cada conversión por separado, las hicimos todas a la vez.

Resumen

Los coeficientes de la reacción química balanceada nos indican las proporciones de reactivos y productos. Podemos usar la razón, o relación, de los coeficientes para hacer conversiones entre las cantidades de reactivos y productos en nuestra reacción.
Los ingredientes típicos para las galletas incluyen mantequilla, harina, almendras, chocolate, así como un rodillo y cortapastas. Todo está disperso sobre una mesa de madera
El llevar a cabo una reacción química es como hacer galletas. ¡Aunque esperamos que tu mesa de laboratorio esté más limpia que esta mesa de cocina! Imágen por condesign en pixabay, CC0 1.0
Para obtener más información sobre otros cálculos estequiométricos comunes, revisa esta emocionante continuación sobre reactivos limitantes y rendimiento porcentual.
Este artículo fue adaptado de los siguientes artículos:
  1. "Chemical Reactions" (Reacciones químicas) de UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0
  2. "Stoichiometry and Balancing Reactions" (Estequiometría y balanceo de ecuaciones) de UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0
  3. "Amounts of Reactants and Products" (Cantidades de reactivos y productos) de Boundless Chemistry, CC-BY-SA 4.0
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC-BY-NC-SA 4.0.
Referencias complementarias:
Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Stoichiometry: Quantitative Information about Chemical Reactions. (Estequiometría: información cuantitativa sobre reacciones químicas) en Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 139-149). Stamford, CT: Cengage Learning.