ESTEQUIOMETRIA

ESTEQUIOMETRIA La estequiometra es la parte de la qumica que estudia las relaciones cuantitativas que existe entre las sustancias que participan en una reaccin qumica.

Relaciones cuantitativas:Entre los elementos en un compuesto (estequiometra de composicin).

Entre las sustancias qumicas cuando sufren reacciones qumicas (estequiometra de la reaccin).

LEYES PONDERALES DE LA QUIMICALey de la conservacin de la masa: (Lavosiere) La suma de las masas de los reaccionantes es igual a la suma de las masas de los productos.

Ley de las proporciones definidas: (Proust) Siempre que dos sustancias se combinen para formar un compuesto lo hacen en una proporcin ponderal fija y definida.LEYES PONDERALES DE LA QUIMICALey de las proporciones reciprocas: (Wensel y Richter) Los pesos de dos elementos (o mltiplos de estos pesos) que reaccionan con un mismo peso de un tercero, son los mismos con que reaccionaran entre si. Es decir, que los elementos se unen siempre para dar combinaciones qumicas en relacin a un determinado peso de combinacin (peso equivalente) o un mltiplo entero de este peso.

Ley de las proporciones mltiples: (Dalton)Cuando dos elementos forman varios compuestos, el peso de uno de ellos permanece constante y el otro peso vara en una proporcin sencilla de nmeros enteros.

UNIDADES QUIMICAS DE MASAPeso atmico (P.A.) o masa atmica (M.A.): Es el promedio de las masas atmicas de todos los istopos de un elemento, considerando la abundancia de cada istopo en la naturaleza en %.El peso atmico de un istopo se obtiene comparando la masa del istopo con el istopo C-12 que constituye 12 u.m.a. (Unidad de masa atmica) mediante el espectrmetro de masa.

El tomo de hidrgeno constituye el 8,40% de la masa de C-12, entonces:

12 u.m.a. 100% x 8,40% x = 12 x 8,40 = 1,008 u.m.a. 100

El peso atmico se determina mediante la siguiente ecuacin qumica.

P.A. = P.A1 x % + P.A2 x %2 + 100 %

Ejm. 1

Istopo Peso Atmico AbundanciaCu-63 62,93 u.m.a 69,09 %Cu-65 64,9278 u.m.a 30,91 %P.A. Cu = 62,93 x 69,09 + 64,9278 x 30,91 = 63.55 u.m.a. 100Ejm. 2

Istopo Peso Atmico Abundancia V-50 49,9472 u.m.a 0,75 % V-51 50,9490 u.m.a 99,25 %P.A. V =PESO MOLECULAR (P.M.) O MASA MOLAR(P.M.): Se obtiene sumando los pesos atmicos de los elementos que constituye una molcula o compuesto inico, considerando un mol de sustancia.

1 mol = 6.022 x 10 23 tomos, molculas, etc.

Mol : Es la cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales como: molculas, tomos, iones etc.

Ejm.: Determinar el peso molecular del H2O H : 2 x 1,008 = 2,016 = 2 + O : 1 x 15,999 = 15,999 = 16 18 g/mol

Ejemplo 3Determinar el peso molecular del cido sulfrico: H2 SO4

H : 2 x 1 = 2 +S : 1 x 32 = 32O: 4 x 16 = 64 98 g/mol.

RELACIONES ESTEQUIOMTRICASLas relaciones estequiomtricas pueden ser:Entre reactantesEntre productosEntre reactantes y productos en una reaccin qumica.

O pueden ser:Entre masas, entre moles, entre molculas, entre volmenes, masa moles, Masa molculas, etc.

Esto se puede expresar de la siguiente manera :Un peso molecular de una sustancia constituye un mol y esta a su vez contiene 6,022 x 10 23 tomos molculas, y en el estado gaseoso en condiciones normales (P=1 atm, (760mmHg.),T= 0 C = 273,15 K) un mol ocupa 22,44 L.

Ejm: para el agua:

18g. de H2O 1 mol 6,022 x 10 23 molculas 22,44 L.

Ejm.:

Calcular el nmero de molculas y moles que contiene una gota de agua que pesa aproximadamente 0,9 g.18 g. 6,022 x 10 23 molculas 0,9g. x

X= 9x10 -1 x 6,022 x 10 23 = 3 x 10 22 molculas 1818 g. -------- 1 mol0,9 g. ------- xX= 9 x 10 -1 = 5x10 -2 mol 18

Ejm.:Calcular el nmero de moles y molculas que contiene 320 g. de anhidrido sulfrico y que volumen ocupa en el estado gaseoso en condiciones normales. SO3 S = 1 x 32 = 32g. O = 3 x 16 = 48g. 80 g/mol. 80 g 1mol 6,022 x 10 23 molculas 22,44 L. 320g. z x y x = 320 x 6,022x10 23 = 24x1023 = 2,4 x1024 molculas de SO3 80

y = 320 x 22,44 = 4 x 22,44 = 88,76 L. SO3 80 Z = 320 x 1 = 4 mol de SO3 80

Cuntas molculas de agua hay en una gota de agua que pesa 0,054g?

18g 6,022x1023molculas54x10-3 g x

X = 18 x 1020 molculas de agua.

El carbonato de sodio se obtiene por descomposicin del bicarbonato segn la siguiente reaccin: 2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)

Si 0,28 Kg. de bicarbonato de sodio se descompone. Cuntos litros de gas se obtiene de esta reaccin en condiciones normales? 2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)2 x 84g 22,4 L. 22,4L.

168g 44,8 L 280g x X = 74,67 L (CO2, H2O al estado gaseoso)

Cuntos moles de productos se forma cuando se combustiona 88g de propano segn la siguiente reaccin: C3H8(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(g)

Solucin: C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g) 44g 3mol 4 mol

44 g 7 mol 88g x X = 14 moles de productos

REACTIVO LIMITANTE Y EXCEDENTECuando se efecta una reaccin, los reactivos comnmente no estn presentes en cantidades estequiomtricamente exactas, esto es, en las proporciones indicadas en la ecuacin balanceada.

El reactivo que se consume primero en la reaccin se llama reactivo limitante, dado que la cantidad del producto formado depende de este reactivo.

Los reactivos presentes en cantidades mayores a las requeridas se llaman reactivos excedentes, ya que en una reaccin qumica parte de estas sustancias quedan sin reaccionar.

Ejemplos:Se mezclan 189 g. de acido ntrico con 160g. de hidrxido de sodio para obtener nitrato de sodio, calcular:cuntos gramos de nitrato de sodio se obtienen.cuntos gramos del reactivo excedente queda.

HNO3 + NaOH NaNO3(ac) + H2O63 g/mol 40 g/mol 86 g/mol189 g 160 g xClculo del nmero de moles del reactivo: HNO3 = 189 g. = 3 mol NaOH = 160 g. = 4 mol 63 g/mol 40/mol Reactivo limitante: cido ntricoReactivo Excedente: hidrxido de sdio X = 189g x 86g/mol = 258g NaNO3 que se obtienen 63 g/mol HNO3 + NaOH 63 g/mol 40 g/mol 189 g xX = 189 g. x 40 g/mol = 120 g. de NaOH que reaccionan. 63 g/mol

Exceso = 160 - 120 = 40 g. que no reaccionaron.

Uno de los procesos para obtener el amonio en forma industrial es mediante el proceso de Bohr Haber que consiste en mezclar nitrgeno gaseoso con hidrogeno utilizando un catalizador. Calcular cuantos moles de amoniaco se obtendr a partir de 1400 g. de nitrgeno y 200 gramos de hidrogeno.

N2 (g) + 3H2 (g) 2 NH3(g)28 g/mol 3 x 2 g/mol 2 mol1400 g 200 g xClculo del nmero de moles del reactivo: N2 = 1400 g. = 50 mol H2 = 200 g. = 100 mol /3 = 33,3 mol 28 g/mol 2 g/mol Reactivo limitante: hidrogeno molecularReactivo Excedente: nitrgeno molecular

X = 200g. x 2 mol = 66,67 moles que se obtienen. 3 x 2 g.

El bicarbonato de sodio se descompone con cido clorhdrico, calcular que volumen de dixido de carbono que se obtendr en condiciones normales a partir de 252 g. de bicarbonato de sodio con 146g. de acido clorhdrico.NaHCO3 (ac) + H Cl(ac) NaCl (ac) + CO2 (g) + H2O84 g/mol 36,5 g/mol 22,44 l/mol252 g 146 g xClculo del nmero de moles del reactivo: NaHCO3 = 252 g. = 3 mol HCl = 146 g. = 4 mol 84 g/mol 36,5 g/mol

Reactivo limitante: carbonato cido de sodioReactivo Excedente: Acido clorhdrico X = 252g x 22,44 L/mol = 67,32 L. 84 g/mol

RENDIMIENTO DE UNA REACCIONEl rendimiento nos indica cuanto del producto deseado realmente se obtiene en una reaccin qumica.

El rendimiento real a menudo es menor que el rendimiento calculado tericamente esto se da por algunas razones como:

Muchas reacciones qumicas en alguna medida estn en equilibrio, es decir los reactivos no se convierten totalmente en productos.

Los reactivos pueden sufrir dos o mas reacciones distintas en forma simultneamente, por lo que el producto deseado se obtiene en menor cantidad.

Los productos obtenidos no se pueden separar de sus componentes en su totalidad.

Los reactivos con que se trabaja realmente no tienen una pureza de 100%, por lo que lo calculado tericamente es mayor, como consecuencia en la realidad el producto obtenido ser menor que lo calculado tericamente.

R = Rendimiento real x 100 % Rendimiento terico

Ejemplos:El fluoruro de hidrgeno (que destruye la capa de ozono en la estratsfera) se usa en la manufactura de freones y en la produccin de aluminio metlico, esta sustancia se obtiene por la siguiente reaccin qumica.CaF2(s) + H2SO4(ac) CaSO4(s) + HF(ac)En un proceso se mezclan 6 Kg. de CaF2 con exceso de H2SO4 y se obtiene en el laboratorio 2,80 Kg. de HF. Calcular el rendimiento.

CaF2 + H2SO4 CaSO4 + 2HF78 g 2 x 20 g. 6 Kg. XX = 6000g. x 2 x 20 g = 3076.92 g. = 3,08 Kg de HF 78 gR = 2,80 Kg. x 100 % = 91% de rendimiento 3,08 Kg

El hierro se obtiene en un horno a altas temperaturas, donde se inyecta monxido de carbono para reducir al hierro segn la siguiente reaccin qumica:

Fe2 O3 (s) + CO(g) Fe(s) + CO2 (g)

Si a partir de 1,6 Kg. de oxido frrico se producen 1 kg. de hierro, cual es el rendimiento de la reaccinFe2 O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 (g)160 g/mol 2 x 56 g /mol1,6 Kg xX = 1600g. x 112 g = 1,12 Kg. 160 gR= 1Kg. x 100 % = 89,28 % 1,12 Kg.

El cido actico se obtiene por la oxidacin del etanol segn la siguiente reaccin qumica:CH3-CH2- OH + KMnO4 + H2SO4 CH3COOH + K2SO4 + MnSO4 + H2OCalcular la cantidad de etanol que se necesita si la reaccin tiene un rendimiento de 60%, obtenindose 100g. de cido actico en forma experimental.5CH3-CH2- OH + 4KMnO4 + 6H2SO4 5CH3COOH +2K2SO4 + 4MnSO4 + 11H2O 5 x 46g. 5 x 60 g. y 166,7 g.60% = 100 g x 100 % y = 166,7 g. x 5 x 46 g. = 127,78g. x 5 x 60 g.

x = 166,67 g.

PUREZALa pureza nos indica la cantidad de una sustancia pura que hay en una muestra de un producto

% P = sustancia pura x 100 % Muestra Ejemplo:

Calcular la cantidad de acido sulfrico que contiene 1 litro de solucin concentrada de este cido, si tiene una composicin % en peso de 98% y una densidad de 1,32 g/ml. = m 1,32 g/ml = m m = 1320 g de solucin de cido sulfrico V 1000ml

98 % = m H2SO4 x 100 % m H2SO4 = 1293,6 g. de H2SO4 1320 g.

El cido benzoico es un polvo blanco, que se emplea como preservante de alimentos, si se requiere 30mg. de este compuesto. Calcular la cantidad de la muestra stock que necesita si tiene una pureza de 92%

92% = 30 mg x 100% = 32.60 mg. M 32.60mg 1g = 0,032 g 1000mg

El nitrato de amonio se emplea como fertilizante nitrogenado en una bolsa de 50Kg. de 60%. Cuantos gramos de nitrato de amonio contiene?

60% = m x 100 % = 30 Kg 50Kg.

30kg 1000g = 30000g 1 Kg.

1 g. de una mezcla de carbonato de sodio y carbonato de potasio se trata con ligero exceso de acido clorhdrico diluido, una vez terminada la reaccin la disolucin resultante se evapora y se lleva a sequedad, esta muestra se pesa y se obtiene 1,091g. calcular la composicin de la mezcla original.

Na2CO3(s) + 2HCl(ac) 2NaCl(ac) + CO2(g) + H2O(l) 106 g/mol 2 x 58,5 g/mol X a

K2 CO3(g) + 2HCl(ac) 2KCl (ac) + CO2(g) + H2O( l ) 138 g/mol 2 x 74,5 g/mol Y b

X = Na2CO3 x + y = 1 a + b = 1,091 Y = K2 CO3 1,103 x + 1,079y = 1,091

a = X x 2 x 58,5 = 1,103 X 106 b = y x 2 x 74,5 = 1,079 Y 138

-1,079 X + Y = 1 1,103X + 1,079Y = 1,091 -1,079X - 1,079Y = -1,079 1,103X + 1,079Y = 1,091 0,024X = 0,012

X = 0,012 = 0,5 g Na2CO3 0,024

Y = 1 - 0,5 = 0,5 g K2CO3

% Na2CO3 = 0,5g x 100% = 50% 1 g% K2CO3 = 0,5g x 100% = 50% 1 g

FORMULA EMPIRICA Y MOLECULARLa frmula emprica es la relacin mnima de los nmeros enteros de tomos presentes para un compuesto.La frmula molecular indica el nmero real de tomos que constituye una molcula del compuesto.

Formula Molecular = Frmula Emprica x n n = P.M. de la frmula molecular P.M. de la frmula emprica

Para determinar la frmula emprica se siguen los siguientes pasos:

Hacer la sumatoria de los porcentajes de los elementos que debe ser 100%, si la sumatoria no es 100% el resto de porcentaje corresponde al oxgeno.Transformar las cantidades de los porcentajes en gramos. Calcular los nmeros de moles : = m P.A.Se dividen todos valores de los nmeros de moles por el menor valor.Si lo dividimos no es un nmero entero, se multiplica por un factor para obtener un nmero natural.

EjemploEl acetileno (Etino) es un hidrocarburo no saturado, que se obtiene por la reaccin del carburo de calcio con agua, y es usado en la soldadura autgena. Si por un anlisis cuantitativo se obtiene: 92,25% de carbono y 7,75 % de hidrogeno. Cual es su formula emprica y molecular si el peso molecular calculado por crioscopia es de 26g/mol.

C= 92,25% 92,25g. C = 92,25 g. = 7.69 mol. 7.69mol = 1 12,00g/molH= 7,75% 7,75g. H= 7,75 g. = 7,69 mol 7.69mol = 1 1,008g/mol 100,00

Frmula EmpricaFrmula molecular CH C2H2 n = 26 = 2 13

Un xido de nitrogeno tiene 30,43 % de nitrgeno y 69,57% de oxgeno, cual es su frmula emprica y la frmula molecular si obtuvo por ebulloscopa un peso de 91,98g/mol.

N= 30,43%30,43g. N = 30,43 g. = 2,17 2,17 = 1 14 g/molO= 69,57%69,57g. O = 69,57g. = 4,34 2,17 = 2 100,00 % 16 g/mol Frmula Emprica Frmula molecularNO2 N2O4n= 91,98 = 1,999 = 2 46La alicina es el compuesto responsable del olor caracterstico de ajo. Un anlisis del compuesto da la siguiente composicin porcentual en masa: C: 44,4%; H: 6,22%; S:39,5%; O: 9,87%. Calcule la frmula emprica, sabiendo que su masa molar es aproximadamente 162g, determina su formula molecular.C: 44,4 % 44,4 g. C = 44,4 g. = 3,7 0,62 = 5,98 = 6 12 g/molH: 6,29% 6,22g. H = 6,22 g. = 6,22 0,62 = 10 = 10 1g/molS: 39,5% 39,5 g. S = 39,5 g. = 1,234 0,62 = 1,99 = 2 32 g/molO: 9,87% 9,87g. O = 44,4 g. = 0,62 0,62 = 1 = 1 16g/molFrmula EmpricaFrmula molecularC6H10S2O C6H10S2On= 162 g/mol = 1 162 g/mol