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Estequiometría

En química, la estequiometría (del griego στοιχειον, stoikheion, 'elemento' y μετρον, métrón, 'medida') es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactivos y productos en el transcurso de una reacción química.[1]

Diagrama estequiométrico de la reacción de combustión del metano.

Estas relaciones se pueden deducir a partir de la teoría atómica, aunque históricamente no se enunciaron sin hacer referencia a la composición de la materia, según distintas leyes y principios.

El primero que enunció los principios de la estequiometría fue Jeremias Benjamin Richter (1762-1807), en 1792, quien describió la estequiometría de la siguiente manera:

«La estequiometría es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa de los elementos químicos que están implicados (en una reacción química)».

También estudia la proporción de los distintos elementos en un compuesto químico y la composición de mezclas químicas.

Algunos ejemplos son:

2g de H2, reaccionan con 16g de O2 para dar 18g de H2O

2 moles de H2, reaccionan con 1 mol de O2 para dar 2 moles de H2O

44,82 L de H2, reaccionan con 22,41 L en O2 en C.N.P.T. para dar 18 mL de H2O.

Principio de la estequiometría

Una reacción química se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias intervinientes; esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la reacción química, los reactivos se consumen para dar lugar a los productos.

A escala microscópica una reacción química se produce por la colisión de las partículas que intervienen ya sean moléculas, átomos o iones, aunque puede producirse también por el choque de algunos átomos o moléculas con otros tipos de partículas, tales como electrones o fotones. Este choque provoca que las uniones que existían previamente entre los átomos se rompan y facilite que se forman nuevas uniones, es decir que, a escala atómica, es un reordenamiento de los enlaces entre los átomos que intervienen. Este ordenamiento se produce por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, sin embargo los átomos implicados no desaparecen, ni se crean nuevos átomos. Esto es lo que se conoce como ley de conservación de la masa, e implica los dos principios siguientes:

  • El número total de átomos antes y después de la reacción química no cambia.
  • El número de átomos de cada tipo es igual antes y después de la reacción.

En el transcurso de las reacciones químicas las partículas subatómicas tampoco desaparecen, el número total de protones, neutrones y electrones permanece constante. Y como los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa, la suma total de cargas no se modifica. Esto es especialmente importante tenerlo en cuenta para el caso de los electrones, ya que es posible que durante el transcurso de una reacción química salten de un átomo a otro o de una molécula a otra, pero el número total de electrones permanece constante. Esto que es una consecuencia natural de la ley de conservación de la masa se denomina ley de conservación de la carga e implica que:

  • La suma total de cargas antes y después de la reacción química permanece constante.

Las relaciones entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y por lo tanto pueden ser determinadas por una ecuación (igualdad matemática) que las describa. A esta igualdad se le llama ecuación estequiométrica.

También puede sincronizar el balance de átomos y calcular la oxidación

Ecuaciones químicas

Una ecuación química es una representación escrita de una reacción química. Se basa en el uso de símbolos químicos que identifican a los átomos que intervienen y como se encuentran agrupados antes y después de la reacción. Cada grupo de átomos se encuentra separado por símbolos (+) y representa a las moléculas que participan, cuenta además con una serie de números que indican la cantidad de átomos de cada tipo que las forman y la cantidad de moléculas que intervienen, y con una flecha que indica la situación inicial y la final de la reacción. Así por ejemplo en la reacción:

 

Tenemos los grupos de átomos (moléculas) siguientes:

  • <

Subíndices

Los subíndices indican la atomicidad, es decir la cantidad de átomos de cada tipo que forman cada agrupación de átomos (molécula). Así el primer grupo arriba representado, indica a una molécula que está formada por 2 átomos de oxígeno, el segundo a dos moléculas formadas por 2 átomos de hidrógeno, y el tercero representa a un grupo de dos moléculas formadas cada una por 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, es decir dos moléculas de agua.

Coeficiente estequiométrico

Es el número de moléculas de un determinado tipo que participa en una ecuación química dada en el orden en el que está escrita. En el siguiente ejemplo:

 

El coeficiente del metano es 1, el del oxígeno 2, el del dióxido de carbono 1 y el del agua 2. Los coeficientes estequiométricos son en principio números enteros, aunque para ajustar ciertas reacciones alguna vez se emplean números fraccionarios.

Cuando el coeficiente estequiométrico es igual a 1, no se escribe. Por eso, en el ejemplo   y   no llevan ningún coeficiente delante.

Como por ejemplo

  •  

Debe leerse como 1(O2) es decir, un grupo de moléculas de oxígeno. Y la expresión:

  •  

Debe leerse como 2(H2O), es decir dos grupos o moléculas, cada uno de los cuales se encuentra formado por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

Lectura de una ecuación química

Dado que una ecuación química es una representación simplificada o mínima de una reacción química, es importante considerar todos los datos representados; ya que perder de vista a alguno significa no entender realmente la situación representada. Los símbolos y subíndices representan a las especies químicas que participan, y los coeficientes representan al número de moléculas de cada tipo que se encuentran participando de la reacción.

Finalmente la flecha indica cual es el sentido predominante en el cual la reacción química progresa. Así en el ejemplo anterior vemos que CH4 y O2 se encuentran en la situación "antes de", es decir del lado de los reactivos y H2O y CO2 se encuentran en la situación de "después de", es decir del lado de los productos. La ecuación completa debería leerse así:

«Una molécula de metano (CH4) reacciona químicamente con dos moléculas de oxígeno diatómico (2 O2) para formar una molécula de dióxido de carbono (CO2) y dos moléculas de agua (2 H2O)»


Balance de materia

Se dice que una ecuación química se encuentra ajustada, equilibrada o balanceada cuando respeta la ley de conservación de la materia, según la cual la cantidad de átomos de cada elemento debe ser igual del lado de los reactivos (antes de la flecha) y en lado de los productos de la reacción (después de la flecha).

Para balancear una ecuación, se deben ajustar los coeficientes, y no los subíndices. Esto es así porque cada tipo de molécula tiene siempre la misma composición, es decir se encuentra siempre formada por la misma cantidad de átomos, si modificamos los subíndices estamos nombrando a sustancias diferentes:

H2O es agua común y corriente, pero H2O2 es peróxido de hidrógeno, una sustancia química totalmente diferente. Al modificar los coeficientes sólo estamos diciendo que ponemos más o menos de tal o cual sustancia.

Por ejemplo, en la reacción de combustión de metano (CH4), este se combina con oxígeno molecular (O2) del aire para formar dióxido de carbono (CO2) y agua. (H2O). La reacción sin ajustar será:

 

En esta ecuación, las incógnitas son a, b, c y d, que son los denominados coeficientes estequiométricos. Para calcularlos, debe tenerse en cuenta la ley de conservación de la materia, por lo que la suma de los átomos de cada elemento debe ser igual en los reactivos y en los productos de la reacción. Existen tres métodos principales para balancear una ecuación estequiométrica, que son, el método de tanteo, el método algebraico y el método de ion-electrón para ecuaciones de tipo redox.

Método de balanceo por tanteo

El método de tanteo se basa simplemente en modificar los coeficientes de uno y otro lado de la ecuación hasta que se cumplan las condiciones de balance de masa. No es un método rígido, aunque tiene una serie de delineamientos principales que pueden facilitar el encontrar rápidamente la condición de igualdad.

  • Se comienza igualando el elemento que participa con mayor estado de oxidación en valor absoluto.
  • Se continúa ordenadamente por los elementos que participan con menor estado de oxidación.
  • Si la ecuación contiene oxígeno, conviene balancear el oxígeno en segunda instancia.
  • Si la ecuación contiene hidrógeno, conviene balancear el hidrógeno en última instancia.

En el ejemplo, se puede observar que el elemento que participa con un estado de oxidación de mayor valor absoluto es el carbono que actúa con estado de oxidación (+4), mientras el oxígeno lo hace con estado de oxidación (-2) y el hidrógeno con (+1).

Comenzando con el carbono, se iguala de la forma más sencilla posible, es decir con coeficiente 1 a cada lado de la ecuación, y de ser necesario luego se corrige.

 

Se continúa igualando el oxígeno, se puede observar que a la derecha de la ecuación, así como está planteada, hay 3 átomos de oxígeno, mientras que a la izquierda hay una molécula que contiene dos átomos de oxígeno. Como no se deben tocar los subíndices para ajustar una ecuación, simplemente añadimos media molécula más de oxígeno a la izquierda:

 

O lo que es lo mismo:

 

Luego se iguala el hidrógeno. A la izquierda de la ecuación hay cuatro átomos de hidrógeno, mientras que a la derecha hay dos. Se añade un coeficiente 2 frente a la molécula de agua para balancear el hidrógeno:

 

El hidrógeno queda balanceado, sin embargo ahora se puede observar que a la izquierda de la ecuación hay 3 átomos de oxígeno (3/2 de molécula) mientras que a la derecha hay 4 átomos de oxígeno (2 en el óxido de carbono (II) y 2 en las moléculas de agua). Se balancea nuevamente el oxígeno agregando un átomo más (1/2 molécula más) a la izquierda:

 

O lo que es lo mismo:

 

Ahora la ecuación queda perfectamente balanceada. El método de tanteo es útil para balancear rápidamente ecuaciones sencillas, sin embargo se torna sumamente engorroso para balancear ecuaciones en las cuales hay más de tres o cuatro elementos que cambian sus estados de oxidación. En esos casos resulta más sencillo aplicar otros métodos de balanceo.

Método de balanceo algebraico

El método algebraico se basa en el planteamiento de un sistema de ecuaciones en la cual los coeficientes estequiométricos participan como incógnitas, procediendo luego despejar estas incógnitas. Es posible sin embargo que muchas veces queden planteados sistemas de ecuaciones con más incógnitas que ecuaciones, en esos casos la solución se halla igualando cualquiera de los coeficientes a 1 y luego despejando el resto en relación a él. Finalmente se multiplican todos los coeficientes por un número de modo tal de encontrar la menor relación posible entre coeficientes enteros.

En el ejemplo:

 

para el elemento hidrógeno (H) hay 4·a átomos en los reactivos y 2·d átomos en los productos. De esta manera se puede plantear una condición de igualdad para el hidrógeno:

Hidrógeno: 4·a = 2·d

Y procediendo de la misma forma para el resto de los elementos participantes se obtiene un sistema de ecuaciones:

Hidrógeno: 4·a = 2·d
Oxígeno: 2·b = 2·c + d
Carbono: a = c

Con lo que tenemos un sistema lineal de tres ecuaciones con cuatro incógnitas homogéneo:

 

Al ser un sistema homogéneo tenemos la solución trivial:

 

Pero debemos buscar una solución que no sea trivial, ya que esta implicaría que no hay "ningún" átomo, y no describe el planteo químico, proseguimos a simplificar:

 

Si, la tercera ecuación, la cambiamos de signo, la multiplicamos por dos y le sumamos la primera tendremos:

 

Pasando d al segundo miembro, tenemos:

 

Con lo que tenemos el sistema resuelto en función de d:

 

Se trata en encontrar el menor valor de d que garantice que todos los coeficientes sean números enteros, en este caso haciendo d= 2, tendremos:

 

Sustituyendo los coeficientes estequimétricos en la ecuación de la reacción, se obtiene la ecuación ajustada de la reacción:

 

Ésta dice que 1 molécula de metano reacciona con 2 moléculas de oxígeno para dar 1 molécula de dióxido de carbono y 2 moléculas de agua.

Al fijar arbitrariamente un coeficiente e ir deduciendo los demás pueden obtenerse valores racionales no enteros. En este caso, se multiplican todos los coeficientes por el mínimo común múltiplo de los denominadores. En reacciones más complejas, como es el caso de las reacciones redox, se emplea el método del ion-electrón.

Balanceo de las ecuaciones redox

Las reacciones electroquímicas se pueden balancear por el método ion-electrón donde la reacción global se divide en dos semirreacciones (una de oxidación y otra de reducción), se efectúa el balance de carga y elemento, agregando H+, OH, H2O y/o electrones para compensar los cambios de oxidación. Antes de empezar a balancear se tiene que determinar en que medio ocurre la reacción, debido a que se procede de una manera en particular para cada medio.

Medio ácido

Se explicará por medio de un ejemplo, cuando manganésica reacciona con bismutato de sodio.

  • El primer paso es escribir la reacción sin balancear:
 


  • Luego se divide en dos semirreacciones:
    • Reducción:  
    • Oxidación:  


  • Cada semirreacción se balancea de acuerdo con el número y tipo de átomos y cargas. Como estamos en medio ácido los iones H+ se agregan para balancear los átomos de H y se agrega H2O para balancear los átomos de O:
    • Reducción:
 
    • Oxidación:
 


  • Finalmente se multiplica cada semirreacción por un factor para que se cancelen los electrones cuando se sumen ambas semireacciones:
    • Reducción:
 
    • Oxidación:
 


  • Reacción balanceada:
 


  • En algunos casos es necesario agregar contraiones para terminar de balancear la ecuación. Para este caso, si se conociera el anión de la sal magnésica, ese sería el contraión. Se agrega por igual de ambos lados de la ecuación para terminar de balancearla.

Medio básico

También se explicará por medio de un ejemplo, cuando el permanganato de potasio reacciona con el sulfito de sodio.

  • El primer paso es escribir la reacción sin balancear:
 
  • Luego se divide en dos semirreacciones:
    • Reducción:  
    • Oxidación:  
  • Cada semirreación se balancea de acuerdo con el número y tipo de átomos y cargas. Como estamos en medio alcalino los OH se agregan para balancear los átomos de H y normalmente se agrega la mitad de moléculas de H2O del otro lado de la semirreacción para balancear los átomos de O.
    • Reducción:  
    • Oxidación:  
  • Finalmente se multiplica cada semirreación por un factor para que se cancelen los electrones cuando se sumen ambas semireacciones.
    • Reducción:  
    • Oxidación:  

Ecuación balanceada:

  • Reacción balanceada:
 
  • En este caso se agregaron contraiones para terminar de balancear la ecuación (los cationes K+ y Na+)


Mezcla, proporciones y condiciones estequiométricas

Cuando los reactivos de una reacción están en cantidades proporcionales a sus coeficientes estequiométricos se dice:

  • La mezcla es estequiométrica;
  • Los reactivos están en proporciones estequiométricas;
  • La reacción tiene lugar en condiciones estequiométricas;

Las tres expresiones tienen el mismo significado.

En estas condiciones, si la reacción es completa, todos los reactivos se consumirán dando las cantidades estequiométricas de productos correspondientes.

Si no en esta forma, existirá el reactivo limitante que es el que está en menor proporción y que con base en él se trabajan todos los cálculos.

Ejemplo

Masa atómica del oxígeno = 15,9994.
Masa atómica del carbono = 12,0107.

La ecuación química que representa la reacción química es:

 


Se tienen las siguientes equivalencias a partir de la reacción química y las masas atómicas citadas:

 

Esta última relación es consecuencia de la fórmula química del oxígeno molecular ( )

 

Entonces para determinar la masa de oxígeno podemos realizar los siguientes "pasos": determinamos las moles de átomos de carbono (primer factor), con estas moles fácilmente determinamos las moles de moléculas de oxígeno (segundo factor a partir de coeficientes de la ecuación química), y finalmente obtenemos la masa de oxígeno (tercer factor)

 

realizadas las operaciones:

 


Cálculos estequiométricos

Los cálculos estequiométricos se basan en las relaciones fijas de combinación que hay entre las sustancias en las reacciones químicas balanceadas. Estas relaciones están indicadas por los subíndices numéricos que aparecen en las fórmulas y por los coeficientes. Este tipo de cálculos es muy importante y se utilizan de manera rutinaria en el análisis químico y durante la producción de las sustancias químicas en la industria. Los cálculos estequiométricos requieren una unidad química que relacione las masas de los reactantes con las masas de los productos. Esta unidad química es el mol.

Ejemplo de la vida diaria. La estequiometria la podemos usar por ejemplo cuando vamos al médico porque tenemos un dolor ocasionado por una infección, el doctor debe de sacar la cuenta de nuestro peso con los gramos que contiene el medicamento y sobre la base de esto sacar la medida exacta para saber cuántas pastillas o cuantos mililitros nos tenemos que tomar de dichos medicamentos.

Véase también

Referencias

  1. «Química II: un enfoque constructivista» (2007). Pearson Educación. p. 31.

Bibliografía

  • Caballero Hurtado, Agustín (2006). Cómo resolver problemas de estequiometría. Editorial Filarias. p. 132. ISBN 978-84-932488-8-8. 
  • Lozano Lucena, J. J.; Rodríguez Rigual, C. (1992). Química 3: estequiometría. Pearson Alhambra. p. 64. ISBN 978-84-205-2142-8. 
  • Muller; Ara Blesa, Antonio (1965). Fundamentos de estequiometría. Editorial Acribia, S.A. p. 345. ISBN 978-84-200-0174-6. 
  •   Datos: Q213185

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En quimica la estequiometria del griego stoixeion stoikheion elemento y metron metron medida es el calculo de las relaciones cuantitativas entre los reactivos y productos en el transcurso de una reaccion quimica 1 Diagrama estequiometrico de la reaccion de combustion del metano Estas relaciones se pueden deducir a partir de la teoria atomica aunque historicamente no se enunciaron sin hacer referencia a la composicion de la materia segun distintas leyes y principios El primero que enuncio los principios de la estequiometria fue Jeremias Benjamin Richter 1762 1807 en 1792 quien describio la estequiometria de la siguiente manera La estequiometria es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa de los elementos quimicos que estan implicados en una reaccion quimica Tambien estudia la proporcion de los distintos elementos en un compuesto quimico y la composicion de mezclas quimicas Algunos ejemplos son 2g de H2 reaccionan con 16g de O2 para dar 18g de H2O2 moles de H2 reaccionan con 1 mol de O2 para dar 2 moles de H2O44 82 L de H2 reaccionan con 22 41 L en O2 en C N P T para dar 18 mL de H2O Indice 1 Principio de la estequiometria 2 Ecuaciones quimicas 2 1 Subindices 2 2 Coeficiente estequiometrico 2 3 Lectura de una ecuacion quimica 3 Balance de materia 3 1 Metodo de balanceo por tanteo 3 2 Metodo de balanceo algebraico 3 3 Balanceo de las ecuaciones redox 3 3 1 Medio acido 3 3 2 Medio basico 4 Mezcla proporciones y condiciones estequiometricas 5 Calculos estequiometricos 6 Vease tambien 7 Referencias 8 BibliografiaPrincipio de la estequiometria EditarUna reaccion quimica se produce cuando hay una modificacion en la identidad quimica de las sustancias intervinientes esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y despues de producirse la reaccion quimica los reactivos se consumen para dar lugar a los productos A escala microscopica una reaccion quimica se produce por la colision de las particulas que intervienen ya sean moleculas atomos o iones aunque puede producirse tambien por el choque de algunos atomos o moleculas con otros tipos de particulas tales como electrones o fotones Este choque provoca que las uniones que existian previamente entre los atomos se rompan y facilite que se forman nuevas uniones es decir que a escala atomica es un reordenamiento de los enlaces entre los atomos que intervienen Este ordenamiento se produce por desplazamientos de electrones unos enlaces se rompen y otros se forman sin embargo los atomos implicados no desaparecen ni se crean nuevos atomos Esto es lo que se conoce como ley de conservacion de la masa e implica los dos principios siguientes El numero total de atomos antes y despues de la reaccion quimica no cambia El numero de atomos de cada tipo es igual antes y despues de la reaccion En el transcurso de las reacciones quimicas las particulas subatomicas tampoco desaparecen el numero total de protones neutrones y electrones permanece constante Y como los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa la suma total de cargas no se modifica Esto es especialmente importante tenerlo en cuenta para el caso de los electrones ya que es posible que durante el transcurso de una reaccion quimica salten de un atomo a otro o de una molecula a otra pero el numero total de electrones permanece constante Esto que es una consecuencia natural de la ley de conservacion de la masa se denomina ley de conservacion de la carga e implica que La suma total de cargas antes y despues de la reaccion quimica permanece constante Las relaciones entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservacion y por lo tanto pueden ser determinadas por una ecuacion igualdad matematica que las describa A esta igualdad se le llama ecuacion estequiometrica Tambien puede sincronizar el balance de atomos y calcular la oxidacionEcuaciones quimicas EditarArticulo principal Ecuacion quimica Una ecuacion quimica es una representacion escrita de una reaccion quimica Se basa en el uso de simbolos quimicos que identifican a los atomos que intervienen y como se encuentran agrupados antes y despues de la reaccion Cada grupo de atomos se encuentra separado por simbolos y representa a las moleculas que participan cuenta ademas con una serie de numeros que indican la cantidad de atomos de cada tipo que las forman y la cantidad de moleculas que intervienen y con una flecha que indica la situacion inicial y la final de la reaccion Asi por ejemplo en la reaccion O 2 2 H 2 2 H 2 O displaystyle mathrm O 2 2 H 2 to 2 H 2 O Tenemos los grupos de atomos moleculas siguientes lt Subindices Editar Los subindices indican la atomicidad es decir la cantidad de atomos de cada tipo que forman cada agrupacion de atomos molecula Asi el primer grupo arriba representado indica a una molecula que esta formada por 2 atomos de oxigeno el segundo a dos moleculas formadas por 2 atomos de hidrogeno y el tercero representa a un grupo de dos moleculas formadas cada una por 2 atomos de hidrogeno y uno de oxigeno es decir dos moleculas de agua Coeficiente estequiometrico Editar Es el numero de moleculas de un determinado tipo que participa en una ecuacion quimica dada en el orden en el que esta escrita En el siguiente ejemplo C H 4 2 O 2 C O 2 2 H 2 O displaystyle mathrm CH 4 2 O 2 to CO 2 2 H 2 O El coeficiente del metano es 1 el del oxigeno 2 el del dioxido de carbono 1 y el del agua 2 Los coeficientes estequiometricos son en principio numeros enteros aunque para ajustar ciertas reacciones alguna vez se emplean numeros fraccionarios Cuando el coeficiente estequiometrico es igual a 1 no se escribe Por eso en el ejemplo CH 4 displaystyle ce CH4 y CO 2 displaystyle ce CO2 no llevan ningun coeficiente delante Como por ejemplo O 2 displaystyle ce O2 Debe leerse como 1 O2 es decir un grupo de moleculas de oxigeno Y la expresion 2 H 2 O displaystyle ce 2H2O Debe leerse como 2 H2O es decir dos grupos o moleculas cada uno de los cuales se encuentra formado por dos atomos de hidrogeno y uno de oxigeno Lectura de una ecuacion quimica Editar Dado que una ecuacion quimica es una representacion simplificada o minima de una reaccion quimica es importante considerar todos los datos representados ya que perder de vista a alguno significa no entender realmente la situacion representada Los simbolos y subindices representan a las especies quimicas que participan y los coeficientes representan al numero de moleculas de cada tipo que se encuentran participando de la reaccion Finalmente la flecha indica cual es el sentido predominante en el cual la reaccion quimica progresa Asi en el ejemplo anterior vemos que CH4 y O2 se encuentran en la situacion antes de es decir del lado de los reactivos y H2O y CO2 se encuentran en la situacion de despues de es decir del lado de los productos La ecuacion completa deberia leerse asi Una molecula de metano CH4 reacciona quimicamente con dos moleculas de oxigeno diatomico 2 O2 para formar una molecula de dioxido de carbono CO2 y dos moleculas de agua 2 H2O Balance de materia EditarSe dice que una ecuacion quimica se encuentra ajustada equilibrada o balanceada cuando respeta la ley de conservacion de la materia segun la cual la cantidad de atomos de cada elemento debe ser igual del lado de los reactivos antes de la flecha y en lado de los productos de la reaccion despues de la flecha Para balancear una ecuacion se deben ajustar los coeficientes y no los subindices Esto es asi porque cada tipo de molecula tiene siempre la misma composicion es decir se encuentra siempre formada por la misma cantidad de atomos si modificamos los subindices estamos nombrando a sustancias diferentes H2O es agua comun y corriente pero H2O2 es peroxido de hidrogeno una sustancia quimica totalmente diferente Al modificar los coeficientes solo estamos diciendo que ponemos mas o menos de tal o cual sustancia Por ejemplo en la reaccion de combustion de metano CH4 este se combina con oxigeno molecular O2 del aire para formar dioxido de carbono CO2 y agua H2O La reaccion sin ajustar sera a C H 4 b O 2 c C O 2 d H 2 O displaystyle mathrm a cdot CH 4 b cdot O 2 to c cdot CO 2 d cdot H 2 O En esta ecuacion las incognitas son a b c y d que son los denominados coeficientes estequiometricos Para calcularlos debe tenerse en cuenta la ley de conservacion de la materia por lo que la suma de los atomos de cada elemento debe ser igual en los reactivos y en los productos de la reaccion Existen tres metodos principales para balancear una ecuacion estequiometrica que son el metodo de tanteo el metodo algebraico y el metodo de ion electron para ecuaciones de tipo redox Metodo de balanceo por tanteo Editar El metodo de tanteo se basa simplemente en modificar los coeficientes de uno y otro lado de la ecuacion hasta que se cumplan las condiciones de balance de masa No es un metodo rigido aunque tiene una serie de delineamientos principales que pueden facilitar el encontrar rapidamente la condicion de igualdad Se comienza igualando el elemento que participa con mayor estado de oxidacion en valor absoluto Se continua ordenadamente por los elementos que participan con menor estado de oxidacion Si la ecuacion contiene oxigeno conviene balancear el oxigeno en segunda instancia Si la ecuacion contiene hidrogeno conviene balancear el hidrogeno en ultima instancia En el ejemplo se puede observar que el elemento que participa con un estado de oxidacion de mayor valor absoluto es el carbono que actua con estado de oxidacion 4 mientras el oxigeno lo hace con estado de oxidacion 2 y el hidrogeno con 1 Comenzando con el carbono se iguala de la forma mas sencilla posible es decir con coeficiente 1 a cada lado de la ecuacion y de ser necesario luego se corrige 1 C H 4 b O 2 1 C O 2 d H 2 O displaystyle mathrm 1 CH 4 b cdot O 2 to 1 CO 2 d cdot H 2 O Se continua igualando el oxigeno se puede observar que a la derecha de la ecuacion asi como esta planteada hay 3 atomos de oxigeno mientras que a la izquierda hay una molecula que contiene dos atomos de oxigeno Como no se deben tocar los subindices para ajustar una ecuacion simplemente anadimos media molecula mas de oxigeno a la izquierda C H 4 O 2 1 2 O 2 C O 2 d H 2 O displaystyle mathrm CH 4 O 2 cfrac 1 2 O 2 to CO 2 d cdot H 2 O O lo que es lo mismo C H 4 3 2 O 2 C O 2 d H 2 O displaystyle mathrm CH 4 cfrac 3 2 O 2 to CO 2 d cdot H 2 O Luego se iguala el hidrogeno A la izquierda de la ecuacion hay cuatro atomos de hidrogeno mientras que a la derecha hay dos Se anade un coeficiente 2 frente a la molecula de agua para balancear el hidrogeno C H 4 3 2 O 2 C O 2 2 H 2 O displaystyle mathrm CH 4 cfrac 3 2 O 2 to CO 2 2 H 2 O El hidrogeno queda balanceado sin embargo ahora se puede observar que a la izquierda de la ecuacion hay 3 atomos de oxigeno 3 2 de molecula mientras que a la derecha hay 4 atomos de oxigeno 2 en el oxido de carbono II y 2 en las moleculas de agua Se balancea nuevamente el oxigeno agregando un atomo mas 1 2 molecula mas a la izquierda C H 4 3 2 O 2 1 2 O 2 C O 2 2 H 2 O displaystyle mathrm CH 4 cfrac 3 2 O 2 cfrac 1 2 O 2 to CO 2 2 H 2 O O lo que es lo mismo C H 4 2 O 2 C O 2 2 H 2 O displaystyle mathrm CH 4 2 O 2 to CO 2 2 H 2 O Ahora la ecuacion queda perfectamente balanceada El metodo de tanteo es util para balancear rapidamente ecuaciones sencillas sin embargo se torna sumamente engorroso para balancear ecuaciones en las cuales hay mas de tres o cuatro elementos que cambian sus estados de oxidacion En esos casos resulta mas sencillo aplicar otros metodos de balanceo Metodo de balanceo algebraico Editar El metodo algebraico se basa en el planteamiento de un sistema de ecuaciones en la cual los coeficientes estequiometricos participan como incognitas procediendo luego despejar estas incognitas Es posible sin embargo que muchas veces queden planteados sistemas de ecuaciones con mas incognitas que ecuaciones en esos casos la solucion se halla igualando cualquiera de los coeficientes a 1 y luego despejando el resto en relacion a el Finalmente se multiplican todos los coeficientes por un numero de modo tal de encontrar la menor relacion posible entre coeficientes enteros En el ejemplo a C H 4 b O 2 c C O 2 d H 2 O displaystyle mathrm a cdot CH 4 b cdot O 2 to c cdot CO 2 d cdot H 2 O para el elemento hidrogeno H hay 4 a atomos en los reactivos y 2 d atomos en los productos De esta manera se puede plantear una condicion de igualdad para el hidrogeno Hidrogeno 4 a 2 dY procediendo de la misma forma para el resto de los elementos participantes se obtiene un sistema de ecuaciones Hidrogeno 4 a 2 d Oxigeno 2 b 2 c d Carbono a cCon lo que tenemos un sistema lineal de tres ecuaciones con cuatro incognitas homogeneo 4 a 2 d 0 2 b 2 c d 0 a c 0 displaystyle left begin array rrrrr 4a amp amp amp 2d amp 0 amp 2b amp 2c amp d amp 0 a amp amp c amp amp 0 end array right Al ser un sistema homogeneo tenemos la solucion trivial a b c d 0 displaystyle a b c d 0 Pero debemos buscar una solucion que no sea trivial ya que esta implicaria que no hay ningun atomo y no describe el planteo quimico proseguimos a simplificar 2 a d 0 2 b 2 c d 0 a c 0 displaystyle left begin array rrrrr 2a amp amp amp d amp 0 amp 2b amp 2c amp d amp 0 a amp amp c amp amp 0 end array right Si la tercera ecuacion la cambiamos de signo la multiplicamos por dos y le sumamos la primera tendremos 2 a d 0 2 b 2 c d 0 2 a 2 c 0 2 a d 0 2 b 2 c d 0 2 c d 0 displaystyle left begin array rrrrr 2a amp amp amp d amp 0 amp 2b amp 2c amp d amp 0 2a amp amp 2c amp amp 0 end array right longrightarrow quad left begin array rrrrr 2a amp amp amp d amp 0 amp 2b amp 2c amp d amp 0 amp amp 2c amp d amp 0 end array right Pasando d al segundo miembro tenemos 2 a d 2 b 2 c d 2 c d displaystyle left begin array rrrr 2a amp amp amp d amp 2b amp 2c amp d amp amp 2c amp d end array right Con lo que tenemos el sistema resuelto en funcion de d a d 2 b d c d 2 displaystyle left begin array l a cfrac d 2 b d c cfrac d 2 end array right Se trata en encontrar el menor valor de d que garantice que todos los coeficientes sean numeros enteros en este caso haciendo d 2 tendremos a 1 b 2 c 1 d 2 displaystyle left begin array l a 1 b 2 c 1 d 2 end array right Sustituyendo los coeficientes estequimetricos en la ecuacion de la reaccion se obtiene la ecuacion ajustada de la reaccion C H 4 2 O 2 C O 2 2 H 2 O displaystyle mathrm CH 4 2 O 2 to CO 2 2 H 2 O Esta dice que 1 molecula de metano reacciona con 2 moleculas de oxigeno para dar 1 molecula de dioxido de carbono y 2 moleculas de agua Al fijar arbitrariamente un coeficiente e ir deduciendo los demas pueden obtenerse valores racionales no enteros En este caso se multiplican todos los coeficientes por el minimo comun multiplo de los denominadores En reacciones mas complejas como es el caso de las reacciones redox se emplea el metodo del ion electron Balanceo de las ecuaciones redox Editar Las reacciones electroquimicas se pueden balancear por el metodo ion electron donde la reaccion global se divide en dos semirreacciones una de oxidacion y otra de reduccion se efectua el balance de carga y elemento agregando H OH H2O y o electrones para compensar los cambios de oxidacion Antes de empezar a balancear se tiene que determinar en que medio ocurre la reaccion debido a que se procede de una manera en particular para cada medio Medio acido Editar Se explicara por medio de un ejemplo cuando manganesica reacciona con bismutato de sodio El primer paso es escribir la reaccion sin balancear Mn 2 aq NaBiO 3 s Bi 3 aq MnO 4 aq displaystyle ce Mn 2 aq NaBiO3 s gt Bi 3 aq MnO4 aq Luego se divide en dos semirreacciones Reduccion Mn 2 aq MnO 4 aq displaystyle ce Mn 2 aq gt MnO4 aq Oxidacion BiO 3 s Bi 3 aq displaystyle ce BiO3 s gt Bi 3 aq Cada semirreaccion se balancea de acuerdo con el numero y tipo de atomos y cargas Como estamos en medio acido los iones H se agregan para balancear los atomos de H y se agrega H2O para balancear los atomos de O Reduccion 4 H 2 O l Mn 2 aq MnO 4 aq 8 H aq 5 e displaystyle ce 4 H2O l Mn 2 aq gt MnO4 aq 8 H aq 5 e Oxidacion 2 e 6 H aq BiO 3 s Bi 3 aq 3 H 2 O l displaystyle ce 2 e 6 H aq BiO3 s gt Bi 3 aq 3 H 2O l Finalmente se multiplica cada semirreaccion por un factor para que se cancelen los electrones cuando se sumen ambas semireacciones Reduccion 8 H 2 O l 2 Mn 2 aq 2 MnO 4 aq 16 H aq 10 e displaystyle ce 8 H2O l 2 Mn 2 aq gt 2 MnO4 aq 16 H aq 10 e Oxidacion 10 e 30 H aq 5 BiO 3 s 5 Bi 3 aq 15 H 2 O l displaystyle ce 10 e 30 H aq 5 BiO3 s gt 5 Bi 3 aq 15 H2O l Reaccion balanceada 14 H aq 2 Mn 2 aq 5 NaBiO 3 s 7 H 2 O l 2 MnO 4 aq 5 Bi 3 aq 5 Na aq displaystyle ce 14 H aq 2 Mn 2 aq 5 NaBiO3 s gt 7 H2O l 2 MnO4 aq 5 Bi 3 aq 5 Na aq En algunos casos es necesario agregar contraiones para terminar de balancear la ecuacion Para este caso si se conociera el anion de la sal magnesica ese seria el contraion Se agrega por igual de ambos lados de la ecuacion para terminar de balancearla Medio basico Editar Tambien se explicara por medio de un ejemplo cuando el permanganato de potasio reacciona con el sulfito de sodio El primer paso es escribir la reaccion sin balancear K M n O 4 N a 2 S O 3 H 2 O M n O 2 N a 2 S O 4 K O H displaystyle KMnO 4 Na 2 SO 3 H 2 O longrightarrow MnO 2 Na 2 S O 4 KOH Luego se divide en dos semirreacciones Reduccion M n O 4 M n O 2 displaystyle MnO 4 longrightarrow MnO 2 Oxidacion S O 3 2 S O 4 2 displaystyle SO 3 2 longrightarrow SO 4 2 Cada semirreacion se balancea de acuerdo con el numero y tipo de atomos y cargas Como estamos en medio alcalino los OH se agregan para balancear los atomos de H y normalmente se agrega la mitad de moleculas de H2O del otro lado de la semirreaccion para balancear los atomos de O Reduccion 3e 2H 2 O MnO 4 MnO 2 4OH displaystyle mbox 3e mbox 2H 2 mbox O mbox MnO 4 rightarrow mbox MnO 2 mbox 4OH Oxidacion 2OH SO 3 2 SO 4 2 H 2 O 2e displaystyle mbox 2OH mbox SO 3 2 rightarrow mbox SO 4 2 mbox H 2 mbox O mbox 2e Finalmente se multiplica cada semirreacion por un factor para que se cancelen los electrones cuando se sumen ambas semireacciones Reduccion 6e 4H 2 O 2MnO 4 2MnO 2 8OH displaystyle mbox 6e mbox 4H 2 mbox O mbox 2MnO 4 rightarrow mbox 2MnO 2 mbox 8OH Oxidacion 6OH 3SO 3 2 3SO 4 2 3H 2 O 6e displaystyle mbox 6OH mbox 3SO 3 2 rightarrow mbox 3SO 4 2 mbox 3H 2 mbox O mbox 6e Ecuacion balanceada Reaccion balanceada 2KMnO 4 3Na 2 SO 3 H 2 O 2MnO 2 3Na 2 SO 4 2KOH displaystyle mbox 2KMnO 4 mbox 3Na 2 mbox SO 3 mbox H 2 mbox O rightarrow mbox 2MnO 2 mbox 3Na 2 mbox SO 4 mbox 2KOH En este caso se agregaron contraiones para terminar de balancear la ecuacion los cationes K y Na Mezcla proporciones y condiciones estequiometricas EditarCuando los reactivos de una reaccion estan en cantidades proporcionales a sus coeficientes estequiometricos se dice La mezcla es estequiometrica Los reactivos estan en proporciones estequiometricas La reaccion tiene lugar en condiciones estequiometricas Las tres expresiones tienen el mismo significado En estas condiciones si la reaccion es completa todos los reactivos se consumiran dando las cantidades estequiometricas de productos correspondientes Si no en esta forma existira el reactivo limitante que es el que esta en menor proporcion y que con base en el se trabajan todos los calculos Ejemplo Que cantidad de oxigeno es necesaria para reaccionar con 100 gramos de carbono produciendo dioxido de carbono Masa atomica del oxigeno 15 9994 Masa atomica del carbono 12 0107 dd La ecuacion quimica que representa la reaccion quimica es C s O 2 g C O 2 g displaystyle mathrm C s O 2 g longrightarrow CO 2 g Se tienen las siguientes equivalencias a partir de la reaccion quimica y las masas atomicas citadas 12 0107 g r a m o s d e C 1 m o l d e a t o m o s d e C 1 m o l d e a t o m o s d e c a r b o n o 1 m o l d e m o l e c u l a s d e o x i g e n o 1 m o l d e m o l e c u l a s d e o x i g e n o 31 9988 g r a m o s d e o x i g e n o displaystyle begin array rcl 12 0107 gramos de C amp amp 1 mol de acute a tomos de C 1 mol de acute a tomos de carbono amp equiv amp 1 mol de mol acute e culas de ox acute imath geno 1 mol de mol acute e culas de ox acute imath geno amp amp 31 9988 gramos de ox acute imath geno end array Esta ultima relacion es consecuencia de la formula quimica del oxigeno molecular O 2 displaystyle O 2 1 m o l d e m o l e c u l a s d e o x i g e n o 2 15 9994 g r a m o s d e o x i g e n o displaystyle 1 mol de mol acute e culas de ox acute imath geno 2 cdot 15 9994 gramos de ox acute imath geno Entonces para determinar la masa de oxigeno podemos realizar los siguientes pasos determinamos las moles de atomos de carbono primer factor con estas moles facilmente determinamos las moles de moleculas de oxigeno segundo factor a partir de coeficientes de la ecuacion quimica y finalmente obtenemos la masa de oxigeno tercer factor x 100 g d e C 1 m o l d e C 12 0107 g d e C 1 m o l d e O 2 1 m o l d e C 31 9988 g d e O 2 1 m o l d e O 2 displaystyle x 100 g de C cdot frac 1 mol de C 12 0107 g de C cdot frac 1 mol de O 2 1 mol de C cdot frac 31 9988 g de O 2 1 mol de O 2 realizadas las operaciones x 266 41 g r a m o s d e o x i g e n o displaystyle x mathrm 266 41 gramos de ox acute mathrm i geno Calculos estequiometricos EditarLos calculos estequiometricos se basan en las relaciones fijas de combinacion que hay entre las sustancias en las reacciones quimicas balanceadas Estas relaciones estan indicadas por los subindices numericos que aparecen en las formulas y por los coeficientes Este tipo de calculos es muy importante y se utilizan de manera rutinaria en el analisis quimico y durante la produccion de las sustancias quimicas en la industria Los calculos estequiometricos requieren una unidad quimica que relacione las masas de los reactantes con las masas de los productos Esta unidad quimica es el mol Ejemplo de la vida diaria La estequiometria la podemos usar por ejemplo cuando vamos al medico porque tenemos un dolor ocasionado por una infeccion el doctor debe de sacar la cuenta de nuestro peso con los gramos que contiene el medicamento y sobre la base de esto sacar la medida exacta para saber cuantas pastillas o cuantos mililitros nos tenemos que tomar de dichos medicamentos Vease tambien EditarEcuacion quimica Mol Reactivo limitante Ley de conservacion de la materia Leyes estequiometricas Formula quimica calculadora de estequiometriaReferencias Editar Quimica II un enfoque constructivista 2007 Pearson Educacion p 31 Bibliografia EditarCaballero Hurtado Agustin 2006 Como resolver problemas de estequiometria Editorial Filarias p 132 ISBN 978 84 932488 8 8 Lozano Lucena J J Rodriguez Rigual C 1992 Quimica 3 estequiometria Pearson Alhambra p 64 ISBN 978 84 205 2142 8 La referencia utiliza el parametro obsoleto coautores ayuda Muller Ara Blesa Antonio 1965 Fundamentos de estequiometria Editorial Acribia S A p 345 ISBN 978 84 200 0174 6 La referencia utiliza el parametro obsoleto coautores ayuda Datos Q213185 Obtenido de https es wikipedia org w index php title Estequiometria amp oldid 138894192, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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