Estequiometría

La ecuación ajustada es el punto de partida

En N₂ + 3H₂ → 2NH₃, una molécula de N₂ reacciona con tres moléculas de H₂ para formar dos moléculas de NH₃. La misma relación se aplica a los moles:

La relación no significa que 1 g de N₂ reaccione con 3 g de H₂, porque sustancias distintas tienen masas molares distintas.

Ejemplo resuelto de masa a masa

Supongamos que 10,0 g de H₂ reaccionan con N₂ en exceso. Utilizando M(H₂) ≈ 2,016 g·mol⁻¹:

Escribir las unidades en cada etapa hace visible la lógica dimensional y permite detectar muchos errores de planteamiento.

Reactivo limitante y rendimiento teórico

Cuando se conocen las cantidades de varios reactivos, calcula cuánto producto podría formar cada uno. La menor cantidad prevista corresponde al reactivo limitante.

El rendimiento teórico es la cantidad máxima de producto permitida por la estequiometría a partir del reactivo limitante. El reactivo en exceso permanece después de consumirse el reactivo limitante.

Rendimiento real y rendimiento porcentual

En un experimento real puede perderse producto, la reacción puede no completarse o pueden formarse productos secundarios. El rendimiento porcentual compara la cantidad recuperada con el máximo teórico:

Un rendimiento superior al 100 % suele indicar un producto húmedo o impuro, un error de medida o una composición supuesta incorrecta; no significa que la reacción haya creado materia adicional.

Calculadora de relación molar

La calculadora realiza únicamente el paso de la relación molar. Un problema completo sigue requiriendo una ecuación ajustada y las conversiones necesarias de masa, volumen o concentración.

Disoluciones, gases y estequiometría

En una disolución, la cantidad de sustancia puede obtenerse mediante n = cV cuando la concentración c se expresa en mol·L⁻¹ y el volumen V en litros. La cantidad de un gas puede obtenerse con una ecuación de estado adecuada y relacionarse después mediante la reacción ajustada.

La regla central no cambia: convertir la magnitud medida en moles, aplicar la relación de coeficientes y convertir después a la magnitud solicitada.

Reactivo en exceso y cantidad sobrante

Después de identificar el reactivo limitante, la cantidad de reactivo en exceso consumida se calcula con la misma relación molar. Al restarla de la cantidad inicial se obtiene lo que queda.

Para N₂ + 3H₂ → 2NH₃ con 2,00 mol de N₂ y 4,00 mol de H₂, el hidrógeno es limitante. Consumir 4,00 mol de H₂ requiere 4,00/3 = 1,33 mol de N₂, por lo que quedan 0,67 mol N₂.

Este cálculo de la cantidad sobrante es importante en el diseño de reactores y la planificación de laboratorio, porque el reactivo en exceso puede influir en la purificación, el coste y la seguridad.

Estequiometría en disolución y valoración

Si se conocen la concentración c y el volumen V, la cantidad de sustancia en disolución es n = cV. Una vez calculados los moles, la ecuación ajustada proporciona la relación estequiométrica igual que en un problema de masas.

Una valoración mide el volumen necesario para alcanzar el punto estequiométrico de reacción. El cambio de color de un indicador o una señal instrumental permite localizar un punto final experimental próximo al punto de equivalencia.

Estequiometría de gases

Las cantidades de gas pueden convertirse en moles mediante una ecuación de estado como PV = nRT cuando el comportamiento de gas ideal es una aproximación adecuada. A la misma temperatura y presión, los volúmenes gaseosos son proporcionales a las cantidades en moles, por lo que los coeficientes ajustados también pueden interpretarse como relaciones de volumen.

Para 2H₂ + O₂ → 2H₂O(g), dos volúmenes de H₂ reaccionan con un volumen de O₂ para producir dos volúmenes de vapor de agua a la misma T y P, siempre que los gases se comporten idealmente y el agua permanezca en fase gaseosa.

Pureza, hidratos y fórmula química realmente presente

Una muestra pesada puede no ser reactivo puro. Si un sólido contiene un 92,0 % en masa del compuesto activo, solo 0,920 veces la masa de la muestra debe utilizarse en el cálculo de moles de ese compuesto.

Las sales hidratadas requieren utilizar la masa molar del hidrato real. CuSO₄·5H₂O y CuSO₄ anhidro contienen la misma cantidad de CuSO₄ por mol de unidades fórmula, pero fracciones másicas muy distintas porque la masa del hidrato incluye cinco moléculas de agua.

Muchos errores que parecen estequiométricos son en realidad errores en la fórmula o en la composición de la muestra cometidos antes incluso de aplicar la relación de coeficientes.

El avance de reacción unifica todos los cambios estequiométricos

Para un tratamiento más avanzado, el avance de reacción ξ mide cuánto ha progresado una reacción ajustada. Si νᵢ es el coeficiente estequiométrico con signo de la especie i, su cantidad cambia según Δnᵢ = νᵢξ.

Para N₂ + 3H₂ → 2NH₃, un avance de 1,00 mol consume 1,00 mol de N₂ y 3,00 mol de H₂ y produce 2,00 mol de NH₃. Las conocidas relaciones molares son la forma por componentes de esta única relación.

Cifras significativas y coeficientes exactos

Los coeficientes estequiométricos de una ecuación correctamente ajustada son enteros exactos para la reacción indicada y no limitan las cifras significativas. La precisión de la medida procede de masas, volúmenes, concentraciones y masas molares.

Conserva cifras adicionales en los pasos intermedios y redondea al final. Un redondeo prematuro puede alterar de forma apreciable la comparación de reactivos limitantes cuando dos cantidades previstas de producto son próximas.

Ejercicios

Relación molar

Para 2H₂ + O₂ → 2H₂O, ¿cuántos moles de H₂O pueden formarse a partir de 3,0 mol de O₂ con H₂ en exceso?

Reactivo limitante

Para N₂ + 3H₂ → 2NH₃, ¿qué reactivo es limitante: 1,0 mol de N₂ o 2,0 mol de H₂?

Rendimiento porcentual

El rendimiento teórico es 25,0 g y el rendimiento real 20,0 g. Calcula el rendimiento porcentual.