1 estequiometria

Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 1.Estequiometría
1. Estequiometría1. Estequiometría

Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 1.Estequiometría 2
ContenidosContenidos
• Reacciones químicas y ecuaciones químicasReacciones químicas y ecuaciones químicas
– Mezclas y sustancias puras; compuestos y elementos; moléculas yMezclas y sustancias puras; compuestos y elementos; moléculas y
átomos; ionesátomos; iones
– Reacciones químicas; estequiometría; ecuaciones químicasReacciones químicas; estequiometría; ecuaciones químicas
• Ajustes de ecuaciones químicasAjustes de ecuaciones químicas
– Reacciones sencillasReacciones sencillas
• Reactivo limitanteReactivo limitante
• Rendimiento de las reacciones químicasRendimiento de las reacciones químicas

Bibliografía recomendadaBibliografía recomendada
• Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S.
Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, 2003).
– Secciones 1.3, 1.4, 4.1, 4.2, 4.4, 4.5

Reacciones químicas yReacciones químicas y
ecuaciones químicasecuaciones químicas

Clasificación de la materia hasta el nivel atómicoClasificación de la materia hasta el nivel atómico
MateriaMateria
¿puede separarse por un proceso físico?¿puede separarse por un proceso físico?
MezclaMezcla SustanciaSustancia
SÍSÍ NONO
¿puede descomponerse¿puede descomponerse
por un proceso químico?por un proceso químico?
NONOSÍSÍ
ElementoElementoCompuestoCompuesto
¿es homogénea?¿es homogénea?
NONOSÍSÍ
MezclaMezcla
heterogéneaheterogénea
DisoluciónDisolución
LecheLeche HH22O (l)O (l)
CC66HH1212OO66 (s)(s)
HH22 (g)(g)
OO22 (g)(g)
C (s)C (s)
DisoluciónDisolución
de glucosade glucosa
0,83 M0,83 M SangreSangre
(suspensiones)(suspensiones)
[Lectura: Petrucci 1.4]

Clasificación de la materia hasta el nivel atómicoClasificación de la materia hasta el nivel atómico
• MezclaMezcla (Ej. mezcla gaseosa de O(Ej. mezcla gaseosa de O22 y Hy H22))
– Formada por sustancias (compuestos o elementos)Formada por sustancias (compuestos o elementos)
– Se pueden separar por procedimientos físicosSe pueden separar por procedimientos físicos
– Su composición -Su composición -proporción de las sustancias que laproporción de las sustancias que la
componen-componen- puede variarpuede variar
– Sus propiedades físicas se relacionan con las de lasSus propiedades físicas se relacionan con las de las
sustancias que la componensustancias que la componen
• SustanciaSustancia (Ej. H(Ej. H22O en estado líquido)O en estado líquido)
– Formada por moléculas iguales –Formada por moléculas iguales –en algunos casos por átomos, p.ej. C, Fe, Au-en algunos casos por átomos, p.ej. C, Fe, Au-..
• Cada molécula está formada por átomosCada molécula está formada por átomos
– Su composición –Su composición –proporción de los átomos que la componen-proporción de los átomos que la componen- es fijaes fija
• Determinada por números enteros (fórmula molecular)Determinada por números enteros (fórmula molecular)
– Cada sustancia (compuesto o elemento) tiene unas propiedadesCada sustancia (compuesto o elemento) tiene unas propiedades
físicas únicasfísicas únicas
• Independientes de las de sus componentes –atomos-.Independientes de las de sus componentes –atomos-.
• Útiles para su identificación (análisis).Útiles para su identificación (análisis).

Reacciones químicasReacciones químicas

Reacciones químicasReacciones químicas
• Dos o más moléculas distintas pueden intercambiar algunos de susDos o más moléculas distintas pueden intercambiar algunos de sus
átomos y dar lugar a nuevas moléculasátomos y dar lugar a nuevas moléculas
• Reacción químicaReacción química
– Proceso por el que un conjunto de sustancias -reactivos- se transformaProceso por el que un conjunto de sustancias -reactivos- se transforma
en otro conjunto de sustancias –productos.en otro conjunto de sustancias –productos.
– Transcurre normalmente con cambios notables de las propiedades físicasTranscurre normalmente con cambios notables de las propiedades físicas
• cambio de color; formación de precipitado; desprendimiento de gas;cambio de color; formación de precipitado; desprendimiento de gas;
desprendimiento o absorción de calordesprendimiento o absorción de calor
• En caso contrario hay que hacer análisis químico para saber si ha tenido lugarEn caso contrario hay que hacer análisis químico para saber si ha tenido lugar
una reacción químicauna reacción química

Reacciones químicas y ecuaciones químicasReacciones químicas y ecuaciones químicas
mezcla gaseosa de Omezcla gaseosa de O22 y Hy H22
HH22O en estado líquidoO en estado líquidochispachispa
2 2 2H ( ) + O ( ) H O( )g g l→1) Reactivos y productos:1) Reactivos y productos:
2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→2) Conservación de los átomos:2) Conservación de los átomos:
Cada molécula de OCada molécula de O22 reacciona con dos moléculas de Hreacciona con dos moléculas de H22
coeficientes estequiométricoscoeficientes estequiométricos

Ecuaciones químicas: estequiometríaEcuaciones químicas: estequiometría
2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→
• Interpretación en términos atómico-molecularesInterpretación en términos atómico-moleculares
(microscópicos)(microscópicos)
– Las moléculas de reactivos reaccionan entre sí, en la proporciónLas moléculas de reactivos reaccionan entre sí, en la proporción
indicada por los coeficientes estequiométricos de la izquierdaindicada por los coeficientes estequiométricos de la izquierda
• Intercambian átomosIntercambian átomos -en uno o en varios pasos--en uno o en varios pasos- y generan losy generan los
productosproductos
– La proporción de moléculas de productos generadas a partir deLa proporción de moléculas de productos generadas a partir de
moléculas de reactivos también es la indicada por los coeficientesmoléculas de reactivos también es la indicada por los coeficientes
estequiométricosestequiométricos
– Sólo se indica el resultado global de la reacciónSólo se indica el resultado global de la reacción
• Si la reacción tiene lugar en varios pasos (mecanismo de la reacción),Si la reacción tiene lugar en varios pasos (mecanismo de la reacción),
las moléculas que se generan temporalmente para ser consumidoslas moléculas que se generan temporalmente para ser consumidos
inmediatamente (intermedios de reacción) no se indicaninmediatamente (intermedios de reacción) no se indican

2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→
• Interpretación en términos molares (macroscópicos)Interpretación en términos molares (macroscópicos)
– Un mol de dos sustancias cualesquiera contiene el mismo númeroUn mol de dos sustancias cualesquiera contiene el mismo número
de moléculas de cada sustancia –por definición de mol-.de moléculas de cada sustancia –por definición de mol-.
• NNAA, el número de Avogadro, 6,0221418 x 10, el número de Avogadro, 6,0221418 x 102323
moléculas/molmoléculas/mol
• P.ej., 2,016 g de HP.ej., 2,016 g de H22 y 32,00 g de Oy 32,00 g de O22 tienen el mismo número detienen el mismo número de
moléculas con cuatro cifras significativas (6,022 x 10moléculas con cuatro cifras significativas (6,022 x 102323
moléculas)moléculas)
– Las cantidades macroscópicas de reactivos que reaccionan entre síLas cantidades macroscópicas de reactivos que reaccionan entre sí
guardan la misma proporción que los coeficientesguardan la misma proporción que los coeficientes
estequiométricos, si se expresan en molesestequiométricos, si se expresan en moles
– Las cantidades macroscópicas de productos que se generan aLas cantidades macroscópicas de productos que se generan a
partir de los reactivos guardan la misma proporción que lospartir de los reactivos guardan la misma proporción que los
coeficientes estequiométricos, si se expresan en molescoeficientes estequiométricos, si se expresan en moles

2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→
• ¿Con cuántos moles de H¿Con cuántos moles de H22 reaccionan 2,40 moles de Oreaccionan 2,40 moles de O22? ¿Cuántos? ¿Cuántos
moles de Hmoles de H22O producen?O producen?
2
2 2
2
2molH
2,40molO =4,80molH
1molO
×
2
2 2
2
2molH O
2,40molO =4,80molH O
1molO
×

2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→
• ¿Con cuántos gramos de H¿Con cuántos gramos de H22 reaccionan 38,4 gramos de Oreaccionan 38,4 gramos de O22? ¿Cuántos? ¿Cuántos
gramos de Hgramos de H22O producen? [Masas atómicas: H 1,008; O 16,00]O producen? [Masas atómicas: H 1,008; O 16,00]
2 2 2
2 2
2 2 2
1molO 2molH 2,016g H
38,4gO =4,84g H
32,00gO 1molO 1molH
× × ×
1,20 2,40
2 2 2
2 2
2 2 2
1molO 2molH O 18,02g H O
38,4gO =43,2g H O
32,00gO 1molO 1molH O
× × ×
[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.3-4.5] [Prob. 1.3]

Ajustes deAjustes de
ecuaciones químicasecuaciones químicas

Ajustes de ecuaciones químicas simplesAjustes de ecuaciones químicas simples
4 2 2 2CH + O CO + H O→
• Procedimiento de tanteoProcedimiento de tanteo
– Si un elemento aparece en un solo compuesto en cada lado, se ajustanSi un elemento aparece en un solo compuesto en cada lado, se ajustan
los coeficientes de dichos compuestos los primeroslos coeficientes de dichos compuestos los primeros
– Si un reactivo o producto es un elemento libre, se ajusta en último lugarSi un reactivo o producto es un elemento libre, se ajusta en último lugar
– Los demás coeficientes se van adaptado, por tanteo, al resultado delLos demás coeficientes se van adaptado, por tanteo, al resultado del
primer pasoprimer paso
– Pueden usarse coeficientes fraccionarios; al final pueden convertirsePueden usarse coeficientes fraccionarios; al final pueden convertirse
todos en enteros por multiplicación por un factor comúntodos en enteros por multiplicación por un factor común
1. C aparece en un solo compuesto en cada lado: 4 2 2 21 CH + O 1 CO + H O→
2. H aparece en un solo compuesto en cada lado: 4 2 2 21 CH + O CO + 2 H O→
3. Como consecuencia de 1+2: 4 2 2 21 CH + O 1 CO + 2 H O→
4. O aparece como elemento libre y lo ajustamos el último
4 2 2 2CH +2 O CO + 2 H O→

3 4 3 4 2 2H PO + CaO Ca (PO ) + H O→
Ejemplo:Ejemplo:
2 1P:
3 1Ca:
2 3H:
P,Ca,H: 2 313
O: ya está
3 4 3 4 2 22H PO +3 CaO Ca (PO ) + 3 H O→

6 12 6 2 2 2C H O + O CO + H O→
Ejemplo:Ejemplo: Reacción global de combustión metabólica completa de la glucosaReacción global de combustión metabólica completa de la glucosa
1 6C:
1 6H:
C,H: 1 66
O: 1 666
6 12 6 2 2 2C H O +6 O 6 CO +6 H O→
[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.1,4.2]

Ajustes de reacciones redoxAjustes de reacciones redox
• Reacciones entre especies cargadas: Además del balance deReacciones entre especies cargadas: Además del balance de
materia hay que tener en cuenta el balance de cargamateria hay que tener en cuenta el balance de carga
– Se verán en el Tema 9. Reacciones de oxidación-reducción.Se verán en el Tema 9. Reacciones de oxidación-reducción.

Reactivo limitanteReactivo limitante

2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l→
• En un recipiente cerrado se prepara una mezcla de 2,40 mol de OEn un recipiente cerrado se prepara una mezcla de 2,40 mol de O22 y 4,00y 4,00
mol de Hmol de H22. Se hace saltar una chispa y se produce la reacción de. Se hace saltar una chispa y se produce la reacción de
formación de Hformación de H22O indicada más arriba.O indicada más arriba.
– ¿Cuántos moles de O¿Cuántos moles de O22 reaccionan?reaccionan?
– ¿Cuántos moles de H¿Cuántos moles de H22 reaccionan?reaccionan?
– ¿Cuántos moles de H¿Cuántos moles de H22O se forman?O se forman?
2
2 2
2
2molH
2,40molO =4,80molH
1molO
×
1) 2,40 mol O2 podrían reaccionar con 4,80 mol H2, pero sólo hay presentes 4,00 mol H2;
luego se quedará O2 sobrante sin reaccionar.
2
2 2
2
1molO
4,00molH × =2,00molO
2molH
2) 4,00 mol H2 pueden reaccionar con 2,00 mol O2; como hay presentes 2,40 mol O2,
quedaran 0,40 mol O2 sobrantes sin reaccionar.
3) 4,00 mol H2 reaccionan con 2,00 mol O2 y producen 4,00 mol H2O.
4) El resultado de la reacción es que se consume todo el H2, se producen 4,00 mol H2O y
quedan presentes sin reaccionar 0,40 mol O2.
El HEl H22 actúa de “reactivo limitante”actúa de “reactivo limitante”

Los coeficientes estequiométricos de la ecuación química indican las proporciones deLos coeficientes estequiométricos de la ecuación química indican las proporciones de
moles de reactivos quemoles de reactivos que puedenpueden reaccionar y las proporciones molares de productosreaccionar y las proporciones molares de productos
que se formarán.que se formarán.
• Cuando se prepara una mezcla de reactivos de modo que los moles deCuando se prepara una mezcla de reactivos de modo que los moles de
los mismos guardan la misma proporción que los coeficienteslos mismos guardan la misma proporción que los coeficientes
estequiométricos, se dice que es unaestequiométricos, se dice que es una mezcla estequiométricamezcla estequiométrica, o que, o que
los reactivos están enlos reactivos están en proporciones estequiométricasproporciones estequiométricas..
– En este caso, todos los reactivos presentes se consumen completamente enEn este caso, todos los reactivos presentes se consumen completamente en
la reacción.la reacción.
Ej. 2,40 mol OEj. 2,40 mol O22 y 4,80 mol Hy 4,80 mol H22
• Normalmente se ponen a reaccionarNormalmente se ponen a reaccionar mezclas no estequiométricasmezclas no estequiométricas..
– En estos casos, el reactivo que está presente en menor proporciónEn estos casos, el reactivo que está presente en menor proporción
(respecto a la estequiométrica) se consume totalmente en la reacción y(respecto a la estequiométrica) se consume totalmente en la reacción y
determina las cantidades que se consumen de los otros reactivos y las quedetermina las cantidades que se consumen de los otros reactivos y las que
se forman de productos.se forman de productos.
– Se le denominaSe le denomina reactivo limitantereactivo limitante..
– Del resto de reactivos decimos que estánDel resto de reactivos decimos que están en excesoen exceso..
Ej. 2,40 mol OEj. 2,40 mol O22 y 4,00 mol Hy 4,00 mol H22; reactivo limitante:H; reactivo limitante:H22

Ejemplo:Ejemplo: Con el objeto de determinar el valor energético de la glucosa, se realizaCon el objeto de determinar el valor energético de la glucosa, se realiza
un experimento de combustión completa de la misma. Se preparan 2,30 g de glucosaun experimento de combustión completa de la misma. Se preparan 2,30 g de glucosa
y 2,30 g de oxígeno. ¿Cuánta glucosa y cuánto oxígeno se espera que reaccionen?y 2,30 g de oxígeno. ¿Cuánta glucosa y cuánto oxígeno se espera que reaccionen?
¿Cuál es el reactivo limitante? [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; O 16,00]¿Cuál es el reactivo limitante? [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; O 16,00]
1) Escribimos y ajustamos la reacción
6 12 6 2 2 2C H O +6 O 6 CO +6 H O→
2) Calculamos la cantidad (en g) de glucosa que reaccionaría con el oxígeno presente
2
2
2 2
1molO 1molgluc 180,16ggluc
2,30gO =2,15gglucosa
32,00gO 6molO 1molgluc
× × ×
3) Concluimos:
Reaccionarán 2,15 g glucosa y los 2,30 g O2; el reactivo limitante es el O2
[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.12,4.13] [Prob. 1.5]

RendimientoRendimiento

Rendimiento de las reacciones químicasRendimiento de las reacciones químicas
En el transcurso real de una reacción química suele haber factores que hacen que seEn el transcurso real de una reacción química suele haber factores que hacen que se
obtenga una cantidad de productos menor que la correspondiente a la estequiometría deobtenga una cantidad de productos menor que la correspondiente a la estequiometría de
la reacción. P.ej., la existencia de otras reacciones secundarias competitivas que generanla reacción. P.ej., la existencia de otras reacciones secundarias competitivas que generan
subproductos.subproductos.
• Rendimiento teóricoRendimiento teórico (de un producto):(de un producto): es la cantidad de ese producto quees la cantidad de ese producto que
se espera obtenerse espera obtener, por la estequiometría de la reacción, a partir de unas, por la estequiometría de la reacción, a partir de unas
cantidades dadas de reactivos.cantidades dadas de reactivos.
– depende de las cantidades de reactivos de que se partadepende de las cantidades de reactivos de que se parta
• Rendimiento realRendimiento real (de un producto):(de un producto): es la cantidad de ese producto quees la cantidad de ese producto que sese
obtieneobtiene realmente a partir de unas cantidades dadas de reactivos.realmente a partir de unas cantidades dadas de reactivos.
– depende de las cantidades de reactivos de que se partadepende de las cantidades de reactivos de que se parta
• Rendimiento porcentual, o rendimientoRendimiento porcentual, o rendimiento (de un producto):(de un producto):
– Es independiente de las cantidades de reactivos de que se partaEs independiente de las cantidades de reactivos de que se parta
– Una reacción con rendimiento ~100% se dice que es cuantitativa y se puede utilizar paraUna reacción con rendimiento ~100% se dice que es cuantitativa y se puede utilizar para
realizar análisis químicos cuantitativosrealizar análisis químicos cuantitativos
rendimiento real
rendimiento (porcentual)= ×100%
rendimiento teórico

Ejemplo:Ejemplo: La urea, CO(NHLa urea, CO(NH22))22, se sintetiza a escala industrial por reacción entre, se sintetiza a escala industrial por reacción entre
amoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica, seamoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica, se
prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido deprepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido de
carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol decarbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol de
dióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentualdióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentual
de la reacción. [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]de la reacción. [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]
1) Escribimos y ajustamos la reacción
( )3 2 2 22
2 NH + CO CO NH + H O→
2) Determinamos el reactivo limitante
La proporción estequiométrica NH3/CO2 es 2:1. Si se prepara una mezcla de
proporción molar 3:1, hay exceso de NH3 y el reactivo limitante es el CO2, que es
quien determina la cantidad de urea que se puede producir.
3) Calculamos el rendimiento teórico como la cantidad de urea que se puede producir a
partir de la cantidad de CO2 utilizada
2
2
1molurea 60,06g urea
1molCO =60,06g urea
1molCO 1molurea
× ×
Rendimiento teórico (de urea): 60,06 g

4) Determinamos el rendimiento real como la cantidad de urea realmente producida a
partir de la cantidad de CO2 utilizada
Rendimiento real (de urea): 47,7 g
5) Calculamos el rendimiento porcentual
Rendimiento porcentual (de urea): 79,4%
47,7g urea (producida)
100%= 79,4%
60,06g urea (producible)
×
Ejemplo:Ejemplo: La urea, CO(NHLa urea, CO(NH22))22, se sintetiza a escala industrial por reacción entre, se sintetiza a escala industrial por reacción entre
amoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica, seamoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica, se
prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido deprepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido de
carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol decarbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol de
dióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentualdióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentual
de la reacción. [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]de la reacción. [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]

Ejemplo:Ejemplo: Si la síntesis industrial de urea a partir de amoniaco y dióxido de carbonoSi la síntesis industrial de urea a partir de amoniaco y dióxido de carbono
tiene un rendimiento del 79,4%, ¿qué masas de amoniaco y de dióxido de carbono setiene un rendimiento del 79,4%, ¿qué masas de amoniaco y de dióxido de carbono se
consumen para producir 1000 kg de urea?consumen para producir 1000 kg de urea?
1) Calculamos la cantidad de urea que se produciría si el rendimiento fuese del 100%
rendimiento real
rendimiento teórico = ×100%
rendimiento porcentual
1000 kg urea
= ×100% =1260 kg urea
79,4%
2) Calculamos las cantidades de reactivos necesarias para producir esa urea; utilizamos
la estequiometría de la reacción global ajustada y las masas atómicas (ejemplo anterior)
3 3
3
3
2mol NH 17,03g NH1molurea 1000 g 1kg
1260 kg urea =715kg NH
60,06g urea 1kg 1molurea 1mol NH 1000 g
× × × × ×
2 2
2
2
1molCO 44,01gCO1molurea 1000 g 1kg
1260 kg urea =923kgCO
60,06g urea 1kg 1molurea 1molCO 1000 g
× × × × ×
[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.14,4.15] [Prob. 1.6]

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