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Ciencias

El factor estequiométrico

Instrumental químico que sirve entre otras cosas para poner a los reactivos en relación exacta
Instrumental químico para medir reactivos

El factor estequiométrico es la herramienta básica que relaciona los coeficientes estequiométricos de dos sustancias en una reacción. Por ejemplo si tenemos una reacción de tipo.

2·A + B  →  3·C

Se pueden extraer los siguientes factores estequiométricos:

  • Factor C/B = 3, se producen 3 moles de C por cada mol de B.

  • Factor C/A = 3/2, se producen 3 moles de C por cada 2 moles de A.

  • Factor A/B = 2, se consumen 2 moles de A por cada mol de B. 

Aplicaciones del factor estequiométrico

A partir de la ecuación química anterior y sus factores estequiométricos se pueden realizar cálculos para determinar cantidades de reactivos o productos a partir de las cantidades conocidas del resto de sustancias de la reacción química.

2·A + B  →  3·C

1º Cantidad necesaria de un reactivo para completar una reacción. 

Se tienen 2,75 moles del reactivo A y se necesita conocer el número de moles del reactivo B necesario para que se consuma el reactivo A.

Moles de B = coef  B/coef  A x Moles de A = factor B/A x Moles de A = ½ x 2,75 = 1,375 moles de B.

 

2º Cantidad de un producto que va a originarse a partir de la cantidad conocida de un reactivo. 

Se tienen 1,85 moles de B y se quiere calcular cuántos moles de C se producirán, considerando que la cantidad de A es suficiente para que se complete totalmente la reacción.

Moles de C = coef  C/coef  B x Moles de B = factor C/B x Moles de B =3/1 x 1,85 = 5,55 moles de C.

 

Lo anterior sólo han sido ejemplos aislados para explicar el funcionamiento del factor estequiométrico, su importancia viene dada porque en la práctica real del laboratorio lo que se manejan son masas de sustancias no cantidades de moles, y el factor estequiómetrico ayudará a poner en relación a los reactivos y productos, tomando como datos iniciales sus respectivas masas. Con ello podremos determinar, por ejemplo, qué masa de producto obtendremos o cuánto reactivo necesitaremos para consumir todos los reactivos presentes y completar la reacción, etc…

Tutorial. Masa de producto a partir de las masas de los reactivos.

Se tienen en una muestra 75 g de furano, fórmula química C4H4O, que se queman con exceso de oxígeno O2, por lo que se desea conocer cuánta cantidad en gramos que se producirían de dióxido de carbono CO2 y vapor de agua H2O.

Datos:

Pesos atómicos: C = 12,011g/mol,    H = 1,008 g/mol,   O = 15,999 g/mol

cantidad de furano: 75 g

Reacción: C4H4O(l) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)

1º Determinar los coeficientes estequiométricos.

– El carbono solo se encuentra en el furano y en el CO2. Si en el furano hay cuatro átomos de C, y en el CO2 solo 1, forzosamente se tienen que generar 4 moles de CO2 por cada mol de furano.

C4H4O(l) + O2 (g) → 4·CO2 (g) + H2O (g)

– El hidrógeno, solo proviene del furano, si en él hay 4 átomos de H, también deberá haberlos en a parte de los productos, como en la parte de los productos solo hay H en el H2O (g) y éste solo contiene 2 átomos entonces su coeficiente será:

átomos de H del furano = Coef H2O x átomos de H del agua

Coef H2O = 4 átomos de H del furano / 2 átomos H del agua = 2

Y la ecuación química queda así:

C4H4O(l) + O2 (g) → 4·CO2 (g) + 2·H2O (g)

– El O2, como la cantidad de átomos de O debe ser la misma en la parte de los reactivos y en la de los productos tenemos que:

Coef C4H4O x átomos de O del C4H4O   +   Coef O2 x átomos de O del O2 = 4 x átomos de O del CO2 + 2 x átomos de O del H2O

Coef O2 = (4 x átomos de O del CO2 + 2 x átomos de O del H2O – 1 átomo de O del furano) / átomos de O del O2

Coef O2 = (4 x 2 + 2 x1 – 1)/ 2 = 9/2

Y la ecuación queda definitivamente así:

C4H4O(l) + 9/2·O2 (g) → 4·CO2 (g) + 2·H2O (g)

 

2º Determinar las masas molares de cada sustancia:

M furano = número de C x Peso atómico C + número de H x Peso atómico H + número de O x Peso atómico O

M furano = 4 x 12,011 + 4 x 1,008 + 1 x 15,999 = 68,075 g

de igual manera se procede para los productos

M CO2 = 1 x masa C + 2 x masa O = 1 x 12,011 + 2 x 15,999 = 44,01g

M H2O = 2 x masa H + 1 x masa O = 2 x 1,008 + 1 x 15,999 = 18,015g

M O2 = 2 x masa O = 2 x 15,999 = 31,998g

 

3º Determinar los moles de furano en la muestra.

Moles furano, n furano = m furano / M furano = 75 / 68,075 = 1,1 moles

 

4º Determinar los moles de los productos con los correspondientes factores estequiométricos.

Moles CO2, n CO2 = nfurano x factor CO2/furano = n furano x Coef CO2 / Coef furano = 1,1 x 4/1 = 4,4 moles

Moles H2O, n H2O = n furano x factor H2O/furano = n furano x Coef H2O / Coef furano = 1,1 x 2/1 = 2,2 moles

 

5º Determinar las masas de los productos producidos y la masa total producida.

m CO2 = n CO2 x M CO2 = 4,4 x 44,01 = 193,64 g

m H2O = n H2O x M H2O = 2,2 x 18,015 = 39,63 g

m total = m CO2 + m H2O = 193,64 + 39,63 = 233,27 g

 

6º Comprobar que el resultado es correcto.

De acuerdo a la ley de la conservación de la materia, se debe cumplir que la masa total de los reactivos consumidos es igual a la masa total de los productos generados. Entonces se calcula la masa total de los reactivos y se compara su valor con el de los productos.

m reactivos = m productos

m furano = 75g

m O2 = n O2 x M O2 = n furano x factor O2/ furano x M O2 = 1,1 x 9/2/1 x 31,998 = 158,39g

m reactivos = m furano  +  m O2 = 75 + 158,39 = 233,39 g

Los resultados son correctos, prácticamente la masa total de los reactivos es la misma que la de los productos, esa pequeña diferencia se debe a los redondeos en los cálculos intermedios.

Tutorial. Ajuste de reacción química a partir de datos como el volumen o la densidad.

El óxido de etileno es un compuesto orgánico básico para la fabricación de muchos productos de diversa aplicación; uno de sus usos es la síntesis de etilenglicol, que es un anticongelante ampliamente usado en los sistemas de refrigeración de los vehículos, se obtiene haciendo reaccionar el óxido de etileno con agua.

C2H4O + H2O → C2H6O (ecuación balanceada)

Si se tienen en el laboratorio 100 ml de óxido de etileno, ¿cuánta agua pura haría falta para convertirlo completamente en etilenglicol?

Datos

Pesos atómicos: C = 12,011g/mol,   H = 1,008 g/mol,   O = 15,999 g/mol

Volumen óxido de etileno: 100 ml

Densidades: oxido de etileno = 0,899 g/ml;    agua = 0,997 g/ml

Masa molar agua: 18,015 g/mol

Resolución

1º Determinar las masa molar del óxido de etileno.

MC2H4O = número C x Peso atómico C + número H x Peso atómico H + número O x Peso atómico O

MC2H4O = 2 x 12,011 + 4 x 1,008 + 1 x 15,999 = 44,053 g

 

2º Determinar los moles de oxido de etileno.

  • Obtener la masa del óxido a partir del volumen y su densidad.

    Masa C2H4O = Volumen(ml) x densidad(g/ml) = 100 x 0,899 = 89,9g

  • Cantidad de moles del óxido.

    nC2H4O = masa C2H4O / M C2H4O = 89,9/44,053 = 2,04 moles

 

3º Determinar el volumen de agua necesario.

Factor estequiométrico: C2H4O /H2O,   Fac = Coef C2H4O / Coef H2O = 1/1 = 1

Debido a que la relación molar entre los reactivos es 1 a 1, entonces:

n H2O = n C2H4O = 2,04 moles

Masa de agua masa H2O = nH2O x MH2O = 2,04 x 18,015 = 36,8g

Volumen agua VH2O = masaH2O / densidadH2O = 36,8 / 0,997 = 36,9 ml

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