Estequiometria

Química (1S, Grado Biología) UAM 1.Estequiometría
1. Estequiometría1. Estequiometría

Química (1S, Grado Biología) UAM 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 composiciónSu composición --proporción de las sustancias que laproporción de las sustancias que la
componencomponen-- 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 igualesFormada por moléculas iguales ––en algunos casos por átomos, p.ej. C, Fe, Auen algunos casos por átomos, p.ej. C, Fe, Au--..
•• Cada molécula está formada por átomosCada molécula está formada por átomos
–– Su composiciónSu composición ––proporción de los átomos que la componenproporción 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 componentesIndependientes de las de sus componentes ––atomosatomos--..
•• 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 sustanciasProceso por el que un conjunto de sustancias --reactivosreactivos-- se transformase transforma
en otro conjunto de sustanciasen otro conjunto de sustancias ––productos.productos.
–– Transcurre normalmente con cambios notables de las propiedades fTranscurre normalmente con cambios notables de las propiedades físicasísicas
•• cambio de color; formación de precipitado; desprendimiento de gacambio de color; formación de precipitado; desprendimiento de gas;s;
desprendimiento o absorción de calordesprendimiento o absorción de calor
•• En caso contrario hay que hacer análisis químico para saber si hEn caso contrario hay que hacer análisis químico para saber si ha tenido lugara 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 atómicoInterpretación en términos atómico--molecularesmoleculares
(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 pasosen 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 coeficientmoléculas de reactivos también es la indicada por los coeficienteses
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 reacSi la reacción tiene lugar en varios pasos (mecanismo de la reacción),ción),
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 sustanciade moléculas de cada sustancia ––por definición de molpor definición de mol--..
•• NNAA, el número de, el número de AvogadroAvogadro, 6,0221418 x 10, 6,0221418 x 102323 moléculas/molmoléculas/mol
•• P.ejP.ej., 2,016 g de H., 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 entreLas cantidades macroscópicas de reactivos que reaccionan entre
sí guardan la misma proporción que los coeficientessí guardan 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 ajuSi un elemento aparece en un solo compuesto en cada lado, se ajustanstan
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 últSi un reactivo o producto es un elemento libre, se ajusta en último lugarimo lugar
–– Los demás coeficientes se van adaptado, por tanteo, al resultadoLos demás coeficientes se van adaptado, por tanteo, al resultado deldel
primer pasoprimer paso
–– Pueden usarse coeficientes fraccionarios; al final pueden converPueden usarse coeficientes fraccionarios; al final pueden convertirsetirse
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 oxidaciónSe verán en el Tema 9. Reacciones de oxidación--reducción.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 yy
4,00 mol de H4,00 mol de H22. Se hace saltar una chispa y se produce la reacción. Se hace saltar una chispa y se produce la reacción
de formación de Hde formación 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 indicanLos coeficientes estequiométricos de la ecuación química indican las proporcioneslas proporciones
de moles de reactivos quede moles de reactivos que puedenpueden reaccionar y las proporciones molares dereaccionar y las proporciones molares de
productos que se formarán.productos que se formarán.
•• Cuando se prepara una mezcla de reactivos de modo que los molesCuando se prepara una mezcla de reactivos de modo que los moles
de los mismos guardan la misma proporción que los coeficientesde los mismos guardan la misma proporción que los coeficientes
estequiométricos, se dice que es unaestequiométricos, se dice que es una mezcla estequiométricamezcla estequiométrica, o, o
que los reactivos están enque los reactivos están en proporciones estequiométricasproporciones estequiométricas..
–– En este caso, todos los reactivos presentes se consumen completaEn este caso, todos los reactivos presentes se consumen completamentemente
en la reacción.en 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 proporcióEn estos casos, el reactivo que está presente en menor proporciónn
(respecto a la estequiométrica) se consume totalmente en la reac(respecto a la estequiométrica) se consume totalmente en la reacción yción y
determina las cantidades que se consumen de los otros reactivosdetermina las cantidades que se consumen de los otros reactivos y lasy las
que se forman de productos.que 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; reactivo limitante:Hlimitante:H22

Ejemplo:Ejemplo: Con el objeto de determinar el valor energético de la glucosa, sCon el objeto de determinar el valor energético de la glucosa, se realizae realiza
un experimento de combustión completa de la misma. Se preparan 2un experimento de combustión completa de la misma. Se preparan 2,30 g de glucosa,30 g de glucosa
y 2,30 g de oxígeno. ¿Cuánta glucosa y cuánto oxígeno se esperay 2,30 g de oxígeno. ¿Cuánta glucosa y cuánto oxígeno se espera que reaccionen?que reaccionen?
¿Cuál es el reactivo limitante?¿Cuál es el reactivo limitante? [[MasasMasas atómicasatómicas: H 1,008; C 12,01; O 16,00]: 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 factorEn el transcurso real de una reacción química suele haber factores que hacen quees que hacen que
se obtenga una cantidad de productos menor que la correspondientse obtenga una cantidad de productos menor que la correspondiente a lae a la
estequiometría de la reacción.estequiometría de la reacción. P.ejP.ej., la existencia de otras reacciones secundarias., la existencia de otras reacciones secundarias
competitivas que generan subproductos.competitivas que generan subproductos.
•• Rendimiento teóricoRendimiento teórico (de un producto):(de un producto): es la cantidad de ese productoes la cantidad de ese producto
queque se espera obtenerse espera obtener, por la estequiometría de la reacción, a partir, por la estequiometría de la reacción, a partir
de unas cantidades dadas de reactivos.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 realRendimiento real (de un producto):(de un producto): es la cantidad de ese producto quees la cantidad de ese producto que
se obtienese obtiene 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 yUna reacción con rendimiento ~100% se dice que es cuantitativa y se puedese puede
utilizar para realizar análisis químicos cuantitativosutilizar para realizar análisis químicos cuantitativos
rendimiento real
rendimiento (porcentual)= ×100%
rendimiento teórico

Ejemplo:Ejemplo: La urea,La urea, CO(NHCO(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 convenienamoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica,cia metodológica,
se prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amonse prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido deiaco/dióxido de
carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g decarbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol deurea por mol de
dióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y eldióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentualrendimiento porcentual
de la reacción.de la reacción. [[MasasMasas atómicasatómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]: 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,La urea, CO(NHCO(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 convenienamoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica,cia metodológica,
se prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amonse prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido deiaco/dióxido de
carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g decarbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol deurea por mol de
dióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y eldióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentualrendimiento porcentual
de la reacción.de la reacción. [[MasasMasas atómicasatómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]: 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 dióxidoSi la síntesis industrial de urea a partir de amoniaco y dióxido de carbonode carbono
tiene un rendimiento del 79,4%, ¿qué masas de amoniaco y de dióxtiene un rendimiento del 79,4%, ¿qué masas de amoniaco y de dióxido de carbono seido de carbono se
consumen para producir 1000consumen para producir 1000 kgkg de urea?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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