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I – ESTEQUIOMETRÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS: ANEL ADAMES C. Como ya sabemos la palabra estequiometría significa cálculos de cantidades; específicamente en química nos interesan cantidades en gramos, moles y volúmenes. Al igual que se calculaban cantidades a partir de las fórmulas de los compuestos, ahora realizaremos cálculos a partir de ecuaciones químicas balanceadas. 1.1. Pasos Para Realizar Cálculos Estequiométricos En Reacciones: Para resolver cálculos estequiométricos en una reacción química es prioritario contar con la ecuación correspondiente correctamente balanceada, de no ser así lo primero que hacemos es balancear la ecuación. La importancia de contar con la ecuación balanceada estriba en el hecho de que para relacionar los reactivos y productos utilizamos los coeficientes de dicha ecuación (relaciones molares o razones molares). La razón molar es un factor de conversión que leemos de la ecuación balanceada, el cual nos permitirá relacionar los moles de un reactivo con otro reactivo, los moles de un reactivo con los moles de un producto, o los moles de un producto con los moles de otro producto. En general, los pasos a seguir para resolver cálculos estequiométricos basados en reacciones son: 1. Convertir la cantidad que nos dan de determinado compuesto (masa o volumen) a moles de dicha sustancia. o Recuerde que para pasar de gramos a moles y de moles a gramos se utiliza la masa molar del compuesto. o Recuerde que para pasar de volumen a moles de un gas usamos el volumen molar si y solo si este se encuentra en condiciones normales de temperatura y de presión (CNTP ó TPN) o Recuerde que podemos transformar el volumen de un líquido a gramos con su densidad y posteriormente usar la masa molar para pasar a moles. 2. Relacionar los moles de compuesto (dato conocido) con los moles del compuesto que se nos pide calcular (dato desconocido). Aquí usamos la razón molar leída en la ecuación balanceada (coeficientes de la ecuación). 3. Convertir los moles del compuesto que se nos pide a las unidades que se nos piden (gramos,

volumen, etc.) utilizando los factores de conversión apropiados. Ejemplo 1: Se hacen reaccionar 2,0 g de cinc con suficiente ácido clorhídrico. ¿Cuántos gramos de cloruro de cinc se formarán? ¿Qué volumen de hidrógeno, medido en CNTP, se forma? La ecuación balanceada de esta reacción es: Zn (s) + 2 HCl (ac) → ZnCl2 (ac) + H2 (g) g de ZnCl2 = 2,0 g de Zn x 1 mol de Zn x 1 mol de ZnCl2 x 136,29 g de ZnCl2 = 4,17 g de ZnCl2 65,39 g de Zn

1 mol de Zn

1 mol de ZnCl2

L de H2 = 2,0 g de Zn x 1 mol de Zn x 1 mol de H2 x 22,4 L de H2 = 0,69 L de H2 65,39 g de Zn

1 mol de Zn

1 mol de H2

Ejemplo 2: Se queman 2,0 g de metano en presencia de oxígeno para dar dióxido de carbono y agua. ¿Cuántos gramos de O2 se necesitan para la combustión completa? ¿Qué volumen, medido en CNTP, ocupa el O2 requerido? ¿Cuántos gramos de CO2 se formarán? ¿Qué volumen ocupa el CO2 formado, en CNTP? La ecuación balanceada de esta reacción es: CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g) g de O2 = 2,0 g de CH4 x 1 mol de CH4 x 2 mol de O2 x 32 g de O2 = 8,0 g de O2 16,0 g de CH4

1 mol de CH4

1 mol de O2

L de O2 = 2,0 g de CH4 x 1 mol de CH4 x 2 mol de O2 x 22,4 L de O2 = 5,6 L de O2 16,0 g de CH4

1 mol de CH4

g de CO2 = 2,0 g de CH4 x 1 mol de CH4 x 1 mol de CO2 16,0 g de CH4

1 mol de CH4

1 mol de O2 x

44 g de O2 = 5,5 g de CO2 1 mol de CO2

L de CO2 = 2,0 g de CH4 x 1 mol de CH4 x 1 mol de CO2 x 22,4 L de CO2 = 2,8 L de CO2 16,0 g de CH4

1 mol de CH4

1 mol de O2

Ejemplo 3: Calcule los gramos de sal que se forman cuando se neutralizan por completo 10,0 g de hidróxido de sodio. NaOH (ac) + HCl (ac) → NaCl (ac) + H2O (l) g de NaOH = 10,0 g de NaOH x 1 mol de NaOH x 1 mol de NaCl x 58,45 g de NaCl = 14,6 g de NaCl 40,0 g de NaOH

1 mol de NaOH

1 mol de NaCl

Problemas Sobre Cálculos Estequiométricos: 1) En un alto horno, el mineral de hierro, Fe2O3, se convierte en hierro mediante la reacción: Fe2O3 (s) + 3 CO (g)

-----> 2 Fe (l) + 3 CO2 (g)

a) ¿Cuántos moles de monóxido de carbono se necesitan para producir 20 moles de hierro? b) ¿Cuántos moles de CO2 se desprenden por cada 10 moles de hierro formado? R: a) 30 moles CO b) 15 moles CO2 2) Carbonato de calcio se descompone por la acción del calor originando óxido de calcio y dióxido de carbono. a) Formula la reacción que tiene lugar y ajústala. b) Calcula qué cantidad de óxido de calcio se obtiene si se descompone totalmente una tonelada de carbonato de calcio.

R: 560 Kg CaO

3) ¿Qué cantidad de gas cloro se obtiene al tratar 80 g de dióxido de manganeso con exceso de HCl según la siguiente reacción? MnO2 + 4 HCl → MnCl2 + 2 H2O + Cl2

R: 62,24 g de Cl2

4) La sosa cáustica, NaOH, se prepara comercialmente mediante reacción del carbonato de sodio, Na2CO3, con cal apagada, Ca(OH)2. En la reacción química, además de NaOH, se forma CaCO3. a) ¿Cuántos gramos de NaOH pueden obtenerse tratando un kilogramo de Na2CO3 con Ca(OH)2? R: 755g b) ¿Cuántos Kg de sosa se pueden obtener haciendo reaccionar un material que contiene carbonato de sodio al 95,8 % de pureza con suficiente cal apagada?

R: 723 g

5) Cuando se calienta dióxido de silicio mezclado con carbono, se forma carburo de silicio (SiC) y monóxido de carbono. La ecuación de la reacción es: SiO2 (s) + 3 C (s) → SiC (s) + 2 CO (g). Si se mezclan 150 g de dióxido de silicio con exceso de carbono, ¿cuántos gramos de SiC se formarán? R: 100 g de SiC 6) Calcular la cantidad de cal viva (CaO) que puede prepararse calentando 200 g de caliza con una pureza del 95% de CaCO3.

CaCO3 → CaO + CO2

R: 107 g de CaO

7) La tostación es una reacción utilizada en metalurgia para el tratamiento de los minerales, calentando éstos en presencia de oxígeno. Calcula la cantidad de ZnO que se obtiene cuando se tuestan 1500 Kg de mineral de ZnS de una riqueza en sulfuro (ZnS) del 65%. La reacción de tostación es: 2 ZnS + 3 O2 à 2 ZnO + 2 SO2

R: 814,8 Kg de ZnO

8) ¿Qué masa, qué volumen en condiciones normales, y cuántos moles de CO2 se desprenden al tratar 205 g de CaCO3 con exceso de ácido clorhídrico según la siguiente reacción? CaCO3 + 2 HCl à CaCl2 + H2O + CO2

R: 90,14 g; 45,91 L; 2,043 moles

9) Se tratan 4,9 g de ácido sulfúrico con cinc. En la reacción se obtiene sulfato de cinc e hidrógeno. a) Formula y ajusta la reacción que tiene lugar. b) Calcula la cantidad de hidrógeno desprendido. c) Halla qué volumen ocupará ese hidrógeno en condiciones normales. R: b) 0,1 g de H2

c) 1,12 litros de H2

10) Mezclamos 1 litro de flúor con suficiente cantidad de monóxido de nitrógeno, medidos ambos en condiciones normales. ¿Cuántos gramos de FNO se formarán? La ecuación de la reacción que tiene

lugar

es:

F2

(g)

+

2

NO

(g)

à

2

FNO

(g)

R: 4,37 g de FNO 11) ¿Cuántos gramos de hidróxido de sodio se necesitan para neutralizar 364 g de HCl?

R:

400 g 12) ¿Cuántos gramos de hidróxido de calcio se requieren para neutralizar 490 g de ácido sulfúrico? R: 370 g 13) ¿Cuántos gramos de ácido nítrico se necesitan para neutralizar 370 g de hidróxido de calcio? R: 630 g 14) Calcular las masas de ácido clorhídrico y de hidróxido de sodio que se requieren para preparar 292 g de cloruro de sodio.

R: 182 g de HCl y 200

g de NaOH 15) Calcular la cantidad, en masa y en volumen (CNTP), de CO2 que se obtienen al tratar 380 g de carbonato de calcio con la cantidad estequiométrica (necesaria) de ácido clorhídrico. Calcular además la masa de cloruro de calcio que se forma.

R: 167,1 g; 85,0 g; 421,4 g

16) La tostación del sulfuro de plomo(II) con oxígeno produce óxido de plomo(II) y dióxido de azufre gaseoso. Calcula la cantidad de PbO que podemos obtener a partir de 500 g de PbS si la reacción tiene un rendimiento del 65 %. Resp. 303 g

16) El sodio es un metal blando y muy reactivo que reacciona en forma instantánea con el agua para producir gas hidrógeno y una solución de hidróxido de sodio. ¿Cuántos gramos del metal se necesitan para obtener 6,0 g de gas hidrógeno? 17) El gas propano (C3H8), conocido como gas de cocina, se quema en presencia de oxígeno para dar dióxido de carbono y vapor de agua. ¿Cuántos litros de CO2, medidos a TPN, se obtendrán por la combustión de 110,0 g de propano?

R: 56 L

18) El bicarbonato de sodio se descompone por calentamiento produciendo carbonato de sodio (sólido), dióxido de carbono (gas) y agua (gas). Esta es una reacción de producción industrial de carbonato de calcio. Una factoría procesa 25 TM diarias de un material cuya riqueza en bicarbonato de calcio es de 75 % en masa. ¿Qué masa de carbonato de sodio se obtiene en un día de operación? ¿Qué volumen de gases, en CNTP, se emite a la atmósfera? 19) Un camión que transporta 2 TM de ácido sulfúrico puro (al 98 % en masa) sufre un accidente y todo el contenido se derrama. Se trata el vertido con carbonato de calcio para que se forme sulfato de calcio, agua y dióxido de carbono. ¿Qué masa de cierto material que contiene 92 % en masa de CaCO3 debe esparcirse en la zona para neutralizar el ácido derramado? ¿Qué cantidad de CaSO 4 se obtiene? ¿Qué volumen de CO2 y de H2O se obtienen suponiendo que estos gases se miden en CNTP? 20) El óxido de titanio (IV) se produce a partir de la ilmenita [trióxido doble de hierro (II) y titanio (IV)] por reacción de este mineral con ácido sulfúrico, produciéndose además sulfato de hierro (II) y agua. Si se procesan 3 TM de mineral de ilmenita con una riqueza del 57 %, calcule la masa de óxido de titanio (IV) que puede producirse.