ESTEQUIOMETRA

En qumica, la estequiometra (del griego "stoicheion (elemento) y "mtrn (medida) es el clculo de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en el transcurso de una reaccin qumica.

La estequiometra es una herramienta indispensable en la qumica. Problemas tan diversos como, por ejemplo, la medicin de la concentracin de ozono en la atmsfera, la determinacin del rendimiento potencial de oro a partir de una mina y la evaluacin de diferentes procesos para convertir el carbn en combustibles gaseosos, comprenden aspectos de estequiometra.

El primero que enunci los principios de la estequiometra fue Jeremias Benjamin Richter (1762-1807), en 1792. Escribi:

La estequiometra es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa en la que los elementos qumicos que estn implicados.

Principio cientfico

En una reaccin qumica se observa una modificacin de las sustancias presentes: los reactivos se modifican para dar lugar a los productos.

A escala microscpica, la reaccin qumica es una modificacin de los enlaces entre tomos, por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, pero los tomos implicados se conservan. Esto es lo que llamamos la ley de conservacin de la materia (masa), que implica las dos leyes siguientes:

1.- la conservacin del nmero de tomos de cada elemento qumico

2.- la conservacin de la carga total

Las relaciones estequiomtricas entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservacin, y estn determinadas por la ecuacin (ajustada) de la reaccin.

Ajustar o balancear una reaccin

Qu significa ajustar o balancear una reaccin? Veamos.

Una ecuacin qumica (que no es ms que la representacin escrita de una reaccin qumica) ajustada debe reflejar lo que pasa realmente antes de comenzar y al finalizar la reaccin y, por tanto, debe respetar las leyes de conservacin del nmero de tomos y de la carga total.

Para respetar estas reglas, se pone delante de cada especie qumica un nmero llamado coeficiente estequiomtrico, que indica la proporcin de cada especie involucrada (se puede considerar como el nmero de molculas o de tomos, o de iones o de moles; es decir, la cantidad de materia que se consume o se transforma).

Por ejemplo:

En la reaccin de combustin de metano (CH4), ste se combina con oxgeno molecular (O2) del aire para formar dixido de carbono (CO2) y agua (H2O).

La reaccin sin ajustar (slo representando los elementos que interactan) ser:

Esta reaccin no es correcta, porque no cumple la ley de conservacin de la materia. Para el elemento hidrgeno (H), por ejemplo, hay 4 tomos en los reactivos (CH4) y slo 2 en los productos (H2O). Se ajusta la reaccin introduciendo delante de las frmulas qumicas de cada compuesto un coeficiente estequiomtrico adecuado.

De esta manera, si se pone un 2 delante del H2O:

se respeta la conservacin para el carbono (C) y el hidrgeno (H), pero no para el oxgeno (O), situacin que puede corregirse poniendo otro 2 delante de O2 en los reactivos:

y se obtiene as, finalmente, la reaccin ajustada.

sta dice que 1 molcula de metano (CH4) reacciona con 2 molculas de oxgeno molecular (O2) para dar 1 molcula de dixido de carbono (CO2) y 2 molculas de agua (H2O). Si verificamos el nmero de tomos veremos que en ambos lados de la ecuacin hay 1 tomo de carbono (C), 4 tomos de hidrgeno (H) y 4 tomos de oxgeno (O). La materia (la cantidad de tomos) se ha conservado una vez terminada la reaccin qumica.

Coeficiente estequiomtrico

Agreguemos algo ms sobre el coeficiente estequiomtrico.

Es el coeficiente (un nmero) que le corresponde a cada especie qumica (elemento) en una ecuacin qumica dada. En el ejemplo anterior:

El coeficiente del metano es 1, el del oxgeno 2, el del dixido de carbono 1 y el del agua 2. Los coeficientes estequiomtricos son en principio nmeros enteros, aunque para ajustar ciertas reacciones alguna vez se emplean nmeros fraccionarios. En esencia lo que indica este coeficiente es el nmero de molculas de cada sustancia.

Cuando el coeficiente estequiomtrico es igual a 1, no se escribe. Por eso, en el ejemplo CH4 y CO2 no llevan ningn coeficiente delante.

Este mtodo del tanteo para fijar el coeficiente estequiomtrico sirve bien cuando la reaccin es simple. Consiste en fijar arbitrariamente un coeficiente e ir deduciendo los dems haciendo balances a los tomos implicados en la especie inicial. Si aparecen fracciones, se multiplican todos los coeficientes por el mnimo comn mltiplo (mcm) de los denominadores

En reacciones ms complejas, como es el caso de las reacciones redox, se emplea el mtodo del ion-electrn.

Se recomienda ir balanceando siguiendo el orden: metales, no metales, hidrgenos, oxgenos.

Mezcla/proporciones/condiciones estequiomtricas

Cuando los reactivos de una reaccin estn en cantidades proporcionales a sus coeficientes estequiomtricos se dice:

La mezcla es estequiomtrica; Los reactivos estn en proporciones estequiomtricas; La reaccin tiene lugar en condiciones estequiomtricas;

Las tres expresiones tienen el mismo significado.

En estas condiciones, si la reaccin es completa, todos los reactivos se consumirn dando las cantidades estequiomtricas de productos correspondientes.

Ejemplo

Qu cantidad de oxgeno es necesaria para reaccionar con 100 gramos de carbono produciendo dixido de carbono?

Masa atmica del oxgeno = 15,9994.

Masa atmica del carbono = 12,0107.

La reaccin es:

para formar una molcula de dixido de carbono, hacen falta un tomo de carbono y dos de oxgeno, o lo que es lo mismo, un mol de carbono y dos mol de oxgeno.

1 mol de carbono

2 mol de oxgeno

12,0107 gramos de carbono

2 15,994 gramos de oxgeno

100 gramos de carbono

x gramos de oxgeno

despejando x:

realizadas las operaciones:

x = 266,41 gramos de oxgeno