Fundamentos de Estequiometría: Cálculos de Moles, Fórmulas Químicas y Rendimiento

Fórmulas Fundamentales de Estequiometría

n: Representa el Número de Moles.

1. n: Número de partículas / N_A (Número de Avogadro).
2. Número de partículas: n × N_A.
3. n: Número de gramos / Masa molar.
4. Número de gramos: n × Masa molar.
5. n: Número de litros / Volumen molar.
6. Número de litros: n × Volumen molar.

N_A (Número de Avogadro): 6.022 × 10²³ partículas/mol.

Volumen Molar: 22.4 L (en condiciones normales de presión y temperatura).

• Moles: Unidad de cantidad de sustancia.
• Litros: Unidad de volumen.
• Partículas: Átomos, moléculas o iones.
• Masa: Expresada en gramos.
• Conversión de unidades: Para pasar de litros a mililitros, se multiplica la cantidad por 1000.
• Relación de densidad (Agua): 1 g = 1 mL (aproximadamente).

Composición Porcentual

La fórmula para calcular el porcentaje en masa es: % = (gramos del elemento / gramos del compuesto) × 100.

Pasos para el cálculo:

1. Obtener la masa de cada elemento presente.
2. Obtener la masa total de todo el compuesto.

Ejemplo práctico:

Molécula de agua (H₂O):

• H₂: 1 × 2 = 2 g
• O: 16 × 1 = 16 g
• Masa total: 18 g/mol

%H: (2 / 18) × 100 = 11.11%

%O: (16 / 18) × 100 = 88.89%

Total: 100%

Fórmula Mínima y Fórmula Molecular

Fórmula Mínima (o Empírica): Es la mínima relación de números enteros entre los elementos de un compuesto.

Fórmula Molecular: Indica la cantidad real y máxima de átomos de cada elemento que conforman una molécula.

Reglas para el redondeo de subíndices:

1. Si el decimal es .8 o .9, pasa al entero superior.
2. Si el decimal es .1 o .2, se deja el número entero actual.
3. Si el decimal es .4 o .5, se debe multiplicar toda la relación por 2 y aplicar las reglas anteriores.
4. Si el decimal es .3, .6 o .7, se debe multiplicar por 3 y proceder según las reglas.

Ejemplo de Fórmula Mínima:

Considerando una muestra del 100%:

1. Calcular moles:
   • Sn (Estaño): 19 g (dato) / 118.71 g/mol (masa atómica) = 0.16 mol (sin redondear aún).
   • I (Yodo): 81 g / 127 g/mol = 0.63 mol.
2. Dividir por el cociente más pequeño:
   • Sn: 0.16 / 0.16 = 1
   • I: 0.63 / 0.16 = 3.9 ≈ 4

Resultado: SnI₄ (Fórmula Mínima).

Ejemplo de Fórmula Molecular:

Datos: C = 92.3%, H = 7.7%. Masas atómicas: C = 12, H = 1.

1. Cálculo de moles y relación:
   • C: 92.3 / 12 = 7.69
   • H: 7.7 / 1 = 7.7
   • Relación C: 7.69 / 7.69 = 1
   • Relación H: 7.7 / 7.69 = 1.0
   • CH = Fórmula Empírica.
2. Masa molar de la fórmula empírica: C(12) + H(1) = 13 g/mol.
3. Factor de escala: Masa molar del problema (78 g/mol) / Masa obtenida (13 g/mol) = 6.
4. Fórmula Molecular: (CH) × 6 = C₆H₆.

Reactivo Limitante y en Exceso

Problema: Una muestra de 50 g de Carbonato de Calcio reacciona con 35 g de Ácido Fosfórico. Determine:

1. Reactivo Limitante.
2. Cantidad de Fosfato de Calcio obtenida.
3. Cantidad del reactivo en exceso que no reaccionó.

Ecuación química: 3CaCO₃ + 2H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂ + 3CO₂ + 3H₂O

Procedimiento:

1. Relación estequiométrica 1: 3 moles de CaCO₃ producen 1 mol de Ca₃(PO₄)₂.
   • 300 g de CaCO₃ = 310 g de Ca₃(PO₄)₂
   • 50 g de CaCO₃ = x
   • x = 51.66 g de Ca₃(PO₄)₂
2. Relación estequiométrica 2: 2 moles de H₃PO₄ producen 1 mol de Ca₃(PO₄)₂.
   • 196 g de H₃PO₄ = 310 g de Ca₃(PO₄)₂
   • 35 g de H₃PO₄ = x
   • x = 55.35 g de Ca₃(PO₄)₂

Determinación del Reactivo en Exceso:

• Obtener la diferencia entre el producto del reactivo limitante y el del exceso.
• Utilizar el planteamiento de la regla de tres del reactivo en exceso agregando el dato de la diferencia para obtener la cantidad que no reaccionó.
• Nota: Este procedimiento no suele realizarse directamente con el reactivo limitante.

Rendimiento Teórico y Real

Rendimiento Teórico: Es la cantidad máxima de producto que se espera obtener si el reactivo limitante reacciona totalmente según la ecuación química.

Rendimiento Real: Es la cantidad de producto recolectado experimentalmente cuando termina la reacción.

• El Rendimiento Real siempre será menor o igual al teórico.

Fórmula del porcentaje de rendimiento: R% = (Rendimiento Real / Rendimiento Teórico) × 100

Ejemplo de Rendimiento:

Ecuación: 2H₂ + O₂ → 2H₂O

1. Rendimiento Teórico: 18 g de H₂O (calculado estequiométricamente).
2. Rendimiento Real: 12 g de H₂O (obtenido en el experimento).
3. Cálculo del R%: (12 / 18) × 100 = 66.66%

Leyes Ponderales