2. Cálculos estequiométricos

Las distintas operaciones matemáticas que permiten calcular la cantidad de una sustancia que reacciona o se produce en una determinada reacción química reciben el nombre de cálculos estequiométricos.
Una reacción se produce en condiciones estequiométricas cuando las cantidades de reactivos están en las proporciones idénticas a las de la ecuación química ajustada.
Como ejemplo, considera la reacción del aluminio con el oxígeno para formar óxido de aluminio, que se utiliza en los fuegos artificiales para conseguir chispas plateadas. La ecuación química ajustada es:
 
4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3
 
Esta ecuación puedes leerla a escala macroscópica: “cuando el aluminio reacciona con el oxígeno, cuatro moles de aluminio reaccionan con tres moles de dioxígeno para formar dos moles de óxido de aluminio”.

La ecuación ajustada para esta reacción puedes usarla para establecer la relación molar (estequiométrica) que te permita convertir moles de aluminio en un número equivalente de moles de dioxígeno o en moles de óxido de aluminio.

Mediante esa relación estequiométrica podrás calcular la cantidad de producto o de reactivo, según te interese.

Importante

Los datos sobre los reactivos y los productos no se expresan, normalmente, en cantidad de sustancia (moles), sino que se expresan en masa (gramos) o en volumen (litros) de disolución o de un gas. Por ello, es necesario seguir un procedimiento en los cálculos estequiométricos.

Los pasos a seguir son:

1º- Escribe la ecuación química ajustada.

2º- Calcula la cantidad de sustancia en moles de la sustancia dato.

3º- Usa la relación estequiométrica para obtener la cantidad de sustancia en moles de la sustancia incógnita.

4º- Convierte la cantidad de sustancia en moles de la sustancia incógnita a la magnitud pedida.

Siguiendo con el ejemplo, ¿qué masa de óxido de aluminio se obtiene si reaccionan 54 g de aluminio con suficiente oxígeno? Datos de masas atómicas relativas: Al = 27; O = 16.

1º- La ecuación química ajustada es la que has escrito anteriormente:

4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3

2º- El dato son los 54 g de aluminio que reaccionan. Como la masa molar del aluminio es M(Al) = 27 g/mol, la cantidad de sustancia de aluminio es:

n(Al)=\frac{m(Al)}{M(Al)} = \frac{54\: g}{27 \:g/mol} = 2\: mol\:de\:Al

3º- La relación estequiométrica entre el aluminio (dato) y el óxido de aluminio (Al2O3) (incógnita) es:

\frac{4 \:mol\: de\: Al}{2\: mol\: de\: Al_2O_3}= \frac{2\: mol\: de\: Al}{n(Al_2O_3)}

Si despejas la cantidad de sustancia de Al2O3,

n(Al_2O_3) = 1 \:mol\: de\: Al_2O_3

4º- Como te piden la masa de Al2O3 que se obtiene, calculas la masa molar del Al2O3, M(Al2O3) = 102 g/mol, y al final resulta:

m(Al_2O_3) = n(Al_2O_3)\: \cdot\: M(Al_2O_3) = 1\: mol\: \cdot\: 102\: g/mol = 102\: g\: de\: Al_2O_3

Ejercicio Resuelto

En espeleología se usan como iluminación principal las lámparas de acetileno (etino). La reacción que se produce en ellas es: el carburo de calcio (CaC2) reacciona con el agua (H2O) para formar hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y acetileno (C2H2).
¿Qué masa de acetileno obtendrás si haces reaccionar 54 g de agua con suficiente carburo?

Masas atómicas relativas: Ca = 40 ; O = 16 ; C = 12 ; H = 1

¿Qué masa de Ca(OH)2 se producirá?

Aquí puedes ver el funcionamiento de una lámpara de carburo

Reflexiona

Para obtener oxígeno en el laboratorio se descompone el clorato de potasio (KClO3) en cloruro de potasio (KCl) y dioxígeno (O2), calentando en presencia de un catalizador. ¿Qué masa de oxígeno obtendrás si descompones 30,6 g de KClO3?

Masas atómicas relativas: K = 39 ; Cl = 35,5 ; O = 16