Relaciones molares y cálculos de una ecuación química

Estequiometria

Imagina que quieres hacer galletas con chispas de chocolate. Tienes una gran receta transmitida por tu abuela que requiere dos tazas de chispas de chocolate, pero solo tienes una taza de chispas de chocolate en la casa. Afuera está lloviendo y no tienes ganas de ir a la tienda. ¿Entonces, Qué haces? ¿Preparas las galletas con la mitad de las chispas de chocolate que pide la receta? ¡De ninguna manera! ¿Quién quiere comer galletas con solo la mitad del chocolate?

En su lugar, usted determina la proporción de chispas de chocolate disponibles y la cantidad necesaria, que es 1: 2. Luego, ajusta la proporción de todos los demás ingredientes en la receta. Esencialmente, acaba de realizar la estequiometría, uno de los aspectos fundamentales de la química. La estequiometría es una palabra derivada de dos palabras griegas: ‘stoicheon’ que significa elemento y ‘metron’, que significa medida. Esto es bastante bueno porque la estequiometría es esencialmente la medición de elementos o el estudio de cantidades químicas consumidas o producidas en una reacción química.

Realizar estequiometría implica el uso de una unidad de conteo químico especial: el mol. Solo para repasar por un momento, un topo no es un animal. Bueno, lo es, pero no en química. En química, un mol es una unidad de medida, de manera que un mol de una sustancia contiene 6.022 * 10 23 partículas.

En química, las partículas pueden ser átomos, moléculas o compuestos. Convenientemente, un mol de una sustancia tiene una masa que es igual a su masa atómica expresada en gramos. Esta relación se conoce como masa molar . Por ejemplo, un átomo de carbono tiene una masa de 12.011 amu, un mol de carbono tiene una masa de 12.011 gramos.

Cuando hacemos estequiometría, siempre queremos hablar de sustancias químicas en términos de cuántos moles están presentes. La esencia de la estequiometría implica comparar cuántos moles de productos químicos están presentes. Podemos estar simplemente comparando el número de moles de cada reactivo necesario, o el número de moles de reactivo con el número de moles de producto.

Proporciones molares

Con suerte, el proceso de equilibrar una reacción química todavía está fresco en su mente. Pero, ¿recuerdas por qué equilibramos las ecuaciones? Los equilibramos para obedecer la ley de conservación de la masa, que establece que la materia no se puede crear ni destruir. Sin embargo, equilibrar las ecuaciones tiene otro beneficio. Una ecuación equilibrada nos prepara para realizar una estequiometría impecable. Tomemos la ecuación balanceada para la formación de agua:

2 H 2 + O 2 -> 2 H 2 O

Observe que esta ecuación contiene los coeficientes de números enteros más bajos posibles. A partir de esto, podemos obtener exactamente cuántos moles de hidrógeno se necesitan para reaccionar con un mol de oxígeno. En estequiometría, cambiamos nuestra unidad de molécula a mol.

Según esta ecuación, necesitamos dos moles de hidrógeno para reaccionar con un mol de oxígeno. Esto se llama relación molar . Se define como la relación entre los moles de una sustancia y los moles de otra sustancia en una ecuación equilibrada.

Para determinar la relación molar entre dos sustancias, todo lo que necesita hacer es mirar la ecuación balanceada de los coeficientes frente a las sustancias que le interesan. ¡Que este sea su mantra guía para resolver problemas de estequiometría!

La ecuación balanceada para el agua tiene varias proporciones molares. Hay dos moles de H 2 para cada uno O mol 2 . Escribiremos esta relación como:

2 moles H 2 /1 O mol 2

Hay dos moles H 2 por cada 2 moles H 2 O:

2 moles H 2 /2 moles H 2 O

Hay un mol de O 2 por cada 2 moles de H 2 O:

1 mol de O 2 /2 moles H 2 O

¿Por qué nos preocupan tanto las proporciones molares? Las proporciones molares son el paso central en la realización de la estequiometría porque nos permiten convertir moles de una sustancia en moles de otra sustancia.

Otra ecuación equilibrada es la producción de amoníaco:

N 2 + 3 H 2 -> 2 NH 3

Pausa el video ahora mismo y mira si puedes identificar tres proporciones molares en esta ecuación. Recuerde, mire los coeficientes en la ecuación balanceada. Aquí hay tres proporciones molares:

1 mol N 2 /3 moles de H 2

3 moles de H 2 /2 moles NH 3

1 mol N 2 /2 moles de NH 3

Si expresas cualquiera de estas proporciones al revés de lo que se muestra, como 3 moles H 2 /1 mol N 2 , que son todavía derecho! Buen trabajo.

Cálculos de mole a mole

Volvamos a la analogía de las galletas. Imagina que ahora tengo muchos ingredientes. Necesito hacer 100 galletas, pero la receta solo rinde 25. ¿Cómo calculo cuántas tazas de chispas de chocolate necesito? No voy a contar las chispas de chocolate individuales, al igual que no quiero contar los átomos individuales. Lo voy a medir por taza. Mi proporción es de 2 tazas de chispas de chocolate: 25 galletas. Quiero 100 galletas, así que configuro la ecuación como:

(100 galletas / 1) * (2 tazas de papas fritas / 25 galletas) = ​​se necesitan tazas de papas fritas

Las ‘galletas’ tachadas, dejándome con tazas de papas fritas como mi unidad, exactamente lo que quiero. Hago algunas matemáticas (100 * 2) / (25 * 1), y encuentro que 8 tazas de papas fritas = las tazas de papas fritas necesarias. Ahora vamos a aplicar la misma idea a las sustancias involucradas en una reacción química en lugar de una receta.

Entonces, ¿qué pasa si quiero hacer 4.5 moles de agua? ¿Cuántos moles de oxígeno necesito? Este es un cálculo típico de mole a mole. Al realizar estos cálculos, necesitará tres datos:

• Lunares e identidad de una sustancia dada
• Identidad de la sustancia deseada
• Relación molar entre la sustancia dada y la sustancia deseada. Recuerde, ¡la proporción molar proviene de la ecuación química balanceada!

Una vez que tenemos esta información, multiplicamos los moles de nuestro dado por nuestra relación molar entre nuestra sustancia deseada y la sustancia dada. Esto nos dará la cantidad de moles de nuestra sustancia deseada:

(moles de sustancia dada / 1) * (moles de sustancia deseada / moles de sustancia dada) = moles de sustancia deseada

Como en el problema de las cookies, algunas de nuestras unidades se cancelarán. En este caso, serán moles de una sustancia determinada. Volviendo a nuestro problema del agua: quiero saber cuántos moles de O 2 necesitaré para producir 4,5 moles de agua. Mi ecuación balanceada es:

2 H 2 + O 2 -> 2 H 2 O

Reúno la información necesaria: tengo 4.5 moles de agua como sustancia dada y moles de O 2 como sustancia deseada. La relación molar entre mi sustancia deseada (O 2 ) y mi dada (H 2 O) es de 1 mol de O 2 /2 moles H 2 O. I poner esta información en mi ecuación:

(4,5 moles H 2 O / 1) * (1 mol O 2 /2 moles H 2 O) = moles de O 2 necesario.

Los ‘moles de H 2 O’ se tachan, así que me quedo con los moles de O 2 como unidades. Hago un poco de matemáticas:

(4.5 * 1 mol de O 2 ) / (1 * 2) = moles de O 2 necesarios

2,25 moles de O 2 = moles de O 2 necesarios

Ejemplos

Tengo la siguiente ecuación de reacción balanceada:

2 Al 2 O 3 -> 4 Al + 3 O 2

Digamos que tengo curiosidad por saber cuántos moles de O 2 haré a partir de la descomposición de 10 moles de Al 2 O 3 . Para comenzar, reúno mis tres piezas de información necesaria:

• Lunares e identidad de una sustancia dada
• Identidad de la sustancia deseada
• Relación molar entre la sustancia dada y la sustancia deseada. Recuerde, ¡la proporción molar proviene de la ecuación química balanceada!

10 moles de Al 2 O 3 es mi sustancia dada; moles de O 2 es mi sustancia deseada. La relación molar entre el (O 2 ) deseado y el (Al 2 O 3 ) dado es 3 moles de O 2 : 2 moles de Al 2 O 3 . Ahora, ingreso esta información en mi ecuación:

(10 moles de Al 2 O 3/1 ) * (3 moles de O2 / 2 moles de Al 2 O 3 ) = moles de O 2

‘Moles Al 2 O 3 ‘ se cancelará.

(10 * 3 moles de O 2 ) / (1 * 2) = 15 moles de O 2 . Se producirán 15 moles de O 2 .

Hagamos uno más. Estoy realizando la siguiente reacción en el laboratorio:

4 NH 3 + 6NO -> 5 N 2 + 6 H 2 O

Quiero producir 100 moles de N 2 . ¿Con cuántos moles de NO necesito para empezar? Reúno mis tres piezas de información: 100 moles de N 2 es mi sustancia dada; moles NO es mi sustancia deseada; la relación molar entre deseada y dado es de 6 moles No: 5 moles de N 2 . A continuación, ingresaré información en mi ecuación:

(100 moles de N 2 /1) * (6 moles de NO / 5 moles de N 2 ) = moles de NO necesitan

Los ‘moles de N 2 ‘ se tachan.

(100 * 6 moles de NO) / (5 * 1) = 120 moles de NO necesarios

120 moles de NO = moles de NO necesarios

Resumen de la lección

La estequiometría es el estudio de las cantidades químicas consumidas o producidas en una reacción química. La estequiometría se realiza en términos de moles. Un mol es una unidad de conteo químico, tal que 1 mol = 6.022 * 10 23 partículas. La estequiometría también requiere el uso de ecuaciones balanceadas. De la ecuación balanceada podemos obtener la relación molar. La relación molar es la relación entre los moles de una sustancia y los moles de otra sustancia en una ecuación equilibrada. El uso de proporciones molares nos permite convertir de una sustancia química a otra.

Para determinar la proporción molar de dos sustancias en una reacción química, observe los coeficientes frente a cada especie en la ecuación química balanceada. Al realizar cálculos de mole a mole, necesitará tres piezas de información: moles e identidad de la sustancia dada, identidad de la sustancia deseada y relación molar entre la sustancia dada y la sustancia deseada. Inserta esta información en tu ecuación y resuelve problemas de mole a mole:

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado con esta lección, debería tener la capacidad de:

• Definir estequiometría, relación molar y molar
• Determinar la proporción molar de dos sustancias.
• Identificar la información que necesita para resolver problemas de topo a topo