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Décimo 10° · Química
Reacciones químicas · Las leyes fundamentales de la química

Cálculos cuantitativos en la vida cotidiana

Un bulto de fertilizante en un almacén agrícola de la Sabana de Bogotá, el análisis de un laboratorio o la ficha de una mena de hierro que llega a la siderúrgica casi nunca dan la fórmula química: dan porcentajes. «NPK 15-15-15», «mena con 80 % de pureza», «85,7 % de carbono». ¿Cómo se pasa de esos porcentajes a kilogramos reales, y de ahí a la fórmula del compuesto? Eso vas a aprender aquí.

La composición porcentual de un compuesto

Si descompones $100\ \text{g}$ de agua pura, siempre obtienes $11{,}1\ \text{g}$ de hidrógeno y $88{,}9\ \text{g}$ de oxígeno, sin importar de qué llave o botella venga el agua. ¿Se puede predecir esa proporción solo con la fórmula $\text{H}_2\text{O}$? Sí.

Se usa la masa de la fórmula completa como «total» y la masa que aporta cada elemento como «parte». Es una regla de tres: parte entre total, por cien.

Barra segmentada: la masa molar del agua, 18 g/mol, se reparte entre hidrógeno (11,1 %) y oxígeno (88,9 %). H: 11,1 % O: 88,9 % H₂O: 18 g/mol repartidos entre H y O
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Calcula la composición porcentual del agua, $\text{H}2\text{O}$ (masas atómicas: $\text{H} = 1\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$). Comprueba que los dos porcentajes…

Calcula la composición porcentual del agua, $\text{H}_2\text{O}$ (masas atómicas: $\text{H} = 1\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$). Comprueba que los dos porcentajes suman $100\ \%$.

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El dióxido de carbono que emiten los carros es el principal gas de efecto invernadero. Calcula el porcentaje en masa de carbono y de oxígeno en el $\text{CO}2$ (masas…

El dióxido de carbono que emiten los carros es el principal gas de efecto invernadero. Calcula el porcentaje en masa de carbono y de oxígeno en el $\text{CO}_2$ (masas atómicas: $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).

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El amoníaco, $\text{NH}3$, es la materia prima de la industria de fertilizantes nitrogenados. Calcula su porcentaje en masa de nitrógeno (masas atómicas:…

El amoníaco, $\text{NH}_3$, es la materia prima de la industria de fertilizantes nitrogenados. Calcula su porcentaje en masa de nitrógeno (masas atómicas: $\text{N} = 14\ \text{u}$; $\text{H} = 1\ \text{u}$).

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El mármol de los mesones de cocina es carbonato de calcio, $\text{CaCO}3$. Calcula su composición porcentual (masas atómicas: $\text{Ca} = 40\ \text{u}$;…

El mármol de los mesones de cocina es carbonato de calcio, $\text{CaCO}_3$. Calcula su composición porcentual (masas atómicas: $\text{Ca} = 40\ \text{u}$; $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).

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La sal común de cocina es cloruro de sodio, $\text{NaCl}$. Calcula el porcentaje en masa de sodio y de cloro (masas atómicas: $\text{Na} = 23\ \text{u}$;…

La sal común de cocina es cloruro de sodio, $\text{NaCl}$. Calcula el porcentaje en masa de sodio y de cloro (masas atómicas: $\text{Na} = 23\ \text{u}$; $\text{Cl} = 35,5\ \text{u}$). Los nutricionistas advierten del sodio de la sal: explica, con tus resultados, por qué $5\ \text{g}$ de sal no son $5\ \text{g}$ de sodio.

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Usar la composición porcentual con masas reales

Con el porcentaje de un elemento puedes calcular cuánto de ese elemento hay en cualquier muestra: $m_{\text{elemento}} = m_{\text{muestra}} \times \dfrac{\%}{100}$.

Es lo mismo que hacen los agricultores con los fertilizantes. La etiqueta «NPK 15-15-15» dice que el bulto tiene $15\ \%$ de nitrógeno, $15\ \%$ de óxido de fósforo(V) y $15\ \%$ de óxido de potasio. En un bulto de $20\ \text{kg}$, cada nutriente aporta $20 \times 0{,}15 = 3\ \text{kg}$.

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Un bulto de abono de un almacén agrícola lleva impresa la etiqueta «NPK $15$-$15$-$15$», que indica un $15\ \%$ en masa de nitrógeno, un $15\ \%$ de óxido de fósforo(V)…

Un bulto de abono de un almacén agrícola lleva impresa la etiqueta «NPK $15$-$15$-$15$», que indica un $15\ \%$ en masa de nitrógeno, un $15\ \%$ de óxido de fósforo(V) y un $15\ \%$ de óxido de potasio.

  1. a) Explica qué significan los tres números de la etiqueta.
  2. b) Si el bulto contiene $20\ \text{kg}$ de abono, ¿cuántos kilogramos de cada nutriente aporta?
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Un depósito contiene $90\ \text{g}$ de agua. Sabiendo que la composición centesimal del agua es $11,1\ \%$ de hidrógeno y $88,9\ \%$ de oxígeno, como resume la barra: a)…

Un depósito contiene $90\ \text{g}$ de agua. Sabiendo que la composición centesimal del agua es $11,1\ \%$ de hidrógeno y $88,9\ \%$ de oxígeno, como resume la barra:

90 g de agua H: 11,1 % → ? g O: 88,9 % → ? g
  1. a) ¿Cuántos gramos de hidrógeno y cuántos de oxígeno contiene el depósito?
  2. b) Comprueba que las dos masas que calculaste suman la masa total del agua.
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La urea, $\text{CO}(\text{NH}2)2$, es el fertilizante nitrogenado más usado del mundo (masas atómicas: $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$;…

La urea, $\text{CO}(\text{NH}_2)_2$, es el fertilizante nitrogenado más usado del mundo (masas atómicas: $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$; $\text{N} = 14\ \text{u}$; $\text{H} = 1\ \text{u}$).

  1. a) Calcula su masa molar y su porcentaje en masa de nitrógeno.
  2. b) ¿Cuántos kilogramos de nitrógeno aporta un bulto de $25\ \text{kg}$ de urea?
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Un agricultor compra abono NPK $15$-$15$-$15$ en sacos de $40\ \text{kg}$. a) ¿Cuántos kilogramos de nitrógeno contiene cada saco? b) Si su parcela necesita un aporte de…

Un agricultor compra abono NPK $15$-$15$-$15$ en sacos de $40\ \text{kg}$.

  1. a) ¿Cuántos kilogramos de nitrógeno contiene cada saco?
  2. b) Si su parcela necesita un aporte de $12\ \text{kg}$ de nitrógeno, ¿cuántos sacos debe echar? ¿Cuántos kilogramos de óxido de fósforo(V) y de óxido de potasio estará aportando de paso?
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El nitrato de sodio, $\text{NaNO}3$, conocido como «nitrato de Chile», fue uno de los primeros fertilizantes nitrogenados comerciales, de origen mineral (masas atómicas:…

El nitrato de sodio, $\text{NaNO}_3$, conocido como «nitrato de Chile», fue uno de los primeros fertilizantes nitrogenados comerciales, de origen mineral (masas atómicas: $\text{Na} = 23\ \text{u}$; $\text{N} = 14\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).

  1. a) Calcula su porcentaje en masa de nitrógeno.
  2. b) ¿Cuántos kilogramos de nitrógeno aporta un bulto de $40\ \text{kg}$?
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Hidratos: el agua dentro del cristal

Pureza de una materia prima

En la minería y en la industria casi nada es $100\ \%$ puro. Una mena de hierro que llega a la siderúrgica trae mineral útil mezclado con roca sin valor (ganga).

Barra de 50 kg de mena: 80 % (40 kg) es óxido de hierro(III) y 20 % (10 kg) son impurezas. Mena: 50 kg (100 %) 80 % Fe₂O₃ 20 % 40 kg de Fe₂O₃ (útil) 10 kg de impurezas
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Una mena de hierro llega a la siderúrgica con una riqueza del $80\ \%$ en óxido de hierro(III). a) ¿Cuántos kilogramos de óxido de hierro(III) hay en $50\ \text{kg}$ de…

Una mena de hierro llega a la siderúrgica con una riqueza del $80\ \%$ en óxido de hierro(III).

  1. a) ¿Cuántos kilogramos de óxido de hierro(III) hay en $50\ \text{kg}$ de mena?
  2. b) ¿A qué se refiere el $20\ \%$ restante?
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Una mina suministra una mena de hierro con una riqueza del $80\ \%$ en óxido de hierro(III), $\text{Fe}2\text{O}3$ (masas atómicas: $\text{Fe} = 56\ \text{u}$;…

Una mina suministra una mena de hierro con una riqueza del $80\ \%$ en óxido de hierro(III), $\text{Fe}_2\text{O}_3$ (masas atómicas: $\text{Fe} = 56\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).

  1. a) Calcula el porcentaje en masa de hierro en el óxido puro.
  2. b) ¿Cuántos kilogramos de hierro se pueden obtener, como máximo, de una tonelada ($1\,000\ \text{kg}$) de esa mena?
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Una siderúrgica puede comprar dos menas de hierro. La mena A es hematita con una riqueza del $80\ \%$ en $\text{Fe}2\text{O}3$; la mena B es magnetita con una riqueza…

Una siderúrgica puede comprar dos menas de hierro. La mena A es hematita con una riqueza del $80\ \%$ en $\text{Fe}_2\text{O}_3$; la mena B es magnetita con una riqueza del $75\ \%$ en $\text{Fe}_3\text{O}_4$ (masas atómicas: $\text{Fe} = 56\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).

  1. a) Calcula el porcentaje de hierro en cada uno de los dos óxidos puros.
  2. b) Calcula cuántos kilogramos de hierro se obtienen de una tonelada de cada mena.
  3. c) Si ambas menas cuestan lo mismo por tonelada, ¿cuál conviene comprar? Justifica la decisión con los cálculos anteriores.
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Un técnico agrícola debe aportar $46\ \text{kg}$ de nitrógeno a un terreno y duda entre dos fertilizantes: urea al $46\ \%$ de nitrógeno, en bultos de $25\ \text{kg}$ a…

Un técnico agrícola debe aportar $46\ \text{kg}$ de nitrógeno a un terreno y duda entre dos fertilizantes: urea al $46\ \%$ de nitrógeno, en bultos de $25\ \text{kg}$ a $\$100\,000$ el bulto, o nitrato de amonio al $34\ \%$ de nitrógeno, en bultos de $25\ \text{kg}$ a $\$80\,000$ el bulto.

  1. a) Calcula cuántos kilogramos de cada fertilizante hacen falta para aportar los $46\ \text{kg}$ de nitrógeno.
  2. b) Teniendo en cuenta que solo se pueden comprar bultos enteros, calcula cuántos bultos de cada tipo hay que comprar.
  3. c) ¿Cuál de las dos opciones sale más barata? Justifícalo calculando el costo total de cada una.
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De la composición a la fórmula empírica

Conviene haber visto antes el mol (MOL-MOL).

Un laboratorio analiza una sustancia pura y encuentra, en $100\ \text{mg}$, $40{,}0\ \text{mg}$ de carbono, $6{,}7\ \text{mg}$ de hidrógeno y $53{,}3\ \text{mg}$ de oxígeno. ¿Cómo se deduce la fórmula del compuesto?

Tres pasos: pasar porcentaje a gramos en 100 g, pasar gramos a moles y dividir entre el menor número de moles. % → g toma 100 g de muestra g → mol ÷ masa atómica de cada uno ÷ menor por el menor de los moles

De la fórmula empírica a la fórmula molecular

Tres unidades CH₂ de 14 g/mol cada una forman la molécula C₃H₆ de 42 g/mol, con k = 3. CH₂ CH₂ CH₂ 14 g/mol 14 g/mol 14 g/mol k = 42 / 14 = 3: C₃H₆ (42 g/mol)

Cuando no te dan la masa molar, a veces puedes obtenerla de la densidad de un gas en condiciones normales: $M = \rho \times 22{,}4\ \text{L/mol}$ (solo vale a $0\ °\text{C}$ y $1\ \text{atm}$, no en Bogotá a su altitud). Por ejemplo, un gas de densidad $1{,}25\ \text{g/L}$ en condiciones normales tiene $M = 1{,}25 \times 22{,}4 = 28\ \text{g/mol}$.

Fórmulas a partir de un análisis de combustión

Si quemas un hidrocarburo (como el gas propano de los cilindros domésticos), todo el carbono acaba en el $\text{CO}_2$ y todo el hidrógeno en el $\text{H}_2\text{O}$. Pesando esos productos recuperas las masas de C y H de la muestra:

  • $m_\text{C} = m_{\text{CO}_2} \times \dfrac{12}{44}$

  • $m_\text{H} = m_{\text{H}_2\text{O}} \times \dfrac{2}{18}$

Si $m_\text{C} + m_\text{H}$ es igual a la masa quemada, el compuesto solo tiene C y H (conservación de la masa). Después pasas a moles y sigues el procedimiento de la fórmula empírica.

Un experimento casero con conservación de la masa

En un vaso abierto, la masa que se «pierde» al reaccionar bicarbonato con vinagre es el $\text{CO}_2$ que escapó al aire: no se destruyó nada. Si graficas la masa de $\text{CO}_2$ desprendida en función de la masa de bicarbonato, obtienes una recta mientras el bicarbonato es el reactivo límite, y después se estabiliza porque se acaba el vinagre.

Ampliación: hidratos

Algunas sales atrapan moléculas de agua en su cristal, como el $\text{CuSO}_4 \cdot 5\ \text{H}_2\text{O}$ (masa molar $249{,}5\ \text{g/mol}$): su porcentaje de agua es $\dfrac{5 \times 18}{249{,}5} \times 100 = 36{,}1\ \%$.

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El sulfato de cobre(II) pentahidratado, $\text{CuSO}4 \cdot 5\ \text{H}2\text{O}$, es la sal azul que se usa en las prácticas de cristalización. Su masa molar es…

El sulfato de cobre(II) pentahidratado, $\text{CuSO}_4 \cdot 5\ \text{H}_2\text{O}$, es la sal azul que se usa en las prácticas de cristalización. Su masa molar es $249,5\ \text{g/mol}$ y la del agua, $18\ \text{g/mol}$. La figura muestra qué significa «pentahidratado»:

sulfato de cobre(II) 5 H₂O de cristalización
  1. a) Calcula el porcentaje en masa de agua de cristalización en la sal hidratada.
  2. b) Si se calientan $50\ \text{g}$ de la sal azul hasta deshidratarla por completo, ¿qué masa de agua se desprende?
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Vuelve al principio: en un bulto de $25\ \text{kg}$ de NPK 15-15-15, el $15\ \%$ de nitrógeno significa $25 \times 0{,}15 = 3{,}75\ \text{kg}$ de nitrógeno: traduces el porcentaje de la etiqueta a masa real. Y con la composición de un análisis, más la masa molar, llegas a la fórmula.

Resumen

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