Cuando se discute si una cementera de Panamá reducirá sus emisiones de $\text{CO}_2$, o si el «hidrógeno verde» es de verdad limpio, detrás hay siempre lo mismo: una ecuación química balanceada y una calculadora. La estequiometría no se queda en el cuaderno: con ella se diseñan fábricas enteras y se revisan sus efectos en el ambiente.
De la fábrica al medio ambiente: la misma ecuación, otra escala
Una planta de fertilizantes compra materias primas por toneladas. Si encarga de más, pierde dinero; si encarga de menos, el reactor se detiene. ¿Cómo saben cuánto pedir y cuánto contaminante van a emitir?
Mira cómo una ecuación balanceada reorganiza los átomos y conserva la masa total:
Practica★☆☆Sin empezar
Las fábricas de cemento calientan piedra caliza en grandes hornos: $\text{CaCO}3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}2$. a) Señala el reactivo y los productos de la…
Las fábricas de cemento calientan piedra caliza en grandes hornos: $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$.
a) Señala el reactivo y los productos de la reacción.
b) Explica por qué una cementera emite dióxido de carbono aunque el horno se calentara solo con electricidad renovable: ¿de dónde sale ese gas?
En un alto horno, el mineral de hierro reacciona con monóxido de carbono: $\text{Fe}2\text{O}3 + 3\ \text{CO} \rightarrow 2\ \text{Fe} + 3\ \text{CO}2$. a) Señala los…
En un alto horno, el mineral de hierro reacciona con monóxido de carbono: $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\ \text{CO} \rightarrow 2\ \text{Fe} + 3\ \text{CO}_2$.
a) Señala los reactivos y los productos.
b) Explica con una frase qué le hace el monóxido de carbono al óxido de hierro: ¿qué sustancia se queda con su oxígeno?
No todos los combustibles emiten lo mismo por gramo quemado: depende de cuánto carbono llevan frente al hidrógeno. Comparando sus ecuaciones puedes ordenarlos, aunque todos sigan emitiendo $\text{CO}_2$. Piensa en el gas propano del tanque de gas, el gas natural y el carbón de una central térmica.
Practica★★★Sin empezar
No todos los combustibles fósiles ensucian igual. Compara sus emisiones por gramo quemado: Metano:…
No todos los combustibles fósiles ensucian igual. Compara sus emisiones por gramo quemado:
Metano: $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$; $16\ \text{g}$ de metano emiten $44\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$.
Propano: $\text{C}_3\text{H}_8 + 5\ \text{O}_2 \rightarrow 3\ \text{CO}_2 + 4\ \text{H}_2\text{O}$; $44\ \text{g}$ de propano emiten $132\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$.
Carbón (carbono): $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$; $12\ \text{g}$ de carbono emiten $44\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$.
a) Calcula los gramos de $\text{CO}_2$ emitidos por cada gramo de combustible en los tres casos (redondea a un decimal si hace falta).
b) Ordénalos de menos a más contaminante por gramo.
c) Explica, mirando la composición de cada combustible, por qué el gas natural se considera el fósil «menos sucio», y aclara si eso significa que no contribuya al cambio climático.
En la práctica de laboratorio del colegio calculas $10.0\ \text{g}$ de precipitado, pero al filtrar y secar la balanza marca $8.5\ \text{g}$. ¿Por qué casi nunca sale lo que predice el papel? Y en la industria hay otro detalle: las materias primas rara vez son puras.
Pureza de la materia prima
Rendimiento
Producir con proporciones: cemento, hierro, aluminio y más
Con la proporción de masas de la ecuación se resuelve cualquier planta. Los pasos son siempre los mismos: ecuación balanceada → proporción en masa (o moles) → regla de tres con la cantidad real.
Practica★★☆Sin empezar
Una cementera alimenta su horno con $500\ \text{kg}$ de carbonato de calcio: $\text{CaCO}3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}2$, como muestra el esquema del horno.…
Una cementera alimenta su horno con $500\ \text{kg}$ de carbonato de calcio: $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$, como muestra el esquema del horno.
Sabiendo que por cada $100\ \text{kg}$ de carbonato se obtienen $56\ \text{kg}$ de cal viva y $44\ \text{kg}$ de dióxido de carbono, calcula:
a) La masa de cal viva ($\text{CaO}$) producida.
b) La masa de $\text{CO}_2$ emitida a la atmósfera.
Un alto horno procesa $320\ \text{kg}$ de óxido de hierro(III): $\text{Fe}2\text{O}3 + 3\ \text{CO} \rightarrow 2\ \text{Fe} + 3\ \text{CO}2$. La proporción de la…
Un alto horno procesa $320\ \text{kg}$ de óxido de hierro(III): $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\ \text{CO} \rightarrow 2\ \text{Fe} + 3\ \text{CO}_2$. La proporción de la ecuación es: $160\ \text{g}$ de óxido dan $112\ \text{g}$ de hierro y $132\ \text{g}$ de dióxido de carbono. Calcula:
En la fotosíntesis, las plantas fabrican glucosa y liberan oxígeno: $6\ \text{CO}2 + 6\ \text{H}2\text{O} \rightarrow \text{C}6\text{H}{12}\text{O}6 + 6\ \text{O}2$. La…
En la fotosíntesis, las plantas fabrican glucosa y liberan oxígeno: $6\ \text{CO}_2 + 6\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\ \text{O}_2$. La proporción de la ecuación es: por cada $264\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$ absorbidos se liberan $192\ \text{g}$ de $\text{O}_2$. Se estima que los árboles de un parque urbano fijan $1\,320\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ al año, como muestra la figura.
Calcula:
a) La masa de oxígeno que devuelven al aire en un año.
b) Comenta por qué los parques urbanos se consideran «pulmones» de la ciudad.
El aluminio se obtiene por electrólisis de su óxido disuelto: $2\ \text{Al}2\text{O}3 \rightarrow 4\ \text{Al} + 3\ \text{O}2$. La proporción es: $204\ \text{g}$ de…
El aluminio se obtiene por electrólisis de su óxido disuelto: $2\ \text{Al}_2\text{O}_3 \rightarrow 4\ \text{Al} + 3\ \text{O}_2$. La proporción es: $204\ \text{g}$ de óxido dan $108\ \text{g}$ de aluminio.
a) Calcula la masa de aluminio que sale de una cuba electrolítica cargada con $204\ \text{kg}$ de óxido de aluminio.
b) La electrólisis consume muchísima electricidad. Razona por qué reciclar latas de aluminio ahorra tanta energía como se publicita.
Una planta de fertilizantes alimenta su reactor con $140\ \text{kg}$ de nitrógeno: $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightarrow 2\ \text{NH}3$. Ten en cuenta la proporción de…
Una planta de fertilizantes alimenta su reactor con $140\ \text{kg}$ de nitrógeno: $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$. Ten en cuenta la proporción de la ecuación: $28\ \text{g}$ de nitrógeno reaccionan con $6\ \text{g}$ de hidrógeno y dan $34\ \text{g}$ de amoníaco. Calcula:
a) La masa de hidrógeno que la planta necesita comprar.
b) La masa de amoníaco que produciría si el proceso fuera total.
Depurar gases, capturar CO₂ y los límites de esas tecnologías
La misma idea sirve para neutralizar un vertido ácido con cal apagada: $\text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CaSO}_4 + 2\ \text{H}_2\text{O}$. Con $98\ \text{kg}$ de ácido ($1{,}000\ \text{mol}$) hacen falta $1{,}000\ \text{mol}$ de hidróxido, es decir $74\ \text{kg}$.
También se podría capturar el $\text{CO}_2$ de una cementera con cal: $\text{CO}_2 + \text{CaO} \rightarrow \text{CaCO}_3$. Pero la estequiometría muestra un límite: por cada $56\ \text{kg}$ de cal que el horno produce, la propia reacción emitió $44\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$, y a eso se suma el $\text{CO}_2$ del combustible. Capturar el $\text{CO}_2$ de la reacción gastaría $56\ \text{kg}$ de cal por cada $44\ \text{kg}$ de gas, es decir, casi toda la cal producida; el $\text{CO}_2$ del combustible quedaría sin capturar.
Practica★★★Sin empezar
En la contabilidad ambiental de una cementera hay que distinguir dos fuentes de $\text{CO}2$: la reacción química de la piedra,…
En la contabilidad ambiental de una cementera hay que distinguir dos fuentes de $\text{CO}_2$: la reacción química de la piedra, $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$, que emite $44\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por cada $56\ \text{kg}$ de cal producida, y el combustible que se quema para calentar el horno.
a) Explica por qué mejorar el aislamiento del horno y la eficiencia de sus quemadores reduce solo una de las dos fuentes.
b) Razona qué tendría que cambiar para reducir la otra fuente: ¿serviría usar electricidad renovable? ¿Y capturar el gas antes de que salga por la chimenea?
Vuelve al principio: el hidrógeno solo es «verde» si la electricidad de la electrólisis es renovable, y una cementera no puede eliminar sus emisiones solo mejorando el horno: parte del $\text{CO}_2$ sale de la propia reacción de la caliza. Ambas conclusiones salen de la ecuación balanceada.
Resumen
¡A practicar! 5 ejercicios de nivel medio en este apartado