Cálculos estequiométricos
En una casa de Montevideo, Valentina se pregunta: «¿cuánto oxígeno gasta la cocina a gas para quemar un kilo de gas natural?». La ecuación balanceada solo dice que $1$ molécula de metano (el componente principal del gas natural) necesita $2$ de oxígeno. Para saber cuántos kilogramos de oxígeno se usan, o cuánto CO₂ sale al ambiente, necesitás un puente entre las partículas y la balanza: el mol. Al final de la página volvemos a esta pregunta.
La masa molar: del peso en gramos a los moles
Si pesás $12\ \text{g}$ de carbono y $12\ \text{g}$ de magnesio, las dos balanzas marcan lo mismo. Pero un átomo de magnesio tiene el doble de masa que uno de carbono, así que en el plato del magnesio hay la mitad de átomos. ¿Cómo contar partículas solo pesando?
La glucosa que usan tus músculos al hacer deporte tiene fórmula $\text{C}6\text{H}{12}\text{O}6$. Calculá su masa molar y explicá con una frase qué significa ese valor…
La glucosa que usan tus músculos al hacer deporte tiene fórmula $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$. Calculá su masa molar y explicá con una frase qué significa ese valor (masas atómicas: $\text{H} = 1\ \text{u}$; $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).
Un vaso contiene $36\ \text{g}$ de agua. Sabiendo que la masa molar del agua es $18\ \text{g/mol}$, calculá cuántos moles de agua hay en el vaso.
Un vaso contiene $36\ \text{g}$ de agua. Sabiendo que la masa molar del agua es $18\ \text{g/mol}$, calculá cuántos moles de agua hay en el vaso.
En un matraz hay $0,5\ \text{mol}$ de dióxido de carbono. Sabiendo que la masa molar del $\text{CO}2$ es $44\ \text{g/mol}$, calculá la masa de gas que contiene el…
En un matraz hay $0,5\ \text{mol}$ de dióxido de carbono. Sabiendo que la masa molar del $\text{CO}_2$ es $44\ \text{g/mol}$, calculá la masa de gas que contiene el matraz.
La ecuación balanceada se lee en moles
Una ecuación balanceada dice cuántas partículas reaccionan entre sí. Como un mol es simplemente un paquete grande y fijo de partículas, los mismos coeficientes valen para moles.
$$\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$$Se lee: $1$ mol de metano reacciona con $2$ mol de oxígeno y produce $1$ mol de CO₂ y $2$ mol de agua. Si duplicás los moles de metano, se duplican todos los demás.
La ecuación ajustada de la combustión del metano, $\text{CH}4 + 2\ \text{O}2 \rightarrow \text{CO}2 + 2\ \text{H}2\text{O}$, también se puede leer en moles. a) ¿Cuántos…
La ecuación ajustada de la combustión del metano, $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$, también se puede leer en moles.
- a) ¿Cuántos moles de oxígeno hacen falta para quemar $3\ \text{mol}$ de metano?
- b) ¿Cuántos moles de dióxido de carbono y cuántos de agua se forman entonces?
La ecuación de la formación del agua es $2\ \text{H}2 + \text{O}2 \rightarrow 2\ \text{H}2\text{O}$. Si se queman completamente $4\ \text{mol}$ de hidrógeno: a) ¿Cuántos…
La ecuación de la formación del agua es $2\ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O}$. Si se queman completamente $4\ \text{mol}$ de hidrógeno:
- a) ¿Cuántos moles de oxígeno se consumen?
- b) ¿Cuántos moles de agua se forman?
En la síntesis del amoniaco, $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightarrow 2\ \text{NH}3$, se hacen reaccionar $6\ \text{mol}$ de hidrógeno con el nitrógeno suficiente. a)…
En la síntesis del amoniaco, $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$, se hacen reaccionar $6\ \text{mol}$ de hidrógeno con el nitrógeno suficiente.
- a) ¿Cuántos moles de nitrógeno se consumen?
- b) ¿Cuántos moles de amoníaco se obtienen?
El método general: masa → mol → mol → masa
En el laboratorio y en la industria no se miden moles, se pesan gramos. Por eso casi todo problema sigue cuatro pasos.
En un asado se queman $12\ \text{g}$ de carbono según la ecuación $\text{C} + \text{O}2 \rightarrow \text{CO}2$. Calculá, pasando por los moles, qué masa de dióxido de…
En un asado se queman $12\ \text{g}$ de carbono según la ecuación $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$. Calculá, pasando por los moles, qué masa de dióxido de carbono se forma (masas atómicas: $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).
La caldera de una vivienda quema $16\ \text{g}$ de metano según la ecuación $\text{CH}4 + 2\ \text{O}2 \rightarrow \text{CO}2 + 2\ \text{H}2\text{O}$. Calculá, pasando…
La caldera de una vivienda quema $16\ \text{g}$ de metano según la ecuación $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$. Calculá, pasando por los moles:
- a) La masa de oxígeno que consume.
- b) La masa de dióxido de carbono que emite.
(masas molares: $\text{CH}_4 = 16\ \text{g/mol}$; $\text{O}_2 = 32\ \text{g/mol}$; $\text{CO}_2 = 44\ \text{g/mol}$).
Un aparato de electrólisis descompone $90\ \text{g}$ de agua según la ecuación $2\ \text{H}2\text{O} \rightarrow 2\ \text{H}2 + \text{O}2$. Calculá, pasando por los…
Un aparato de electrólisis descompone $90\ \text{g}$ de agua según la ecuación $2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{H}_2 + \text{O}_2$. Calculá, pasando por los moles:
- a) La masa de hidrógeno obtenida.
- b) La masa de oxígeno desprendido.
(masas molares: $\text{H}_2\text{O} = 18\ \text{g/mol}$; $\text{H}_2 = 2\ \text{g/mol}$; $\text{O}_2 = 32\ \text{g/mol}$).
Más práctica del mismo método, con distintas ecuaciones:
Una pieza de acero de $56\ \text{g}$ de hierro se oxida por completo según la ecuación $4\ \text{Fe} + 3\ \text{O}2 \rightarrow 2\ \text{Fe}2\text{O}3$. Calculá, pasando…
Una pieza de acero de $56\ \text{g}$ de hierro se oxida por completo según la ecuación $4\ \text{Fe} + 3\ \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{Fe}_2\text{O}_3$. Calculá, pasando por los moles, la masa de óxido de hierro(III) que se forma (masas molares: $\text{Fe} = 56\ \text{g/mol}$; $\text{Fe}_2\text{O}_3 = 160\ \text{g/mol}$).
Un reactor quiere producir $34\ \text{g}$ de amoníaco según la ecuación $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightarrow 2\ \text{NH}3$. Calculá, pasando por los moles, qué masa de…
Un reactor quiere producir $34\ \text{g}$ de amoníaco según la ecuación $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$. Calculá, pasando por los moles, qué masa de hidrógeno debe alimentar como mínimo (masas molares: $\text{H}_2 = 2\ \text{g/mol}$; $\text{NH}_3 = 17\ \text{g/mol}$).
Compará el oxígeno que necesitan dos combustibles gaseosos. Por un lado, la combustión del metano:…
Compará el oxígeno que necesitan dos combustibles gaseosos. Por un lado, la combustión del metano: $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$; por otro, la del propano: $\text{C}_3\text{H}_8 + 5\ \text{O}_2 \rightarrow 3\ \text{CO}_2 + 4\ \text{H}_2\text{O}$.
- a) Calculá la masa de oxígeno necesaria para quemar $16\ \text{g}$ de metano.
- b) Calculá la masa de oxígeno necesaria para quemar $44\ \text{g}$ de propano.
- c) Expresá ambos resultados en gramos de oxígeno por gramo de combustible y razoná, mirando las fórmulas de los dos gases, por qué el que tiene mayor proporción de hidrógeno en su molécula consume más oxígeno por gramo.
(masas molares: $\text{CH}_4 = 16\ \text{g/mol}$; $\text{C}_3\text{H}_8 = 44\ \text{g/mol}$; $\text{O}_2 = 32\ \text{g/mol}$).
Materias primas impuras: la pureza
Las materias primas reales casi nunca son puras. La caliza que se hornea para hacer cal, o el mineral de hierro, trae impurezas que no reaccionan. Solo la parte pura entra al cálculo.
En un horno de cal se descomponen $100\ \text{g}$ de carbonato de calcio según la ecuación $\text{CaCO}3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}2$. Calculá, pasando por los…
En un horno de cal se descomponen $100\ \text{g}$ de carbonato de calcio según la ecuación $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$. Calculá, pasando por los moles, la masa de cal viva ($\text{CaO}$) que se obtiene (masas molares: $\text{CaCO}_3 = 100\ \text{g/mol}$; $\text{CaO} = 56\ \text{g/mol}$).
Una cantera le suministra a una fábrica de cal una piedra caliza que contiene un $80\ \%$ de carbonato de calcio (el resto son impurezas que no reaccionan). Se cargan en…
Una cantera le suministra a una fábrica de cal una piedra caliza que contiene un $80\ \%$ de carbonato de calcio (el resto son impurezas que no reaccionan). Se cargan en el horno $250\ \text{g}$ de esa piedra: $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$. La barra muestra la composición de la piedra:
- a) ¿Qué masa de carbonato de calcio entra realmente en el horno?
- b) Calculá, pasando por los moles, la masa de cal viva ($\text{CaO}$) que se obtiene.
(masas molares: $\text{CaCO}_3 = 100\ \text{g/mol}$; $\text{CaO} = 56\ \text{g/mol}$).
Una acería recibe un mineral de hierro con un $80\ \%$ de óxido de hierro(III) (el resto es ganga inerte). En el alto horno, el óxido reacciona según…
Una acería recibe un mineral de hierro con un $80\ \%$ de óxido de hierro(III) (el resto es ganga inerte). En el alto horno, el óxido reacciona según $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\ \text{CO} \rightarrow 2\ \text{Fe} + 3\ \text{CO}_2$. Se cargan $200\ \text{g}$ de mineral:
- a) ¿Qué masa de $\text{Fe}_2\text{O}_3$ contiene esa carga?
- b) Calculá, pasando por los moles, la masa de hierro que se obtiene.
(masas molares: $\text{Fe}_2\text{O}_3 = 160\ \text{g/mol}$; $\text{Fe} = 56\ \text{g/mol}$).
El reactivo limitante
Cuando preparás choripanes, si tenés 30 panes y 10 chorizos, te alcanzan solo para 10 choripanes aunque sobren panes. En las reacciones pasa igual.
Una planta química hace reaccionar $28\ \text{g}$ de nitrógeno con hidrógeno en exceso según la ecuación $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightarrow 2\ \text{NH}3$. Calculá,…
Una planta química hace reaccionar $28\ \text{g}$ de nitrógeno con hidrógeno en exceso según la ecuación $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$. Calculá, pasando por los moles, la masa de amoníaco que se obtiene (masas molares: $\text{N}_2 = 28\ \text{g/mol}$; $\text{NH}_3 = 17\ \text{g/mol}$).
Volvé al principio: al quemar $1\ \text{kg}$ de metano ($M = 16\ \text{g/mol}$) hay $62{,}5\ \text{mol}$; la relación $1:2$ exige $125\ \text{mol}$ de O₂, o sea $125 \times 32 = 4.000\ \text{g}$. La cocina de Valentina necesita $4\ \text{kg}$ de oxígeno por cada kilogramo de gas natural, y desprende $62{,}5 \times 44 = 2{,}75\ \text{kg}$ de CO₂.