IQ2013-Guia 6 de Relaciones Estequiometricas

Introduccin a la Qumica (#10017) Curso 2013 Gua 6 - pgina 1 de 9

Universidad Nacional de Lujn - Dto. de Ciencias Bsicas

INTRODUCCIN A LA QUMICA - 2013

6 - Gua de relaciones estequiomtricas.

En las unidades anteriores hemos ejercitado la escritura de ecuaciones que

representan fenmenos qumicos, y como la masa atmica derivada de la teora

atmica nos permite predecir la composicin elemental porcentual de las sustancias.

Reuniremos ahora estos contenidos, aplicados a la resolucin de problemas

estequiomtricos. La estequiometra es la parte de la qumica que se interesa en el estudio de las relaciones cuantitativas (de masa, volumen, nmero de moles de

molculas, etc.) entre reactivos y productos en una reaccin

Tomemos por ejemplo la sntesis del agua:

2 H2 + O2 > 2 H2O

Si dispongo de 200g de hidrgeno Cunto oxgeno necesito? De la ecuacin qumica

que representa a esta sntesis, observo que, segn la teora atmica corriente, por

cada cuatro tomos de hidrgeno, necesito dos de oxgeno.

Segn la tabla, las masas atmicas de estos elementos son, respectivamente 1.0079

y 15.9994 uma.

Entonces puedo calcular:

200 g * ( 2 * 15.9994 uma) / ( 4 * 1.0079 uma) = 1587.4 g = 1590 g

(los parntesis en la frmula de arriba, si bien constituyen una falta de ortografa

algebraica, probablemente ayuden a clarificar el procedimiento).

Qu masa de agua podr obtener con esos 200g de hidrgeno? Observo que,

siempre de acuerdo a la teora, con cada cuatro tomos de hidrgeno, obtengo dos

molculas de agua, donde la masa de cada una es

2 * 1.0079 uma + 15.9994 uma = 18.0152 uma.

200 g * ( 2 * 18.0152 uma) / ( 4 * 1.0079 uma ) = 1787.4 g = 1790 g

obtendremos 1790 g de agua (siempre que, naturalmente, dispongamos de por lo

menos 1590 g de oxgeno.

Observe que podramos haber llegado al mismo resultado sumando los 200 g de

hidrgeno con los 1590 g de oxgeno, pero esta es una operacin peligrosa: si nos

equivocamos en el clculo de la masa de oxgeno, nos equivocaremos tambin en el

clculo de la masa de agua. As como hemos procedido, la suma final podr servir de

verificacin de las operaciones anteriores.

1. Dada la combustin del monxido de carbono, para la que proponemos el modelo qumico:

2CO + O2 > 2CO2


suponga que en el estado inicial hay 3.60 moles de molculas de monxido, y una

cantidad suficiente de oxgeno. Cuntos moles de molculas de CO2 habr en el

estado final?

2. Calcule la masa de hidrgeno que se obtendra al electrolizar 0.500g de agua.

3. El SiCl4 (tetracloruro de silicio) puede ser preparado por calentamiento de silicio en atmsfera de cloro:

Si + 2Cl2 > SiCl4

Cuntos gramos de cloro se han consumido en la formacin de un kilogramo de

SiCl4?

En la ejercitacin de los temas de esta unidad

deber repetir una cantidad importante de veces

el procedimiento para calcular masas moleculares.

Si bien es importante que sepa hacerlo a mano con la Tabla Peridica, puede recurrir al sitio de

Internet

http://www.periodni.com/download/c4c.zip

y bajar a su PC la aplicacin Calculator for

Chemists

Vea que fcil. Tambin resuelve cuadrticas, tiene

un til listado de valores de constantes fsicas (el

nmero de Avogadro, por ejemplo), etc.

4. Cuando el cianuro de potasio (KCN) reacciona con los cidos, como ocurre a veces en las cloacas, donde se renen desechos de industrias manejadas

desaprensivamente, se desprende un gas venenoso: el cido cianhdrico (HCN)

KCN + HCl > KCl + HCN

Si se trata una muestra de 140mg de cianuro de potasio con exceso de cido

clorhdrico cuntos gramos, y cuantos moles de molculas de HCN se

formarn, como mximo?

5. El bicarbonato de sodio (NaHCO3; hidrgeno carbonato de sodio) forma parte de la composicin de los esponjantes del pan (polvo de hornear), pues

libera gas carbnico (CO2). Suponiendo que la densidad del dixido de carbono

en las condiciones del horneado fuera un gramo/litro: qu masa de NaHCO3 es

necesaria para conseguir 20.0cm3 de burbujas o poros en un pan?


6. De todos modos, la principal fuente de gas carbnico para el esponjado del pan, es la fermentacin de la glucosa proveniente de la harina: C6H12O6 > 2 C2H5OH + 2 CO2

glucosa etanol

Cul es la masa mxima de etanol que se producen a partir de 100g de glucosa?

7. Calcule la masa de cido clorhdrico necesaria para convertir totalmente 7.32g de carbonato de calcio en cloruro de calcio.

8. Cada unidad (para no decir molcula) de sulfato (VI) de cobre (II) se asocia cuantitativamente con cinco molculas de agua en el sulfato cprico

pentahidratado (CuSO4.5H2O). Cuando a este compuesto se lo calienta por

sobre los 100 grados, se descompone en agua y la sal anhidra. CuSO4.5H2O > CuSO4 + 5H2O

Cul ser el peso final, al calentar 15.00 gramos de sulfato cprico

pentahidratado? (el agua se evapora, suponemos que escapa del sistema).

9. El cianuro de potasio es una sustancia peligrosa empleada en la extraccin de oro porque permite solubilizarlo y as separarlo de los minerales con los que se

encuentra habitualmente mezclado

4 Au + 8 KCN + O2 + H2O > 4 KAu(CN)2 + 4 KOH

La poblacin de Esquel (Chubut) trat de evitar que se instalara una planta de

procesamiento de oro en las proximidades de su ciudad. Cual es la mnima masa

de KCN necesaria para extraer cada gramo de oro? A principios de 2009

naufrag un barco que presumiblemente llevaba 700kg de oro procedente de

esta planta. Suponiendo que el KCN no se recicle Cual es la masa que, como

mnimo se habra empleado en su procesamiento?

10. Cuantos gramos de potasio reaccionarn como mximo con 19.2 gramos de Br2 para formar KBr?

11. Cuntos gramos de cido sulfrico sern necesarios como mnimo- para producir 4.80 g de I2 segn:

HI + KMnO4 + H2SO4 > I2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

(observe que la ecuacin NO est balanceada)

12. El carbonato de calcio, componente principal de la piedra caliza, se descompone por calentamiento (calcinacin) en cal viva (CaO) y dixido de carbono. Calcule la masa de cal que se formar por la calcinacin completa de

una tonelada de carbonato de calcio, y la masa de CO2 proveniente del mineral,

que se libera a la atmsfera por cada bolsa de 40kg de cal viva producida.

14. Qu masa de carbonato de calcio ha dejado -por calcinacin- un residuo de 21.875g de xido de calcio?


15. El xido nitroso (xido de nitrgeno (I) o gas hilarante) puede prepararse en el laboratorio por descomposicin trmica controlada del nitrato de amonio,

reaccin en la que adems se produce agua. Escriba la reaccin balanceada y

responda:que masa de N2O se producir al calentar 5.0 gramos de nitrato de

amonio? Cul ser la masa total de producto (agua ms gas hilarante) en esta

transformacin?

16. La aspirina (C9H8O4) se produce a partir del cido saliclico (C7H6O3) y el anhdrido actico (C4H6O3) segn

C7H6O3 + C4H6O3 > C9H8O4 + C2H4O2

Cunto cido saliclico ser necesario para producir 1.5 102kg de aspirina?

17. El gas de garrafa est compuesto principalmente por butano (C4H10) mientras que la nafta est compuesta principalmente por octano (C8H18) Qu

producir mas anhdrido carbnico, la combustin completa de 100g de butano

puro, o la de 100g de octano puro?

18. El azufre es una impureza frecuente en los carbones minerales que se usan en las usinas trmicas. Al quemar estos combustibles, el azufre presente se

combina con el oxgeno para dar xido de azufre (IV). Para evitar que este

xido contamine la atmsfera, antes que salga por la chimenea se lo hace

reaccionar con xido de calcio, producindose sulfito de calcio. Si una usina

quema aproximadamente 20 tm/da de esta impureza cunto xido de calcio

necesitar como mnimo- por da?

19. Cul de las siguientes sustancias contiene la mayor cantidad de cloro, en masa?

a) 5.0 g KCl, b) 60.0 g NaClO3, c) 0.10 mol KCl, d) 30.0 g MgCl2 e) 0.50 mol Cl2.

20. La lisina, un aminocido esencial en el cuerpo humano contiene C, H, O y N. En un experimento, la combustin completa de 2.175 g de lisina dio 3.94 g de

CO2 Y 1.89 g de H2O.

CaHbOcNd + (a+b) O2 > a CO2 + b H2O (y otras cosas)

En un experimento distinto, 1.873 g de lisina produjeron 0.436 g de NH3.

CaHbOcNd > d NH3 (y otras cosas)

a) Calcule la frmula emprica de la lisina.

b) La masa molar aproximada de la lisina es 150 g. Cul es la frmula molecular

del compuesto?

21. Cierto xido metlico tiene por frmula MO, donde M representa aqu al smbolo qumico del metal no identificado. Una muestra de 39.46 g del


compuesto fue calentada fuertemente en atmsfera de hidrgeno para eliminar

el oxgeno en forma de molculas de agua.

MO + H2 > M + H2O

Al final, quedaron 31.70 g de metal puro como residuo. Calcule la masa atmica

de M e identifique el elemento.

22. Al calentar 0.273g de magnesio puro en atmsfera de nitrgeno, se obtienen 0.378g de un compuesto binario de nitrgeno y magnesio cul es la

frmula emprica de este compuesto?

23. Una cinta de cinc de 2.50g es sumergida en una solucin de AgNO3, formndose un depsito de plata metlica (en reemplazo de parte del cinc,

escriba la reaccin) Si la masa, al cabo de un tiempo de inmersin, es de 3.37g

qu masa de plata se ha depositado?

24. Se disuelven en agua 0.9157g de una mezcla de CaBr2 y NaBr, y luego del agregado de AgNO3 se obtiene un precipitado de 1.6930g de AgBr Cul es el

% de NaBr en la mezcla original?

25. Una muestra de 2.40g de un xido del metal X fue calentada en presencia de CO hasta convertir todo el xido en metal puro, obtenindose 1.68g de ste.

Sabiendo que la masa atmica de X es 55.9uma, demuestre que la frmula mas

simple para el xido es X2O3.

26. Una muestra de un material que contiene cinc fue tratada con un exceso de cido sulfrico, obtenindose sulfato de cinc e hidrgeno. Si la masa de

muestra era de 3.86g y la de hidrgeno producido, 0.0764g cul es la pureza

en % de cinc en la muestra?Qu suposiciones debe hacer para poder contestar

a esta pregunta?

Volviendo al problema inicial, algo modificado: si disponemos de 200g de hidrgeno y

1200 g de oxgeno Qu masa de agua se podr sintetizar? En esta nueva situacin,

lo que debemos hacer, luego de planteada la ecuacin qumica que describe el

fenmeno

2 H2 + O2 > 2 H2O

es averiguar cual es el reactivo que est en menor cantidad (reactivo limitante) y cual es ese del que al final, sobrar algo (reactivo en exceso). A veces, las cantidades de reactivos se pueden calcular justo como para que dentro del error de

medida- no sobre nada de ninguno de ellos. En estos casos, como ocurre con las

titulaciones, decimos que los reactivos estn en las proporciones estequiomtricas.


Veamos, hay varias formas equivalentes de plantear la solucin de este nuevo

problema, por ejemplo:

con 200 g de hidrgeno puedo sintetizar

200 g * ( 2 * 18.0152 uma) / ( 4 * 1.0079 uma ) = 1787.4 g = 1790 g de agua, y

con 1200 g de oxgeno

1200 g * ( 2 * 18.0152 uma) / ( 2 * 15.9994 uma) = 1351,2 g = 1350 g de agua.

As queda a la vista que el reactivo limitante es el oxgeno, que podremos obtener

1350 g de agua y sobrar hidrgeno sin reaccionar.

Otra forma, tal vez ms qumica de detectar al reactivo limitante consiste en

verificar la proporcin molar de los reactivos, con la de los coeficientes

estequiomtricos:

H / O : 4 / 2 = 2 ; (200 g / 1.0079 uma) / (1200 g / 15.9994 uma) = 2,65

Puesto que 2 < 2.65; 200 g de hidrgeno deben tener mas tomos que los que

requieren los 1200 g de oxgeno.

Qu masa de hidrgeno est sobrando (est en exceso)? Puesto que el oxgeno es el

reactivo limitante podemos calcular con que masa de hidrgeno se combinar:

1200 g * ( 4 * 1.0079 uma ) / ( 2 * 15.9994 uma) = 151,19 g = 150 g de

hidrgeno

El exceso de hidrgeno es de

200 g 150 g = 50 g

Al mismo resultado llegaramos con una operacin ms simple sabe por que?

200 g * ( 1 - 2 / 2.65 ) = 50 g de hidrgeno

27. La posibilidad de que el ozono "bueno" de la alta atmsfera est siendo destruido por sustancias producidas por el hombre es motivo de preocupacin y

debate en los ltimos aos. El xido de nitrgeno (II) es uno de los productos

en cuestin, pues podra reaccionar as:

O3 + NO > O2 + NO2

Si se permite reaccionar a 0.740 gramos de ozono con 0.670 gramos de NO

cuntos gramos de NO2 se podran producir? Calcule el nmero de moles de

reactivo en exceso que permanecen sin reaccionar una vez agotado el reactivo

limitante.

28. Si se permite reaccionar a 0.86 moles de MnO2 con 48.2 gramos de HCl (reaccin en la que se producen MnCl2, Cl2 y H2O) Qu reactivo se agotar

primero? Cuntos gramos de cloro se producirn?

29. El tetrafluoruro de azufre (SF4) reacciona con el xido de yodo (V) dando pentafluoruro de yodo (IF5) y xido de azufre (IV). Escriba la ecuacin

correspondiente a esta transformacin, y calcule la masa de IF5 que podr


obtenerse como mximo- a partir de 10.0 gramos de tetrafluoruro de azufre y

10 gramos de xido de yodo (V).

Hasta aqu hemos supuesto drogas ideales, constituidas por sustancias puras. En la

prctica no es as: las sustancias no existen, por mucho que se pueda purificar un

material, siempre queda contaminado con otras cosas (en general, de propiedades

similares). Por esa razn las sustancias que se comercializan declaran en la etiqueta

su pureza, esto es, que fraccin del material que uno compra corresponde realmente a la sustancia que quiere comprar. Volviendo al ejemplo inicial, supongamos que la pureza del hidrgeno es 95%, y la del

oxgeno, 80%.

2 H2 + O2 > 2 H2O

Nuestro clculo debe modificarse:

200 g H2 95% = 200 g * 95 / 100 = 190 g H2 (puro)

y, como antes

190 g * ( 2 * 15.9994 uma) / ( 4 * 1.0079 uma) = 1508.3 g = 1510 g O2 (puro)

que puedo encontrar en

1508.3 g O2 (puro) = 1508.3 g * 100 / 80 = 1885.0 g =1880 g O2 80%

30. El butano (C4H10) se usa entre otras cosas como combustible de los encendedores de cigarrillos. Arde con el oxgeno del aire, produciendo CO2 y

H2O. Suponga que enciende un encendedor que tiene 5.0 gramos de butano

dentro de una habitacin hermticamente cerrada, de 25m3 de volumen.

Considerando que la densidad del aire es de aproximadamente 1 gramo por litro,

y slo el 20% de ste es oxgeno: que se acabar primero, el gas o el oxgeno?

31. Calcule la masa de cido clorhdrico de 20% de pureza, necesaria para convertir totalmente 7.32g de carbonato de calcio 98% en cloruro de calcio.

32. El SiCl4 (tetracloruro de silicio) puede ser preparado por calentamiento de silicio en atmsfera de cloro:

Si + 2Cl2 > SiCl4

Cuntos gramos de cloro 96% se han consumido en la formacin de un

kilogramo de SiCl4?

33. Calcule la pureza de una muestra de cinc metlico, sabiendo que 20.5g del mismo, al ser tratados con cido clorhdrico en exceso, producen 27.35g de

cloruro de cinc.

34. El xido de titanio(IV), pigmento blanco usado en plsticos y pinturas, se obtiene a partir de un mineral llamado ilmenita, constituido principalmente por

titanato ferroso (FeTiO3):

FeTiO3 + H2SO4 > TiO2 + FeSO4 + H2O


En un proceso en el que 8.00toneladas de mineral produjeron 3.67toneladas de

TiO2. Cul era el contenido de FeTiO3 en el mineral, en porciento?

Hasta aqu hemos supuesto que las fenmenos qumicos descritos en los ejercicios

ocurran as como se describe en las ecuaciones: pongo dos tomos de hidrgeno y un

tomo de oxgeno, tengo una molcula de agua, no sobra ni falta nada; pongo dos

moles de tomos de hidrgeno y un mol de tomos de oxgeno, tengo un mol de

molculas de agua, no sobra ni falta nada. Pero, siendo el mol una cantidad tan

grande puedo asegurar que en lo que experimentalmente consideramos dos moles de

tomos de hidrgeno y un mol de tomos de oxgeno, hay justo el doble de tomos de

hidrgeno que de oxgeno? Adems de haber podido pesar mal, o de manera

insuficientemente exacta, puede haber una mala estima de la pureza de los

reactivos, el recipiente donde se efecta la reaccin puede tener prdidas, haber

estado inicialmente sucio, etc. Por muchas razones, la masa de productos realmente

obtenida en una experiencia puede ser mayor o menor a la estimada con el modelo

terico.

Al cociente entre lo realmente obtenido y lo esperado se lo llama rendimiento, a veces expresado como %

35. El fluoruro de hidrgeno puede ser obtenido mediante: CaF2 + H2SO4 > CaSO4 + 2HF

Se tratan 6.00kg de CaF2 con un exceso de H2SO4, obtenindose 2.86kg de HF.

Calcule el rendimiento (como tal, y en porciento) de la transformacin.

36. Un mtodo comn para obtener oxgeno en el laboratorio se basa en la descomposicin trmica del clorato (V) de potasio, en la que se produce,

adems, KCl. Calcule la masa de oxgeno producida por la descomposicin de

46.0g de un clorato de potasio de 82% de pureza, con un rendimiento del 70%.

37. La nitroglicerina es un explosivo que se descompone segn: 4C3H5N3O9 > 6N2 + 12CO2 +10H2O + O2

La veloz formacin de los productos gaseosos, junto con la generacin de calor,

es la que produce la explosin. Calcule el rendimiento (como tal, y en porciento)

en una explosin en la que 200g de nitroglicerina producen 6.55g de O2.

38. Una forma de obtener cianuro de sodio ( NaCN ) es mediante N2 + 4 C + Na2CO3 2 NaCN + 3 CO

En una experiencia se hacen reaccionar 30g de carbonato de sodio de 99.98%

de pureza con 40.0g de carbono de 90% de pureza, y nitrgeno en exceso. Se

obtienen 23.25g de cianuro de sodio y 14.92g de monxido de carbono cul ha

sido el rendimiento de la transformacin?


Las planillas de clculo resultan una herramienta muy til en los clculos

estequiomtricos, principalmente porque ayudan a ordenar el desarrollo de la

resolucin, a poner de manifiesto que representa cada paso, facilitar la revisin

final. La planilla a continuacin muestra como resolvera un qumico el problema

anterior: en el primer rengln se declaran los reactivos y productos, en el segundo

los coeficientes estequiomtricos.

El tercer rengln contiene los datos del enunciado, mediante los datos de pureza se

obtienen los valores estimados para los reactivos puros.

En el sptimo rengln se calcula la cantidad de moles de reactivos y productos

involucrados en la reaccin, base para el clculo final del resultado.

Comparando la cantidad de moles de cada reactivo con los coeficientes

estequiomtricos se observa que el carbono es el limitante: 0.283mol de carbonato

pueden reaccionar hasta con 1.13mol de carbono, pero de ste slo hay 0.30mol.

Estos 0.30mol de carbono permitirn obtener tericamente el doble de cianuro y el

triple de CO (rengln 9).

Finalmente, con los datos de moles de producto obtenidos (as como los declara el

enunciado) y los tericamente obtenibles, se calcula el rendimiento: 79% respecto

del NaCN y 59% respecto del CO.

39. Al hacer reaccionar 1.20kg de cido clorhdrico de 30% de pureza con 0.550kg de hidrxido de sodio de 99% de pureza, se obtuvieron 700 g de NaCl.

Calcule el rendimiento, y proponga razones experimentales para el resultado

obtenido.

40. El octano (C8H18, uno de los componentes de la nafta) produce CO2 y agua cuando se quema totalmente, y CO y agua cuando lo hace de forma incompleta.

En un ensayo, se consume (quema) en un motor un litro de octano, obtenindose

3.046kg de mezcla de CO2, CO y H2O. Calcule la eficiencia de la combustin (la

fraccin de octano que se convierte a CO2 y no a CO) teniendo en cuenta que la

densidad del octano es 0.700g/mL.

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