En química, la estequiometría ye'l cálculu de les rellaciones cuantitatives ente los reactivos y productos nel intre d'una reacción química.«Química II: un enfoque constructivista» (2007). Pearson Educación. p. 31. Estes rellaciones pueden deducise a partir de la teoría atómica, anque históricamente enunciáronse ensin faer referencia a la composición de la materia, según distintes lleis y principios.
El primeru qu'enunció los principios de la estequiometría foi Jeremias Benjamin Richter (1762-1807), en 1792, quien describió la estequiometría de la siguiente manera:
Tamién estudia la proporción de los distintos elementos nun compuestu químicu y la composición d'amiestos químicos.
Principiu Una reacción química produzse cuando hai un cambéu na identidá química de les sustancies intervinientes; esto significa que nun ye posible identificar a les mesmes sustancies antes y dempués de producise la reacción química, los reactivos peracabar pa dar llugar a los productos.
A escala microscópica una reacción química producir pol choque de les partícules qu'intervienen yá sían molécules, átomos o iones, anque puede producise tamién pol choque de dellos átomos o molécules con otros tipos de partícules, tales como electrones o fotones. Esti choque provoca que les uniones qu'esistíen primero ente los átomos ruémpanse y facilítese que se formen nueves uniones. Ye dicir que, a escala atómica, ye un reordenamientu de los enllaces ente los átomos qu'intervienen. Esti reordenamientu producir por desplazamientos d'electrones: unos enllaces ruémpense y otros fórmense, sicasí los átomos implicaos nun sumen, nin se crean nuevos átomos. Esto ye lo que se conoz como llei de caltenimientu de la masa, ya implica los dos principios siguientes:
El númberu total d'átomos antes y dempués de la reacción química nun camuda. El númberu d'átomos de cada tipu ye igual antes y dempués de la reacción.
Nel intre de les reacciones químiques les partícules subatómiques tampoco sumen, el númberu total de protones, neutrones y electrones permanez constante. Y como los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa, la suma total de cargues nun se modificar. Esto ye especialmente importante tenelo en cuenta pal casu de los electrones, yá que ye posible que mientres l'intre d'una reacción química salten d'un átomu a otru o d'una molécula a otra, pero'l númberu total d'electrones permanez constante. Esto que ye una consecuencia natural de la llei de caltenimientu de la masa denominar llei de caltenimientu de la carga ya implica que:
La suma total de cargues antes y dempués de la reacción química permanez constante.
Les rellaciones ente les cantidaes de reactivos consumíos y productos formaos dependen direutamente d'estes lleis de caltenimientu, y polo tanto pueden ser determinaes por una ecuación (igualdá matemática) que les describa. A esta igualdá llámase-y ecuación estequiométrica.
Ecuaciones químiques
Una ecuación química ye una representación escrita d'una reacción química. Basar nel usu de símbolos químicos qu'identifiquen a los átomos qu'intervienen y como s'atopen arrexuntaos antes y dempués de la reacción. Cada grupu d'átomos atópase separáu por símbolos (+) y representa a les molécules que participen, cuenta amás con una serie de númberos qu'indiquen la cantidá d'átomos de cada tipu que les formen y la cantidá de molécules qu'intervienen, y con una flecha qu'indica la situación inicial y la final de la reacción. Asina por casu na reacción:
Tenemos los grupos d'átomos (molécules) siguientes:
O2 H2 H2O
Subíndices Los subíndices indiquen la atomicidad, ye dicir la cantidá d'átomos de cada tipu que formen cada agrupación d'átomos (molécula). Asina'l primer grupu enriba representáu, indica a una molécula que ta formada por 2 átomos d'oxíxenu, el segundu a dos molécules formaes por 2 átomos d'hidróxenu, y el terceru representa a un grupu de dos molécules formaes caúna por 2 átomos d'hidróxenu y unu d'oxíxenu, ye dicir dos molécules d'agua.
Coeficiente estequiométrico
Ye'l númberu de molécules d'un determináu tipu que participa nuna ecuación química dada nel orde nel que ta escrita. Nel siguiente exemplu:
El coeficiente del metanu ye 1, el del oxíxenu 2, el del dióxidu de carbonu 1 y el de l'agua 2. Los coeficientes estequiométricos son en principiu número enteros, anque p'afaer ciertes reacciones dalguna vegada empleguen númberos fraccionarios.
Cuando'l coeficiente estequiométrico ye igual a 1, nun s'escribe. Por eso, nel exemplu CH4 y CO2 nun lleven nengún coeficiente delantre.
Asina por casu
O2
Tien De lleese como 1(O2) esto ye, un grupu de molécules d'oxíxenu. Y la espresión:
2H2O
Tien De lleese como 2(H2O), ye dicir dos grupos o molécules, cada unu de los cualos atópase formáu por dos átomos d'hidróxenu y unu d'oxíxenu.
Llectura d'una ecuación química
Puesto que una ecuación química ye una representación simplificada o mínima d'una reacción química, ye importante considerar tolos datos representaos; yá que perder de vista a dalgún significa nun entender realmente la situación representada. Los símbolos y subíndices representen a les especies químiques que participen, y los coeficientes representen al númberu de molécules de cada tipu que s'atopen participando de la reacción.
Finalmente la flecha indica cual ye'l sentíu predominante nel cual la reacción química progresa. Asina nel exemplu anterior vemos que CH4 y O2 atópase na situación "antes de", ye dicir del llau de los reactivos y H2O y CO2 atópase na situación de "dempués de", ye dicir del llau de los productos. La ecuación completa tendría de lleese asina:
Balance de materia Dizse qu'una ecuación química atópase afecha, equilibrada o banciada cuando respeta la llei de caltenimientu de la materia, según la cual la cantidá d'átomos de cada elementu tien de ser igual del llau de los reactivos (antes de la flecha) y en llau de los productos de la reacción (dempués de la flecha).
Pa banciar una ecuación, tienen d'afaese los coeficientes, y non los subíndices. Esto ye asina porque cada tipu de molécula tien siempres la mesma composición, ye dicir atópase siempres formada pola mesma cantidá d'átomos, si modificamos los subíndices tamos nomando a sustancies distintes:
H2O ye agua común y corriente, pero H2O2 ye peróxidu d'hidróxenu una sustancia químico totalmente distinta. Al modificar los coeficientes namái tamos diciendo que ponemos más o menos de tal o cual sustancia.
Por casu, na reacción de combustión de metanu (CH4), ésti combínase con oxíxenu molecular (O2) del aire pa formar dióxidu de carbonu (CO2) y agua. (H2O). La reacción ensin afaer va ser:
Nesta ecuación, les incógnites son a, b, c y d, que son los denominaos coeficientes estequiométricos. Pa calculalos, tien de tenese en cuenta la llei de caltenimientu de la materia, polo que la suma de los átomos de cada elementu tien de ser igual nos reactivos y nos productos de la reacción. Esisten tres métodos principales pa banciar una ecuación estequiométrica, que son, el métodu de tantéu, el métodu alxebraicu y el métodu d'ión-electrón pa ecuaciones de tipu redox.
Métodu de valumbu per tantéu
El métodu de tantéu básase a cencielles en modificar los coeficientes d'unu y otru llau de la ecuación hasta que se cumplan les condiciones de balance de masa. Nun ye un métodu ríxidu, anque tien una serie de delineamientos principales que pueden facilitar l'atopar rápido la condición d'igualdá.
Empieza igualándose l'elementu que participa con mayor estáu d'oxidación en valor absolutu. Síguese ordenadamente polos elementos que participen con menor tao d'oxidación. Si la ecuación contién oxíxenu, convién banciar l'oxíxenu en segunda instancia. Si la ecuación contién hidróxenu, convién banciar l'hidróxenu n'última instancia.
Nel exemplu, puede reparase que l'elementu que participa con un estáu d'oxidación de mayor valor absolutu ye'l carbonu qu'actúa con estáu d'oxidación (+4), mientres el oxíxenu facer con estáu d'oxidación (-2) y l'hidróxenu con (+1).
Empezando col carbonu, igualar de la forma más senciella posible, ye dicir con coeficiente 1 a cada llau de la ecuación, y de ser necesariu depués corríxese.
Sigue igualándose l'oxíxenu, puede reparase qu'a la derecha de la ecuación, según ta plantegada, hai 3 átomos d'oxíxenu, ente qu'a la izquierda hai una molécula que contién dos átomos d'oxíxenu. Como nun se deben tocar los subíndices p'afaer una ecuación, a cencielles añadimos media molécula más d'oxíxenu a la izquierda:
O lo que ye lo mesmo:
Depués iguálase l'hidróxenu. A la izquierda de la ecuación hai cuatro átomos d'hidróxenu, ente qu'a la derecha hai dos. Añadir un coeficiente 2 frente a la molécula d'agua pa banciar l'hidróxenu:
L'hidróxenu queda banciáu, sicasí agora puede reparase qu'a la izquierda de la ecuación hai 3 átomos d'oxíxenu (3/2 de molécula) ente qu'a la derecha hai 4 átomos d'oxíxenu (2 nel óxidu de carbonu (II) y 2 nes molécules d'agua). Bánciase nuevamente l'oxíxenu amestando un átomu más (1/2 molécula más) a la izquierda:
O lo que ye lo mesmo:
Agora la ecuación queda perfectamente banciada. El métodu de tantéu ye útil pa banciar rápido ecuaciones sencielles, sicasí tórnase súmamente engarrosu pa banciar ecuaciones nes cualos hai más de trés o cuatro elementos que camuden los sos estaos d'oxidación. Nesos casos resulta más senciellu aplicar otros métodos de valumbu.
Métodu de valumbu alxebraicu El métodu alxebraicu basar nel planteamientu d'un sistema d'ecuaciones na cual los coeficientes estequiométricos participen como incógnites, procediendo depués estenar estes incógnites. Ye posible sicasí que munches vegaes queden plantegaos sistemes d'ecuaciones con más incógnites qu'ecuaciones, nesos casos la solución tópase igualando cualesquier de los coeficientes a 1 y depués estenando'l restu en rellación a él. Finalmente multiplíquense tolos coeficientes por un númberu de manera tal d'atopar la menor rellación posible ente coeficientes enteros.
Nel exemplu:
pal elementu hidróxenu (H) hai 4·a átomos nos reactivos y 2·d átomos nos productos. D'esta manera puede plantegase una condición d'igualdá pal hidróxenu:
Hidróxenu: 4·a = 2·d
Y viniendo de la mesma forma pal restu de los elementos participantes llógrase un sistema d'ecuaciones:
Hidróxenu: 4·a = 2·d Oxíxenu: 2·b = 2·c + d Carbonu: a = c
Colo que tenemos un sistema llinial de tres ecuaciones con cuatro incógnites homoxeneu:
Al ser un sistema homoxeneu tenemos la solución trivial:
Pero tenemos de buscar una solución que nun seya trivial, una y bones esta implicaría que nun hai "nengún" átomu, y nun describe'l plantego químicu, prosiguimos a simplificar:
Si, la tercer ecuación, camudar de signu, multiplicar por dos y sumámos-y la primer vamos tener:
Pasando d al segundu miembru, tenemos:
Colo que tenemos el sistema resueltu en función de d:
Tratar n'atopar el menor valor de d que garantice que tolos coeficientes sían númberos enteros, nesti casu faciendo d= 2, vamos tener:
Sustituyendo los coeficientes estequimétricos na ecuación de la reacción, llógrase la ecuación afecha de la reacción:
Ésta diz que 1 molécula de metanu reacciona con 2 molécules d'oxíxenu pa dar 1 molécula de dióxidu de carbonu y 2 molécules d'agua.
Al afitar arbitrariamente un coeficiente y dir deduciendo los demás pueden llograse valores racionales non enteros. Nesti casu, multiplíquense tolos coeficientes pol mínimu común múltiplu de los denominadores. En reacciones más complexes, como ye'l casu de les reacciones redox, emplégase'l métodu del ión-electrón.
Valumbu de les ecuaciones redox
Les reacciones electroquímiques pueden banciase pol métodu ión-electrón onde la reacción global estremar en dos semirreacciones (una d'oxidación y otra d'amenorgamientu), efectúase'l balance de carga y elementu, amestando H+, OH−, H2O y/o electrones pa compensar los cambeos d'oxidación.