Estequiometria: Formula miníma y empirica

Estequiometría

Una de las partes que conforma a la Química es la Estequiometría, que es el tema de esta unidad con la damos inicio este segundo curso de Química.
La estequiometría es la parte de la química que se encarga de las relaciones cuantitativas de las sustancias y de sus reacciones, tanto en peso como en volumen, es decir se encarga de los cálculos de las cantidades de sustancias que se emplean en los procesos químicos cualquiera que estos sean.

Cuando se conoce la cantidad de una sustancia que toma parte en una reacción química, y se tiene la ecuación química balanceada, se puede establecer las cantidades de los otros reactivos y productos.

Así que también algunos procesos que por si mismos se realizan en la naturaleza, también son motivo es estudio para la estequiometría.

Las cantidades de las sustancias necesarias para realizar un exquisito pastel, los ingredientes para la fabricación de una pasta dental, las cantidades necesarias para obtener determinado volumen de un producto dado (una sopa de pasta, pintura, cemento, etc.), las cantidades de contaminantes que se arrojan al medio ambiente después de un proceso industrial, etc. son motivo de estudio de la estequiometría.

Por lo anterior forma parte de esta unidad el estudio estequiométrico de las reacciones químicas y nos introducimos al análisis de la contaminación ambiental, los tipos y consecuencias de esta.

La estequiometría es la parte de la química que se encarga de las relaciones cuantitativas de las sustancias y de sus reacciones, tanto en peso como en volumen.

Las unidades de medida han sido fundamentales a lo largo de la historia de la humanidad, para saber las cantidades que se tiene, se compra o se vende, en base a la comparación, es decir si se quiere saber cuanta agua se tiene en una cubeta, bien se puede medir que cantidad de tazas del agua se tiene, que cantidad de cucharadas, de litros, de galones, etc. cada una son en este caso utilizadas como unidades de medida.

Puede ser que para medir por ejemplo un poco de granos (por ejemplo fríjol), pudiéramos utilizar como unidad de medida una taza, contar cada fríjol para saber cuantos tenemos, o quizás lo pesamos, siendo todo esto valido para determinar la cantidad que se tiene.


DETERMINACIÓN DE FÓRMULAS MÍNIMAS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS.


Fórmula química.

En el lenguaje de la Química, toda sustancia pura conocida, ya sea un elemento o un compuesto, tiene su nombre y su fórmula individual. Asimismo, cada fórmula química tiene tres significados o interpretaciones: un significado cualitativo, uno cuantitativo microscópico y uno cuantitativo macroscópico.

􀁸 Cualitativo, una fórmula expresa una sustancia; por ejemplo, H2O representa al agua; NaCl representa a la sal de mesa, etcétera.

􀁸 Cuantitativo microscópico, una fórmula molecular indica el número de átomos presentes en una molécula. Así la fórmula de la nicotina, C10H14N2 nos indica que en esta molécula existen 10 átomos de carbono, 14 de hidrógeno y dos de nitrógeno.

Asimismo, la fórmula mínima nos indica la composición de una unidad fórmula; por ejemplo, la unidad fórmula del sulfato de potasio, K2SO4 , nos indica que en ese compuesto por cada dos átomos de potasio hay uno de azufre y cuatro de oxígeno.

La fórmula empírica indica que la relación de átomos de K:S:O es de 2:1:4.

􀁸 Cualitativo macroscópico, La fórmula nos indica las relaciones de moles de átomos. Es decir, una fórmula molecular indica el número de moles de átomos de cada elemento presente en un mol de moléculas del compuesto; por ejemplo, la fórmula de la nicotina indica que un mol de moléculas de nicotina posee 10 moles de átomos de carbono, 14 moles de átomos de hidrógeno y dos moles de átomos de nitrógeno.

En el caso de K2SO4, la fórmula empírica nos indica que un mol de unidades fórmula consta de dos moles de átomos de potasio, un mol de átomos de azufre y cuatro moles de átomos de oxígeno.
Por tanto, la fórmula de una sustancia expresa el tipo y número de átomos que están químicamente combinados en una unidad de dicha sustancia. Hay diversos tipos de fórmulas, entre ellas están:

Una fórmula empírica expresa la relación más simple de números enteros entre los átomos en un compuesto, en tanto la fórmula molecular expresa el número real de átomos de una molécula, esto es, en la unidad más pequeña del compuesto.

Cálculo de fórmulas a partir de datos experimentales

La fórmula de un compuesto permite calcular muchos datos cuantitativos tales como la masa molecular, la masa molar y la composición porcentual.

¿Te has preguntado alguna vez cómo fue posible saber que la fórmula del agua es H2O?.

¿Por qué el agua “normal” tiene como fórmula H2O y el agua “oxigenada” tiene la fórmula H2O2?.

Para llegar a proponer la fórmula de cualquier compuesto es necesario realizar experimentos que consisten en determinar los elementos que forman los compuestos, el porcentaje en peso de los elementos constitutivos del compuesto; la masa relativa de cada elemento presente.

Existen muchos métodos para obtener experimentalmente el porcentaje en peso de los diversos elementos de un compuesto; entre éstos están los análisis por precipitación y por combustión.


Figura 13. Aparato empleado en el análisis por combustión de una sustancia. Cualquier cantidad de C o CO reacciona formando CO2; cuando pasa por el CuO, el H2 reacciona formando H2O.

d) Fórmula mínima (empírica)

Cuando se tiene el análisis de un compuesto, el cual fue obtenido de alguna forma y siguiendo una serie de pasos, se logra obtener la fórmula del compuesto, a la cual se le denomina fórmula mínima. Para llegar a tal se dan los siguientes pasos.

1. Tener los elementos expresados en tanto por ciento.
2. Calcular la masa (grs.) de los elementos.
3. Obtener el número de moles de cada uno de los elementos.
4. Obtener el número de átomos de cada uno de los elementos, para lo cual se debe dividir cada número resultante del paso anterior (c) entre el más pequeño.
5. Expresar la fórmula mínima, colocando primero los metales, posteriormente los no metales y por último el oxígeno.

A continuación te presentamos un ejemplo:

De acuerdo al análisis que se realizó a cierto gas, en el laboratorio, se encontró que estaba conformado por los siguientes gases: Nitrógeno (N) y Oxígeno (O), cuyo porcentaje era de 25.93% y 74.07% respectivamente.
Conforme a estos datos y siguiendo los pasos anteriores podremos saber cuál es la fórmula mínima de este gas.

* Expresar los elementos en tanto por ciento

Nitrógeno N = 25.93% Oxígeno O = 74.07%

* Calcular la masa (grs.) de cada elemento, tomando como base 100 gr. del compuesto

Nitrógeno N = 25.93 gr. Oxígeno O = 74.07 gr.

* Obtener el número de moles.


Calcular la relación de átomos (dividir entre el más pequeño).

Átomos de Nitrógeno



En caso de que la relación no sea de números enteros, se multiplica por un número pequeño (2, 3, 4) para transformarla en números enteros. En nuestro caso, será 2.

* Expresar la fórmula mínima

Por tanto, se obtiene la fórmula mínima de

N2O5 (Pentóxido de nitrógeno o anhídrido nítrico)


e) Formula molecular

La fórmula molecular de una sustancia siempre es un múltiplo entero de su fórmula empírica. Para determinar la fórmula molecular de un compuesto, el químico tiene que proceder experimentalmente para conocer la masa molecular además de su fórmula mínima. En este sentido mencionaremos cuáles son los pasos para obtener la fórmula molecular:

1. Se calcula la fórmula mínima (se retoman los 5 pasos para obtener la fórmula mínima).
2. Obtener la masa atómica de la fórmula mínima obtenida.
3. Dividir la masa atómica experimental entre la masa atómica de la fórmula mínima.
4. El número obtenido en el paso anterior multiplicarlo por la fórmula mínima, por tanto se obtiene la fórmula molecular.

El siguiente ejemplo te mostrará cómo se usa la masa molecular con la fórmula mínima para calcular la fórmula molecular.

Ejemplo

Un combustible licuado casero tiene como constituyente un determinado compuesto. El análisis de este compuesto muestra que contiene 85.69% de carbono y 14.31% de hidrógeno en peso. La determinación de su masa molecular da un valor de 55.9 uma. Calcula la fórmula molecular del compuesto.

1) Calcular la fórmula mínima.



Al calcular la relación de moles tenemos que:



Por tanto, la fórmula mínima es: CH2

2) Obtener la masa atómica de la fórmula empírica. Por tanto, la masa fórmula es de 1(12.00) + 2(1.00) = 14.00 uma

3) Obtener la fórmula empírica por molécula.

La masa molecular es un múltiplo simple de la masa de la fórmula empírica,CH2 esto es, n (14.027 uma), donde n es un número entero.

La masa molecular experimental es 55.9 uma . Por lo tanto,


4) Multiplicar el resultado anterior por la fórmula mínima. Así pues, la fórmula molecular es: 4 (CH2) = C4H8.