¿Cómo resolver problemas de estequiometría fácilmente?

¿Qué cantidad de un medicamento se debe suministrar a un paciente para que reaccione eficientemente? ¿Qué cantidad de etileno se debe hacer reaccionar para producir una cantidad determinada de polietileno? Todo se puede calcular gracias a la estequiometría. La estequiometría es uno de los bloques más importantes en el estudio de la química. Es de suma importancia en la ingeniería y en las ciencias de la salud por sus diversas aplicaciones. Esta rama se centra en todos los diversos cálculos para una ecuación química balanceada donde se relacionan los reactivos y productos. Si no se comprenden los fundamentos de estequiometría, es muy difícil seguirle el paso al curso de Química General I. Por esta razón, te presentaré los pasos para resolver problemas de estequiometría de manera eficiente.

Pasos importantes

1.- Anota todos los datos y entiende del enunciado del problema

Es importante que tengas en cuenta todos los datos del problema: nombres de los compuestos que participan en la reacción, cantidad de los reactivos, eficiencia de la reacción, concentración de las soluciones, densidades, entre otros. Es una buena práctica expresar el enunciado en tus propias palabras para asegurar que entendiste lo que te pide el enunciado. Por ejemplo, para el siguiente problema:

¿Cuál es la ecuación balanceada?

¿Hay productos que no se han nombrado en el enunciado?

2.- Ten en claro tus conceptos matemáticos

En estequiometría lo único que necesitas utilizar son multiplicaciones, divisiones, sumas y restas. Los factores de conversión son la herramienta fundamental para la resolución de los cálculos estequiométricos y te los puedo explicar mejor con el siguiente ejemplo:

Cabe recalcar que se pueden realizar varios factores de conversión seguidos.

Revisa el siguiente video para repasar el concepto: https://youtu.be/CNQrcqLwRvo

Además, es importante conocer algunas propiedades básicas de los exponentes que te las resumo en esta tabla.

3.- Aprende la nomenclatura básica

La nomenclatura no es tan difícil a como te la enseñan en el colegio. En la USFQ puedes utilizar una tabla con los iones más comunes para la formación de compuestos. Te dejo la tabla aquí por si no la encuentras en tu libro.

Para la gran mayoría de compuestos que aprenderás en este curso basta con conocer que un compuesto se formula a partir de dos iones, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Por convención, se colocan los iones positivos a la izquierda y los iones negativos a la derecha. Una vez hecho esto, te fijas en las cargas de los iones y las cruzas como subíndices al ion del otro lado. Si los subíndices son divisibles para un mismo número natural, estos se simplifican. En el siguiente ejemplo para el bicarbonato de sodio del ejercicio 3.70 está mejor explicado:

4.- Plantea una ecuación química y asegúrate que esté bien balanceada

La ecuación química es la parte fundamental para la estequiometría. Si esta tiene compuestos incorrectos o está mal balanceada, todos los cálculos a partir de ella serán erróneos. Una ecuación balanceada es aquella en la que el número de átomos para cada elemento es igual tanto a la izquierda como a la derecha. Por lo tanto, es importante aprender a plantear y balancear ecuaciones químicas. Utilizaré como ejemplo el ejercicio 3.70.

Por el enunciado, se sabe que es una reacción de descomposición de un bicarbonato. Cuando se agrega calor un bicarbonato se descompone en un carbonato, agua y dióxido de carbono. Por lo tanto, se puede escribir la ecuación de la siguiente manera:

Se puede balancear la ecuación química tanteo, tomando en cuenta que a la izquierda inicialmente hay un único átomo de sodio mientras que a la derecha hay dos átomos de sodio. Por lo tanto, se coloca un 2 en la parte izquierda igualando los átomos de sodio. Si comparas el número de átomos de los elementos restantes, te darás cuenta de que la ecuación está balanceada.

Los paréntesis con letras (g), (s), (l), (ac) son formalidades para indicar el estado de los compuestos que participan en la reacción.

Cabe recalcar que acuoso no es formalmente un estado de la materia.

5.- Plantea los pasos que vas a seguir para llegar a lo que solicita el problema

Para el ejercicio 3.70,

a.- Se plantea una ecuación química balanceada.

b.- El enunciado solicita la cantidad de bicarbonato de sodio para formar 20.5 g de dióxido de carbono. Partimos como cantidad inicial de los 20.5 g y se debe llegar a gramos de bicarbonato de sodio, por lo tanto,

Sin embargo, no existe una relación directa entre estas dos cantidades. Esto quiere decir que debemos hallar los pasos para realizar este cálculo. Para ello, utilizaremos la ecuación química que relaciona los moles de reactivos y productos.

Nuestra ecuación química se lee de la siguiente manera “dos moles de bicarbonato de sodio se descomponen en un mol de carbonato de sodio, una mol de agua y una mol de dióxido de carbono”. Esto quiere decir que podemos emplear un factor de conversión que relacione los moles de dióxido de carbono y bicarbonato de sodio.

c.- Finalmente, debemos recordar que podemos pasar de gramos a moles, y de moles a gramos utilizando la masa molar de cada compuesto. La masa molar se obtiene sumando las masas de los átomos que están presentes en el compuesto. La masa molar tiene

unidades de g/mol. Puedes encontrar las masas para cada elemento en la tabla periódica.

d.- Si juntamos lo que hemos deducido de los pasos anteriores, el proceso que debemos seguir para resolver este problema es el siguiente:

6.- Aplica los factores de conversión necesarios

7.- Ingresa los valores en la calculadora

8.- Escribe tu respuesta con las cifras significativas correctas

La respuesta de arriba no es del todo correcta, ya que no tiene el número correcto de cifras significativas. Las cifras significativas son una medida de la incertidumbre de las mediciones. Únicamente hemos realizado multiplicaciones y divisiones, por lo tanto, la respuesta final se debe expresar en función del menor número de cifras significativas de los valores dados en el enunciado, tomando en cuenta únicamente cantidades que han sido medidas. El tiene tres cifras significativas, así que la respuesta debería ser expresada con tres cifras significativas.

Es recomendable que revises las reglas de cifras significativas en tu libro o en el siguiente video: https://youtu.be/QiS_IGEF3rU

9.- Asegúrate de que tu respuesta tenga las dimensiones correctas

El análisis dimensional es sumamente importante ya que te puede indicar si realizaste correctamente el problema. Para ello, toma los factores de conversión que empleaste, simplifica, y verifica que tu respuesta tenga sentido.

Al simplificar, se obtiene que la respuesta está en unidades de g de bicarbonato de sodio que es lo que solicita el enunciado. Además, es coherente ya que los gramos son unidades de masa.

Ejercicios recomendados

Los ejercicios fueron obtenidos de la 11va edición de Química de Chang y Goldsby.

Conclusión

El sinnúmero de aplicaciones en ingeniería y ciencias de la salud hacen de la estequiometría una de las herramientas más útiles que vas a aprender en el curso de Química General I. Es de vital importancia que domines la resolución de este tipo de problemas para que puedas aplicar lo que aprendiste. El curso se vuelve más complejo a medida que pasa el semestre, pero eso no significa que sea imposible.