Estequiometría y conservación de la masa

La idea

Qué vas a aprender

• La ley de conservación de la masaconcepto

  En 1789, Antoine Lavoisier estableció una idea que hoy parece obvia pero fue revolucionaria: en una reacción química, la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos. Nada se crea ni se destruye, los átomos solo se reordenan formando nuevas sustancias. Si quemás 10 gramos de papel, la ceniza que queda pesa mucho menos, pero es porque parte de la masa se fue como gases (dióxido de carbono, vapor de agua) hacia el aire. Si pudieras pesar todo, incluidos los gases, el total antes y después sería idéntico. Esta ley es la razón por la que una ecuación química tiene que estar balanceada: la misma cantidad de átomos de cada elemento debe aparecer de los dos lados de la flecha.

• El mol: la unidad para contar átomosconcepto

  Los átomos y las moléculas son demasiado pequeños para contarlos uno por uno, pero se puede contar como se cuentan los huevos por docena: agrupándolos. El mol es esa "docena química": un mol de cualquier sustancia contiene siempre el mismo número de partículas, el número de Avogadro ($6{,}022 \times 10^{23}$). Lo que hace útil al mol es que se conecta directamente con algo que sí podés medir en una balanza: la masa molar (la masa de un mol de esa sustancia, en gramos por mol, numéricamente igual a la masa atómica o molecular de la tabla periódica). Por ejemplo, la masa molar del agua ($H_2O$) es $18\ g/mol$: si pesás 18 gramos de agua, tenés exactamente un mol de moléculas de agua.

  $$n = \frac{m}{M}$$

  donde $n$ es la cantidad de sustancia en moles, $m$ es la masa en gramos y $M$ es la masa molar.

• De la ecuación balanceada a los cálculosconcepto

  Una ecuación química balanceada no solo dice qué reacciona con qué: sus coeficientes son una proporción en moles. Tomemos la formación de agua:

  $$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$$

  Esto se lee: 2 moles de hidrógeno reaccionan con 1 mol de oxígeno para formar 2 moles de agua. Esa proporción (2:1:2) es fija y es la base de cualquier cálculo estequiométrico. El procedimiento general tiene tres pasos:

  1. Balancear la ecuación (verificar que la conservación de la masa se cumpla átomo por átomo). 2. Convertir los datos conocidos (generalmente en gramos) a moles, usando la masa molar. 3. Usar la proporción de la ecuación para pasar de los moles de una sustancia a los moles de otra, y reconvertir a gramos si hace falta.

  Por ejemplo, si querés saber cuántos gramos de agua se forman a partir de 4 gramos de hidrógeno ($M = 2\ g/mol$): 4 g equivalen a 2 moles de $H_2$; por la proporción 2:2 de la ecuación, se forman 2 moles de agua; como la masa molar del agua es 18 g/mol, esos 2 moles pesan 36 gramos. Ni un gramo más, ni uno menos: así de precisa es la química cuando se calcula bien.

• Por qué importa en la vida realconcepto

  Este tipo de cálculo es el que usa una fábrica para saber cuánta materia prima comprar, un farmacéutico para dosificar un medicamento, o un ingeniero para diseñar el airbag de un auto (que se infla gracias a una reacción química calculada al gramo). La estequiometría es la herramienta que convierte una reacción química, escrita en un papel, en cantidades reales y útiles.

Ejemplos resueltos

• Los átomos y las moléculas son demasiado pequeños para contarlos uno por uno, pero se puede contar como se cuentan los huevos por docena: agrupándolos. El mol es esa "docena química": un mol de cualquier sustancia contiene siempre el mismo número de partículas, el número de Avogadro ($6{,}022 \times 10^{23}$). Lo que hace útil al mol es que se conecta directamente con algo que sí podés medir en una balanza: la masa molar (la masa de un mol de esa sustancia, en gramos por mol, numéricamente igual a la masa atómica o molecular de la tabla periódica). Por ejemplo, la masa molar del agua ($H_2O$) es $18\ g/mol$: si pesás 18 gramos de agua, tenés exactamente un mol de moléculas de agua.
• Por ejemplo, si querés saber cuántos gramos de agua se forman a partir de 4 gramos de hidrógeno ($M = 2\ g/mol$): 4 g equivalen a 2 moles de $H_2$; por la proporción 2:2 de la ecuación, se forman 2 moles de agua; como la masa molar del agua es 18 g/mol, esos 2 moles pesan 36 gramos. Ni un gramo más, ni uno menos: así de precisa es la química cuando se calcula bien.

Errores comunes

• "Al quemar algo, la masa desaparece".

  No desaparece: se transforma en sustancias gaseosas (como CO₂ y vapor de agua) que se escapan al aire y no se pesan. La masa total, contando esos gases, se conserva.

  Cómo corregirlo: No desaparece: se transforma en sustancias gaseosas (como CO₂ y vapor de agua) que se escapan al aire y no se pesan. La masa total, contando esos gases, se conserva.

• "Los coeficientes de la ecuación indican gramos".

  Los coeficientes de una ecuación balanceada indican una proporción en moles, no en gramos. Hay que convertir a masa recién al final, usando la masa molar de cada sustancia.

  Cómo corregirlo: Los coeficientes de una ecuación balanceada indican una proporción en moles, no en gramos. Hay que convertir a masa recién al final, usando la masa molar de cada sustancia.

• "Un mol es un número fijo de gramos".

  Un mol es siempre la misma cantidad de partículas ($6{,}022 \times 10^{23}$), pero su masa cambia según la sustancia: un mol de hidrógeno pesa 2 g, un mol de agua pesa 18 g.

  Cómo corregirlo: Un mol es siempre la misma cantidad de partículas ($6{,}022 \times 10^{23}$), pero su masa cambia según la sustancia: un mol de hidrógeno pesa 2 g, un mol de agua pesa 18 g.

• "Si la ecuación no está balanceada, igual sirve para calcular".

  Sin balancear, la proporción entre reactivos y productos es incorrecta y todo el cálculo posterior queda mal, aunque las operaciones aritméticas estén bien hechas.

  Cómo corregirlo: Sin balancear, la proporción entre reactivos y productos es incorrecta y todo el cálculo posterior queda mal, aunque las operaciones aritméticas estén bien hechas.

• "Balancear una ecuación es cambiar los subíndices de las fórmulas".

  Los subíndices de una fórmula (como el 2 en $H_2O$) son fijos y no se tocan: balancear se hace ajustando únicamente los coeficientes que van delante de cada fórmula.

  Cómo corregirlo: Los subíndices de una fórmula (como el 2 en $H_2O$) son fijos y no se tocan: balancear se hace ajustando únicamente los coeficientes que van delante de cada fórmula.

En resumen