5.4: El Mole en las Reacciones Químicas

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Objetivos de aprendizaje

Equilibrar una ecuación química en términos de moles.
Utilice la ecuación balanceada para construir factores de conversión en términos de moles.
Calcular moles de una sustancia a partir de moles de otra sustancia usando una ecuación química equilibrada.

Considera esta ecuación química equilibrada:

\[\ce{2H2 + O2 → 2H2O}\nonumber \]

Interpretamos esto como “dos moléculas de hidrógeno reaccionan con una molécula de oxígeno para hacer dos moléculas de agua”. La ecuación química se equilibra siempre y cuando los coeficientes estén en la relación 2:1:2. Por ejemplo, esta ecuación química también está equilibrada:

\[\ce{100H2 + 50O2 → 100H2O}\nonumber \]

Esta ecuación no es convencional —porque la convención dice que usamos la relación más baja de coeficientes— sino que está equilibrada. Así es esta ecuación química:

\[\ce{5,000 H2 + 2,500 O2 → 5,000H2O}\nonumber \]

Nuevamente, esto no es convencional, pero sigue siendo equilibrado. Supongamos que usamos un número mucho mayor:

\[12.044 \times 10^{23} \ce{H2} + 6.022 \times 10^{23} \ce{O2} → 12.044 \times 10^{23} \ce{H2O}\nonumber \]

Estos coeficientes también están en la proporción de 2:1:2. Pero estos números están relacionados con el número de cosas en un topo: el primer y último números son dos veces el número de Avogadro, mientras que el segundo número es el número de Avogadro. Eso significa que los números primero y último representan 2 mol, mientras que el número medio es apenas 1 mol. Bueno, ¿por qué no usar el número de moles para equilibrar la ecuación química?

\[\ce{2H2 + O2 → 2H2O}\nonumber \]

es la misma ecuación química equilibrada con la que empezamos! Lo que esto significa es que las ecuaciones químicas no solo están equilibradas en términos de moléculas; también están equilibradas en términos de moles. Podemos leer esta ecuación química con la misma facilidad que “dos moles de hidrógeno reaccionan con un mol de oxígeno para hacer dos moles de agua”. Todas las reacciones químicas equilibradas están equilibradas en términos de moles.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Interpretar esta ecuación química equilibrada en términos de moles.

\[\ce{P4 + 5O2 → P4O10}\nonumber \]

Solución

Los coeficientes representan el número de moles que reaccionan, no solo moléculas. Hablaríamos de esta ecuación como “un mol de fósforo molecular reacciona con cinco moles de oxígeno elemental para hacer un mol de decoxido de tetraposforo”.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Interpretar esta ecuación química equilibrada en términos de moles.

\[\ce{N2 + 3H2 → 2NH3}\nonumber \]

Contestar: Un mol de nitrógeno elemental reacciona con tres moles de hidrógeno elemental para producir dos moles de amoníaco.

En la Sección 4.1, afirmamos que una ecuación química es simplemente una receta para una reacción química. Como tal, las ecuaciones químicas también nos dan equivalentes—equivalentes entre los reactivos y los productos. No obstante, ahora entendemos que estos equivalentes se expresan en términos de moles. Considerar la ecuación química

\[\ce{2H2 + O2 → 2H2O} \nonumber \nonumber \]

Esta reacción química nos da los siguientes equivalentes:

2 mol H ₂ ⇔ 1 mol O ₂ ⇔ 2 mol H ₂ O

Dos de estas cantidades se pueden utilizar para construir un factor de conversión que nos permita relacionar el número de moles de una sustancia con un número equivalente de moles de otra sustancia. Si, por ejemplo, queremos saber cuántos moles de oxígeno reaccionarán con 17.6 moles de hidrógeno, construimos un factor de conversión entre 2 mol de H ₂ y 1 mol de O ₂ y lo usamos para convertir de moles de una sustancia a moles de otra:

\[17.6\cancel{mol\, H_{2}}\times \frac{1\, mol\, O_{2}}{2\cancel{mol\, H_{2}}}=8.80\, mol\, O_{2}\nonumber \]

Observe cómo se cancela la unidad mol H ₂, y mol O ₂ es la nueva unidad introducida. Este es un ejemplo de un cálculo mole-mol, cuando comienzas con moles de una sustancia y conviertes en moles de otra sustancia usando la ecuación química balanceada. El ejemplo puede parecer sencillo porque los números son pequeños, ¡pero los números no siempre serán tan simples!

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Para la ecuación química equilibrada

\[\ce{2C4H10(g) + 13O2 → 8CO2(g) + 10H2O(ℓ)}\nonumber \]

si reaccionan 154 moles de O ₂, ¿cuántos moles de CO ₂ se producen?

Solución

Estamos relacionando una cantidad de oxígeno con una cantidad de dióxido de carbono, por lo que necesitamos la equivalencia entre estas dos sustancias. De acuerdo con la ecuación química equilibrada, la equivalencia es

13 mol O ₂ ⇔ 8 mol CO ₂

Podemos usar esta equivalencia para construir el factor de conversión adecuado. Comenzamos con lo que se nos da y aplicamos el factor de conversión:

\[154\cancel{mol\, O_{2}}\times \frac{8\, mol\, CO_{2}}{13\cancel{mol\, O_{2}}}=94.8\, mol\, CO_{2}\nonumber \]

La unidad mol O ₂ está en el denominador del factor de conversión por lo que se cancela. Tanto el 8 como el 13 son números exactos, por lo que no contribuyen al número de cifras significativas en la respuesta final.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Usando la ecuación anterior, ¿cuántos moles de H ₂ O se producen cuando reaccionan 154 moles de O ₂?

Contestar: 118 mol

Es importante reiterar que las ecuaciones químicas balanceadas están equilibradas en términos de moles. No gramos, kilogramos o litros, sino moles. Cualquier problema de estequiometría probablemente necesitará trabajar a través de la unidad de moles en algún momento, especialmente si está trabajando con una reacción química equilibrada.

Resumen

Las reacciones químicas equilibradas se equilibran en términos de moles. Una reacción química equilibrada da equivalentes en moles que permiten realizar cálculos estequiométricos.