Solución de Problemas: Estequimetría
Problema 1.
La combustión de compuestos que contienen C, H y N, da lugar a la formación de $CO_{2}$, $H_{2}O$ y $N_{2}$ gaseosos. Escriba la ecuación balanceada para la combustión de:
a) Metilamina ($CH_{5}N$) gaseosa
b) Cafeína ($C_{8}H_{10}O_{2}N_{4}$) sólida, el estimulante contenido en el café.
Problema 2.
El gas tricloruro de nitrógeno ($NCl_{3}$) reacciona con agua líquida para dar amoníaco y acido hipocloroso, $HClO$ (g), el componente activo de la lavandina.
a) Escriba la ecuación balanceada para esta reacción.
b) ¿Cuántos moles de amoníaco se pueden producir a partir de 275 mL de agua y $NCl_{3}$? (densidad del agua = 1 $g/cm^{3}$)
c) ¿Qué masa de tricloruro de nitrógeno se necesita para producir 14,8 g de amoníaco?
Problema 3.
Se mezclan 10 g de octano líquido ($C_{8}H_{18}$) con 40 g de oxígeno gaseoso, produciéndose la combustión completa del octano a $CO_{2}$ y $H_{2}O$.
a) Escriba la ecuación de combustión del octano, ajustando los coeficientes estequiométricos.
b) ¿Cuál es el reactivo limitante?
c) ¿Cuántos gramos de agua se forman?
d) ¿Cuál será la presión parcial del CO2 que se produce si la reacción se lleva a cabo en un
recipiente cerrado de 1 L y la temperatura final del sistema es 100 °C?
$\textbf{Problema 3}$
En un tanque se comprimen 200 moles de aire ($78\%$ moles de $N_{2}$) junto con 500 g de $H_2$ a 200$^\circ$C, para sintetizar amoníaco según la reacción:
$$N_{2} (g) + H_{2} (g) \rightarrow NH_{3} (g)$$
a) ¿Está balanceada la ecuación? Si no, balancéela.
No, por tanto la ecuación balanceada es,
$$N_{2} (g) + {\color{red}3}H_{2} (g) \rightarrow {\color{red}2}NH_{3} (g)$$
b) ¿Qué reactivo está en exceso? ¿Cuánto de ese reactivo sobra?
$$x \text{ moles de } N_{2} = (200 \text{ moles de aire}) (0.78) = 156 \text{ moles de } N_{2}$$
como tenemos 500 g de $H_2$, cuya masa molar es de 2 g/mol, entonces calculamos la cantidad de moles
$$\begin{array}{rcl} 2\text{ g de }H_{2} & --- & 1\text{ mol de }H_{2} \\ 500\text{ g de }H_{2} & --- & x=(500\text{g de }H_{2})\frac{1\text{ mol de }H_{2}}{2\text{ g de }H_{2}} = 250\text{ mol de }H_{2} \end{array}$$
Ahora por estequiometria tenemos que 1 mol de $N_{2}$ necesitamos 3 moles de $H_{2}$, entonces por 156 moles de $N_{2}$ necesitamos $156\times 3 = 468$ moles de $H_{2}$. Solo hay 250 moles de $H_{2}$, por lo que el reactivo en exceso es el $N_2$.
$$\begin{array}{rcl} 3 \text{ mol }H_{2} &--- & 1 \text{ mol }N_{2} \\ 250 \text{ de }H_{2} & --- & x =(250 \text{ mol }H_{2})\frac{1 \text{ mol }N_{2}}{3 \text{ mol }H_{2}} = 83.33 \text{ moles de }N_{2} \end{array}$$
La cantidad de reactivo que sobra es: $156-83.33=76.66 \text{ moles de } N_{2}$ (exceso)
c) ¿Cuántos gramos de $NH_3$ podrían obtenerse como máximo? ¿Cuál sería en ese caso el rendimiento de la reacción?
$$\begin{array}{rcl}
3 \text{ mol }H_{2} & --- & 2 \text{ mol }NH_{3} \\
250 \text{ mol de }H_{2} & --- & x =(250 \text{ mol de }H_{2})\frac{2 \text{ mol de }NH_{3}}{3 \text{ mol de }H_{2}} = 166.67 \text{ moles de }NH_{3} \end{array}$$
la masa molar del producto es:
$$M_{r}(NH_{3})=(14+3\cdot 1)g/mol=17 \text{ g/mol}$$
por tanto los gramos generados del producto son:
$$\text{ g de }NH_{3}=(166.67 \text{mol de }NH_{3}) \frac{17\text{ g de }NH_{3}}{1 \text{mol de }NH_{3}}=2833.3 \text{ g de }NH_{3}$$
d) Si el rendimiento de la reacción a esa temperatura fuera de $80\%$, ¿Cuántos gramos de amoníaco se obtendrían?
$$\% \text{Rendimiento}=\frac{\text{Rendimiento experimental}}{\text{Rendimiento teorico}}\times100\%$$
$$\text{Rendimiento experimental}=(2833.3 \text{ g de }NH_{3})\times 0.8=2266.66 \text{ g de }NH_{3}$$
5- Complete la siguiente frase:
Cuando un mol de CS2 (líquido) se quema en presencia de un exceso de _________ (___) se
obtienen ________ moles de SO2 (gaseoso) y un mol de ________ (__).
a) Escriba la reacción química, del enunciado anterior, completa y balanceada.
b) ¿Cuántos cm3 de CS2 (93,0 % de pureza, densidad 1,26 g/cm3) deben quemarse para obtener
12,8 g de SO2?
6- Se hacen reaccionar 300 g de CaCO3 con 1 dm3 de una solución 5,0 M de HCl, según:
CaCO3 + HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
a) Balancee la ecuación
b) Determine cuál es el reactivo limitante.
c) ¿Cuántos moles de CO2 se formarán si el rendimiento de la reacción es del 90%?
7- La reacción del óxido de plomo (PbO) con carbón forma parte del proceso industrial de
obtención de plomo:
PbO + C → Pb + CO2
a) Balancee la ecuación
b) ¿Cuántos kg de Pb pueden obtenerse a partir de 1 tonelada de PbO? ¿Cuánta masa de C se
necesita?
c) ¿Cuántos moles de CO2 se producen? ¿Qué volumen ocupa esa cantidad de CO2 en CNPT?
8- El carburo de silicio (SiC) es un material utilizado como abrasivo debido a su extrema dureza.
Se obtiene por calentamiento en un horno eléctrico, de una mezcla de arena (cuyo principal
componente es SiO2) y carbón, según la siguiente reacción:
SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO
Si se parte de 400 g de una arena que contiene 80 % de SiO2 y de 400 g de C, considerando un
rendimiento del 100 %:
a) ¿cuántos moles de SiC se obtendrían?
b) ¿Cuántos moles de C reaccionarían?
c) ¿Que volumen de CO se obtendrían en CNPT?
d) ¿Cuál sería el rendimiento de la reacción si se hubiera obtenido 80 g de SiC?
1- Las máscaras de oxígeno utilizadas en situaciones de emergencia contienen superóxido de
potasio (KO2). Este reacciona con el CO2 y el agua provenientes de la exhalación para producir
oxígeno según:
KO2 (s) + H2O (g) + CO2 (g) → KHCO3 (s) + O2 (g)
a) Balancee la ecuación.
b) Si una persona exhala 0,702 g de CO2 / min, ¿cuántos gramos de KO2 son consumidos en 10
minutos?
2- El gas acetileno se obtiene por la reacción de carburo de calcio (CaC2) con agua según:
CaC2 + H2O → C2H2 + Ca(OH)2
a) ¿Qué volumen de C2H2 (medido en CNPT) se obtiene por la reacción de 400 g de CaC2?
b) ¿Cuántos gramos de CaC2 y cuántos de H2O son necesarios para obtener 200 L de C2H2
medidos a 25 °C y 1 atm?
3- Para la reacción: Mg + N2 → Mg3N2, indique cuál es el reactivo limitante y cuánto Mg3N2 se
obtiene al hacer reaccionar:
a) 1,5 moles de magnesio con 1,2 moles de nitrógeno.
b) 160 g de magnesio con 40 g de nitrógeno.
c) 4,6 1023 átomos de magnesio con 6,1 litros de nitrógeno, medidos en CNPT.
4- ¿Cuántos gramos de Na2CO3 se obtendrán al calentar 100 g de NaHCO3 según:
NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2, si el rendimiento de la reacción es del 80 %?
5- En los viajes espaciales es necesario incluir una sustancia que elimine el CO2 producto de la
respiración de los ocupantes de la cápsula. Se proponen tres posibles soluciones que utilizan un
reactivo sólido que reacciona con el CO2:
Reacción 1: Na2O2 + CO2 → Na2CO3 + O2
Reacción 2: Mg(OH)2 + CO2 → MgCO3 + H2O
Reacción 3: LiOH + CO2 → Li2CO3 + H2O
a) Ajuste los coeficientes estequiométricos para balancear las ecuaciones.
b) Si el criterio de selección del reactivo fuese que se elimine la mayor cantidad de CO2 por gramo
de reactivo, para alivianar la carga de la nave espacial ¿cuál elegiría?
6- Cuando el sodio metálico reacciona con el cloro gaseoso, se forma ________ de ________
(sólido).
a) Escriba la reacción completa y balanceada
b) Cuando 1 g de Na se hace reaccionar con 1 g de Cl2 ¿cuántos gramos de producto pueden
obtenerse como máximo?
c) ¿Cuántos mg del reactivo en exceso quedan sin reaccionar?
7- El gas sulfuro de hidrógeno (H2S) puede obtenerse en el laboratorio a partir de un mineral de
hierro llamado pirita que es básicamente FeS, según la siguiente reacción:
FeS + HCl → FeCl2 + H2S
a) ¿Está balanceada la ecuación? Si no, ya sabe lo que tiene que hacer…
b) ¿Qué masa de pirita, con un contenido de 70 % de FeS, debe hacerse reaccionar para producir
150 cm3 de H2S (medidos en CNPT)? ¿Cuántos gramos de HCl se consumirán?
8- En una cantera se obtienen 1,3 toneladas de cal (CaO) a partir de 3,2 toneladas de cabonato de
calcio (CaCO3) según la reacción:
CaCO3 → CaO + CO2
a) ¿Cuál es el rendimiento del proceso?
b) ¿Cuántos moles de CO2 se formaron?
9- El iodo (I2) puede obtenerse a partir de la siguiente reacción:
KIO3 + KI + H2SO4 → I2 + H2O + K2SO4
¿Qué masa de cada uno de los reactivos se necesita para preparar 300 g de I2 si el rendimiento de
la reacción es del 70 %?
10- De acuerdo a la siguiente reacción:
Fe + HCl → FeCl3 + H2
a) ¿Qué volumen de solución 0,1 M de HCl se necesita para obtener 300 cm3 (medidos en CNPT)
de hidrógeno?
b) ¿Qué masa de hierro reaccionará?
11- En una planta de producción de fertilizantes se obtuvieron 27,2 toneladas de sulfato de amonio
(NH4)2SO4 a partir de 9,5.103 m3 de amoníaco (medidos en CNPT) y de ácido sulfúrico en exceso,
según la siguiente reacción:
NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4
a) ¿qué masa de (NH4)2SO4 debería obtenerse si la reacción fuese completa (R = 100 %)?
b) ¿cuál es el rendimiento de la reacción?
c) ¿qué masa de H2SO4 reacciona?
12- En los motores de control de vuelo de los cohetes se puede aprovechar la reacción de la
metilhidracina (CH6N2) con el tetraóxido de dinitrógeno (N2O4), que ocurre instantáneamente cuando
entran en contacto:
CH6N2 (l) + N2O4 (l) → CO2 (g) + H2O (l) + N2 (g)
a) Balancee la ecuación
b) Si se mezclan 10 g de CH6N2 con 30 g de N2O4, calcule la masa del reactivo en exceso y la
presión del sistema, si los gases obtenidos están en un recipiente de 5 L a 50 °C
c) Si en las mismas condiciones de b) se midiera una presión de 3,65 atm ¿cuál sería el rendimiento
de la reacción?
La combustión de compuestos que contienen C, H y N, da lugar a la formación de $CO_{2}$, $H_{2}O$ y $N_{2}$ gaseosos. Escriba la ecuación balanceada para la combustión de:
a) Metilamina ($CH_{5}N$) gaseosa
b) Cafeína ($C_{8}H_{10}O_{2}N_{4}$) sólida, el estimulante contenido en el café.
Problema 2.
El gas tricloruro de nitrógeno ($NCl_{3}$) reacciona con agua líquida para dar amoníaco y acido hipocloroso, $HClO$ (g), el componente activo de la lavandina.
a) Escriba la ecuación balanceada para esta reacción.
b) ¿Cuántos moles de amoníaco se pueden producir a partir de 275 mL de agua y $NCl_{3}$? (densidad del agua = 1 $g/cm^{3}$)
c) ¿Qué masa de tricloruro de nitrógeno se necesita para producir 14,8 g de amoníaco?
Problema 3.
Se mezclan 10 g de octano líquido ($C_{8}H_{18}$) con 40 g de oxígeno gaseoso, produciéndose la combustión completa del octano a $CO_{2}$ y $H_{2}O$.
a) Escriba la ecuación de combustión del octano, ajustando los coeficientes estequiométricos.
b) ¿Cuál es el reactivo limitante?
c) ¿Cuántos gramos de agua se forman?
d) ¿Cuál será la presión parcial del CO2 que se produce si la reacción se lleva a cabo en un
recipiente cerrado de 1 L y la temperatura final del sistema es 100 °C?
$\textbf{Problema 3}$
En un tanque se comprimen 200 moles de aire ($78\%$ moles de $N_{2}$) junto con 500 g de $H_2$ a 200$^\circ$C, para sintetizar amoníaco según la reacción:
$$N_{2} (g) + H_{2} (g) \rightarrow NH_{3} (g)$$
a) ¿Está balanceada la ecuación? Si no, balancéela.
No, por tanto la ecuación balanceada es,
$$N_{2} (g) + {\color{red}3}H_{2} (g) \rightarrow {\color{red}2}NH_{3} (g)$$
b) ¿Qué reactivo está en exceso? ¿Cuánto de ese reactivo sobra?
$$x \text{ moles de } N_{2} = (200 \text{ moles de aire}) (0.78) = 156 \text{ moles de } N_{2}$$
como tenemos 500 g de $H_2$, cuya masa molar es de 2 g/mol, entonces calculamos la cantidad de moles
$$\begin{array}{rcl} 2\text{ g de }H_{2} & --- & 1\text{ mol de }H_{2} \\ 500\text{ g de }H_{2} & --- & x=(500\text{g de }H_{2})\frac{1\text{ mol de }H_{2}}{2\text{ g de }H_{2}} = 250\text{ mol de }H_{2} \end{array}$$
Ahora por estequiometria tenemos que 1 mol de $N_{2}$ necesitamos 3 moles de $H_{2}$, entonces por 156 moles de $N_{2}$ necesitamos $156\times 3 = 468$ moles de $H_{2}$. Solo hay 250 moles de $H_{2}$, por lo que el reactivo en exceso es el $N_2$.
$$\begin{array}{rcl} 3 \text{ mol }H_{2} &--- & 1 \text{ mol }N_{2} \\ 250 \text{ de }H_{2} & --- & x =(250 \text{ mol }H_{2})\frac{1 \text{ mol }N_{2}}{3 \text{ mol }H_{2}} = 83.33 \text{ moles de }N_{2} \end{array}$$
La cantidad de reactivo que sobra es: $156-83.33=76.66 \text{ moles de } N_{2}$ (exceso)
c) ¿Cuántos gramos de $NH_3$ podrían obtenerse como máximo? ¿Cuál sería en ese caso el rendimiento de la reacción?
$$\begin{array}{rcl}
3 \text{ mol }H_{2} & --- & 2 \text{ mol }NH_{3} \\
250 \text{ mol de }H_{2} & --- & x =(250 \text{ mol de }H_{2})\frac{2 \text{ mol de }NH_{3}}{3 \text{ mol de }H_{2}} = 166.67 \text{ moles de }NH_{3} \end{array}$$
la masa molar del producto es:
$$M_{r}(NH_{3})=(14+3\cdot 1)g/mol=17 \text{ g/mol}$$
por tanto los gramos generados del producto son:
$$\text{ g de }NH_{3}=(166.67 \text{mol de }NH_{3}) \frac{17\text{ g de }NH_{3}}{1 \text{mol de }NH_{3}}=2833.3 \text{ g de }NH_{3}$$
d) Si el rendimiento de la reacción a esa temperatura fuera de $80\%$, ¿Cuántos gramos de amoníaco se obtendrían?
$$\% \text{Rendimiento}=\frac{\text{Rendimiento experimental}}{\text{Rendimiento teorico}}\times100\%$$
$$\text{Rendimiento experimental}=(2833.3 \text{ g de }NH_{3})\times 0.8=2266.66 \text{ g de }NH_{3}$$
5- Complete la siguiente frase:
Cuando un mol de CS2 (líquido) se quema en presencia de un exceso de _________ (___) se
obtienen ________ moles de SO2 (gaseoso) y un mol de ________ (__).
a) Escriba la reacción química, del enunciado anterior, completa y balanceada.
b) ¿Cuántos cm3 de CS2 (93,0 % de pureza, densidad 1,26 g/cm3) deben quemarse para obtener
12,8 g de SO2?
6- Se hacen reaccionar 300 g de CaCO3 con 1 dm3 de una solución 5,0 M de HCl, según:
CaCO3 + HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
a) Balancee la ecuación
b) Determine cuál es el reactivo limitante.
c) ¿Cuántos moles de CO2 se formarán si el rendimiento de la reacción es del 90%?
7- La reacción del óxido de plomo (PbO) con carbón forma parte del proceso industrial de
obtención de plomo:
PbO + C → Pb + CO2
a) Balancee la ecuación
b) ¿Cuántos kg de Pb pueden obtenerse a partir de 1 tonelada de PbO? ¿Cuánta masa de C se
necesita?
c) ¿Cuántos moles de CO2 se producen? ¿Qué volumen ocupa esa cantidad de CO2 en CNPT?
8- El carburo de silicio (SiC) es un material utilizado como abrasivo debido a su extrema dureza.
Se obtiene por calentamiento en un horno eléctrico, de una mezcla de arena (cuyo principal
componente es SiO2) y carbón, según la siguiente reacción:
SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO
Si se parte de 400 g de una arena que contiene 80 % de SiO2 y de 400 g de C, considerando un
rendimiento del 100 %:
a) ¿cuántos moles de SiC se obtendrían?
b) ¿Cuántos moles de C reaccionarían?
c) ¿Que volumen de CO se obtendrían en CNPT?
d) ¿Cuál sería el rendimiento de la reacción si se hubiera obtenido 80 g de SiC?
1- Las máscaras de oxígeno utilizadas en situaciones de emergencia contienen superóxido de
potasio (KO2). Este reacciona con el CO2 y el agua provenientes de la exhalación para producir
oxígeno según:
KO2 (s) + H2O (g) + CO2 (g) → KHCO3 (s) + O2 (g)
a) Balancee la ecuación.
b) Si una persona exhala 0,702 g de CO2 / min, ¿cuántos gramos de KO2 son consumidos en 10
minutos?
2- El gas acetileno se obtiene por la reacción de carburo de calcio (CaC2) con agua según:
CaC2 + H2O → C2H2 + Ca(OH)2
a) ¿Qué volumen de C2H2 (medido en CNPT) se obtiene por la reacción de 400 g de CaC2?
b) ¿Cuántos gramos de CaC2 y cuántos de H2O son necesarios para obtener 200 L de C2H2
medidos a 25 °C y 1 atm?
3- Para la reacción: Mg + N2 → Mg3N2, indique cuál es el reactivo limitante y cuánto Mg3N2 se
obtiene al hacer reaccionar:
a) 1,5 moles de magnesio con 1,2 moles de nitrógeno.
b) 160 g de magnesio con 40 g de nitrógeno.
c) 4,6 1023 átomos de magnesio con 6,1 litros de nitrógeno, medidos en CNPT.
4- ¿Cuántos gramos de Na2CO3 se obtendrán al calentar 100 g de NaHCO3 según:
NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2, si el rendimiento de la reacción es del 80 %?
5- En los viajes espaciales es necesario incluir una sustancia que elimine el CO2 producto de la
respiración de los ocupantes de la cápsula. Se proponen tres posibles soluciones que utilizan un
reactivo sólido que reacciona con el CO2:
Reacción 1: Na2O2 + CO2 → Na2CO3 + O2
Reacción 2: Mg(OH)2 + CO2 → MgCO3 + H2O
Reacción 3: LiOH + CO2 → Li2CO3 + H2O
a) Ajuste los coeficientes estequiométricos para balancear las ecuaciones.
b) Si el criterio de selección del reactivo fuese que se elimine la mayor cantidad de CO2 por gramo
de reactivo, para alivianar la carga de la nave espacial ¿cuál elegiría?
6- Cuando el sodio metálico reacciona con el cloro gaseoso, se forma ________ de ________
(sólido).
a) Escriba la reacción completa y balanceada
b) Cuando 1 g de Na se hace reaccionar con 1 g de Cl2 ¿cuántos gramos de producto pueden
obtenerse como máximo?
c) ¿Cuántos mg del reactivo en exceso quedan sin reaccionar?
7- El gas sulfuro de hidrógeno (H2S) puede obtenerse en el laboratorio a partir de un mineral de
hierro llamado pirita que es básicamente FeS, según la siguiente reacción:
FeS + HCl → FeCl2 + H2S
a) ¿Está balanceada la ecuación? Si no, ya sabe lo que tiene que hacer…
b) ¿Qué masa de pirita, con un contenido de 70 % de FeS, debe hacerse reaccionar para producir
150 cm3 de H2S (medidos en CNPT)? ¿Cuántos gramos de HCl se consumirán?
8- En una cantera se obtienen 1,3 toneladas de cal (CaO) a partir de 3,2 toneladas de cabonato de
calcio (CaCO3) según la reacción:
CaCO3 → CaO + CO2
a) ¿Cuál es el rendimiento del proceso?
b) ¿Cuántos moles de CO2 se formaron?
9- El iodo (I2) puede obtenerse a partir de la siguiente reacción:
KIO3 + KI + H2SO4 → I2 + H2O + K2SO4
¿Qué masa de cada uno de los reactivos se necesita para preparar 300 g de I2 si el rendimiento de
la reacción es del 70 %?
10- De acuerdo a la siguiente reacción:
Fe + HCl → FeCl3 + H2
a) ¿Qué volumen de solución 0,1 M de HCl se necesita para obtener 300 cm3 (medidos en CNPT)
de hidrógeno?
b) ¿Qué masa de hierro reaccionará?
11- En una planta de producción de fertilizantes se obtuvieron 27,2 toneladas de sulfato de amonio
(NH4)2SO4 a partir de 9,5.103 m3 de amoníaco (medidos en CNPT) y de ácido sulfúrico en exceso,
según la siguiente reacción:
NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4
a) ¿qué masa de (NH4)2SO4 debería obtenerse si la reacción fuese completa (R = 100 %)?
b) ¿cuál es el rendimiento de la reacción?
c) ¿qué masa de H2SO4 reacciona?
12- En los motores de control de vuelo de los cohetes se puede aprovechar la reacción de la
metilhidracina (CH6N2) con el tetraóxido de dinitrógeno (N2O4), que ocurre instantáneamente cuando
entran en contacto:
CH6N2 (l) + N2O4 (l) → CO2 (g) + H2O (l) + N2 (g)
a) Balancee la ecuación
b) Si se mezclan 10 g de CH6N2 con 30 g de N2O4, calcule la masa del reactivo en exceso y la
presión del sistema, si los gases obtenidos están en un recipiente de 5 L a 50 °C
c) Si en las mismas condiciones de b) se midiera una presión de 3,65 atm ¿cuál sería el rendimiento
de la reacción?
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