Reactores químicos - sintesis.com · ReactoRes químicos 7 ÍNDICE 3.6. Aplicaciones industriales...

R eactores químicos

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R eactores químicos

José Luis Bea Sánchez

© José Luis Bea Sánchez

© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.Vallehermoso, 34. 28015 Madrid

Teléfono 91 593 20 98http://www.sintesis.com

ISBN: 978-84-9077-341-3Depósito Legal: M-15.790-2016

Impreso en España - Printed in Spain

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de Editorial Síntesis, S. A.

Índice

Índice

PRESENTACIÓN ............................................................................................................................................................... 11

1. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LAS REACCIONES QUÍMICAS ............................................................. 13

Objetivos ................................................................................................................................................................... 13Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 14Glosario ...................................................................................................................................................................... 141.1. Introducción a las reacciones químicas ................................................................................. 15

1.1.1. Reacción química .................................................................................................................... 151.1.2. Ecuación química ................................................................................................................... 17

1.2. Conceptos básicos de las reacciones químicas ................................................................ 201.2.1. Estequiometría ......................................................................................................................... 201.2.2. Ajuste de ecuaciones químicas ........................................................................................ 201.2.3. Información estequiométrica ............................................................................................. 261.2.4. Reactivo limitante .................................................................................................................... 281.2.5. Reacciones incompletas ....................................................................................................... 301.2.6. Rendimiento .............................................................................................................................. 311.2.7. Conversión ................................................................................................................................. 321.2.8. Selectividad .............................................................................................................................. 34

1.3. Tipos de reacciones químicas ....................................................................................................... 351.3.1. Según el número de fases ................................................................................................... 361.3.2. Según el equilibrio ................................................................................................................. 361.3.3. Según el catalizador .............................................................................................................. 361.3.4. Según la complejidad ........................................................................................................... 371.3.5. Según la combinación entre reactivos y productos ................................................. 371.3.6. Según su naturaleza ................................................................................................................ 38

1.4. Aproximación a los reactores químicos ................................................................................. 39

6 ReactoRes químicos

índice

Práctica n.º 1 ............................................................................................................................................................ 40Resumen ..................................................................................................................................................................... 43Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 43Test de autoevaluación .................................................................................................................................... 44

2. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS .......................................... 47

Objetivos ................................................................................................................................................................... 47Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 48Glosario ...................................................................................................................................................................... 492.1. Introducción a la termoquímica .................................................................................................. 49

2.1.1. Ecuaciones termoquímicas ................................................................................................. 512.1.2. Unidades de energía ............................................................................................................. 54

2.2. Entalpía estándar de reacción ..................................................................................................... 552.2.1. Definición de entalpía ........................................................................................................... 562.2.2. Diagramas entálpicos ............................................................................................................. 57

2.3. Entalpía estándar de formación .................................................................................................. 582.3.1. Estados alotrópicos ............................................................................................................... 60

2.4. Ley de Hess .............................................................................................................................................. 602.4.1. Balance de energía en reacciones químicas ................................................................ 61

2.5. Entalpía estándar de combustión .............................................................................................. 642.5.1. Bombas calorimétricas .......................................................................................................... 65

2.6. Entalpía estándar de disolución .................................................................................................. 672.7. Ley de Kirchoff ....................................................................................................................................... 68Práctica n.º 2 ............................................................................................................................................................ 69Resumen ..................................................................................................................................................................... 73Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 73Test de autoevaluación .................................................................................................................................... 75

3. EQUILIBRIO QUÍMICO ....................................................................................................................................... 77

Objetivos ................................................................................................................................................................... 77Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 78Glosario ...................................................................................................................................................................... 793.1. Introducción al equilibrio químico ............................................................................................ 793.2. Ley de acción de masas ................................................................................................................... 85

3.2.1. Constante de equilibrio ........................................................................................................ 853.2.2. Cociente de reacción Q ....................................................................................................... 91

3.3. Equilibrio de sistemas homogéneos ......................................................................................... 933.3.1. Sistemas gaseosos .................................................................................................................. 943.3.2. Cálculos en sistemas homogéneos .................................................................................. 96

3.4. Equilibrio de sistemas heterogéneos ....................................................................................... 1003.4.1. Cálculos en sistemas heterogéneos ................................................................................. 100

3.5. Principio de Le Chatelier .................................................................................................................. 1013.5.1. Influencia de la variación de la temperatura ................................................................ 1023.5.2. Influencia de la variación de la presión .......................................................................... 1033.5.3. Influencia de la variación de la concentración de un reactivo ............................. 1033.5.4. Influencia de la variación del volumen ........................................................................... 1043.5.5. Influencia de la adición de un catalizador ................................................................... 1043.5.6. Influencia de otros factores ................................................................................................ 105

7ReactoRes químicos

Índice

3.6. Aplicaciones industriales ................................................................................................................. 105Práctica n.º 3 ............................................................................................................................................................ 106Resumen ..................................................................................................................................................................... 109Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 109Test de autoevaluación .................................................................................................................................... 110

4. CINÉTICA QUÍMICA ............................................................................................................................................. 113

Objetivos ................................................................................................................................................................... 113Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 114Glosario ...................................................................................................................................................................... 1144.1. Introducción a la cinética química ............................................................................................ 1154.2. Velocidad de reacción ...................................................................................................................... 116

4.2.1. Ley de velocidad .................................................................................................................... 1174.2.2. Orden de reacción ................................................................................................................. 1174.2.3. Ecuación de Arrhenius .......................................................................................................... 1184.2.4. Tipos de reacciones ............................................................................................................... 119

4.3. Mecanismos de reacción ................................................................................................................. 1204.3.1. Molecularidad .......................................................................................................................... 121

4.4. Variación de la energía durante una reacción ................................................................... 1224.4.1. Teoría de las colisiones ......................................................................................................... 1234.4.2. Teoría del estado de transición: el complejo activado ........................................... 1234.4.3. Energía de activación ............................................................................................................ 1244.4.4. Términos de la ecuación de Arrhenius ........................................................................... 125

4.5. Factores influyentes en la velocidad de reacción ........................................................... 1264.5.1. Temperatura ............................................................................................................................... 1264.5.2. Concentración de reactivos ................................................................................................ 1274.5.3. Naturaleza de los reactivos ................................................................................................. 1284.5.4. Catalizadores ............................................................................................................................ 129

4.6. Métodos de análisis de la velocidad ........................................................................................ 1304.6.1. Método diferencial ................................................................................................................. 1304.6.2. Método integral ....................................................................................................................... 1324.6.3. Método de la vida media .................................................................................................... 135


5. CATALIZADORES .................................................................................................................................................. 143

Objetivos ................................................................................................................................................................... 143Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 144Glosario ...................................................................................................................................................................... 1445.1. Definición ................................................................................................................................................... 1455.2. Características ......................................................................................................................................... 145

5.2.1. Químicamente inalterado .................................................................................................... 1465.2.2. Modificación de la cinética ................................................................................................ 1475.2.3. Especificidad ............................................................................................................................ 1485.2.4. Estado físico .............................................................................................................................. 1495.2.5. Cantidad ..................................................................................................................................... 1495.2.6. Vida útil ....................................................................................................................................... 150


índice

5.3. Tipos de catalizadores ...................................................................................................................... 1515.3.1. Catálisis homogénea .............................................................................................................. 1515.3.2. Catálisis heterogénea ............................................................................................................. 153

5.4. Regeneración de catalizadores ................................................................................................... 1575.4.1. Desactivación de catalizadores ......................................................................................... 1575.4.2. Envenenamiento ...................................................................................................................... 1575.4.3. Ensuciamiento .......................................................................................................................... 1585.4.4. Envejecimiento ........................................................................................................................ 1585.4.5. Sinterización ............................................................................................................................. 1595.4.6. Volatilización ............................................................................................................................ 160

5.5. Rendimiento de la reacción ........................................................................................................... 1605.6. Catalizadores en la industria ......................................................................................................... 163Práctica n.º 5 ............................................................................................................................................................ 165Resumen ..................................................................................................................................................................... 168Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 169Test de autoevaluación .................................................................................................................................... 170

6. ELECTROQUÍMICA ............................................................................................................................................... 171

Objetivos ................................................................................................................................................................... 171Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 172Glosario ...................................................................................................................................................................... 1726.1. Conceptos básicos de electroquímica ................................................................................... 173

6.1.1. Número de oxidación ........................................................................................................... 1736.1.2. Agente oxidante ...................................................................................................................... 1756.1.3. Agente reductor ...................................................................................................................... 1756.1.4. Par redox ..................................................................................................................................... 176

6.2. Reacciones de oxidación-reducción ....................................................................................... 1776.2.1. Métodos de ajuste ................................................................................................................. 177

6.3. Celdas electroquímicas ..................................................................................................................... 1816.3.1. Clasificación de las celdas electroquímicas ................................................................. 1816.3.2. Reglas de nomenclatura de las pilas ............................................................................... 1816.3.3. Potencial electródico ............................................................................................................ 1836.3.4. Ecuación de Nernst ................................................................................................................ 187

6.4. Celdas galvánicas .................................................................................................................................. 1896.4.1. Pila Daniell .................................................................................................................................. 1896.4.2. Pilas comerciales ..................................................................................................................... 190

6.5. Celdas electrolíticas ............................................................................................................................ 1916.5.1. Leyes de Faraday ..................................................................................................................... 1916.5.2. Velocidad de reacciones electroquímicas ................................................................... 193

6.6. Tipos de reactores electroquímicos ......................................................................................... 1946.7. Aplicaciones industriales ................................................................................................................. 194

6.7.1. Electrólisis del cloruro de sodio fundido ..................................................................... 1956.7.2. Niquelado/plateado electrolítico ..................................................................................... 1956.7.3. Protección catódica: ánodo de sacrificio ..................................................................... 196


9ReactoRes químicos

Índice

7. REACTORES QUÍMICOS ................................................................................................................................... 203

Objetivos ................................................................................................................................................................... 203Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 204Glosario ...................................................................................................................................................................... 2047.1. Introducción a los reactores químicos ................................................................................... 2057.2. Clasificación de los reactores químicos ................................................................................. 208

7.2.1. Según el número de fases ................................................................................................... 2087.2.2. Según el régimen de circulación ...................................................................................... 2097.2.3. Según el régimen térmico .................................................................................................... 2117.2.4. Según la forma del reactor .................................................................................................. 212

7.3. Variables de reacción ......................................................................................................................... 2157.3.1. Conversión ................................................................................................................................. 2157.3.2. Tablas estequiométricas ....................................................................................................... 2157.3.3. Temperaturas y presiones .................................................................................................... 2207.3.4. Tiempo de residencia ........................................................................................................... 2207.3.5. Tiempo espacial ...................................................................................................................... 2207.3.6. Sistema de agitación .............................................................................................................. 221

7.4. Balances de materia en reactores .............................................................................................. 2217.4.1. Reactor discontinuo mezcla completa .......................................................................... 2227.4.2. Reactor continuo mezcla completa ................................................................................. 2247.4.3. Reactor flujo pistón ................................................................................................................ 226

7.5. Diseño de reactores ........................................................................................................................... 2287.6. Puesta en marcha y parada de reacciones .......................................................................... 229Práctica n.º 7 ............................................................................................................................................................ 230Resumen ..................................................................................................................................................................... 233Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 234Test de autoevaluación .................................................................................................................................... 235

8. BIORREACTORES .................................................................................................................................................. 237

Objetivos ................................................................................................................................................................... 237Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 238Glosario ...................................................................................................................................................................... 2388.1. Introducción a la biotecnología .................................................................................................. 2398.2. Procesos biotecnológicos ............................................................................................................... 241

8.2.1. Clasificación de las biorreacciones ................................................................................. 2428.3. Reacciones y reactores enzimáticos ........................................................................................ 243

8.3.1. Enzimas ....................................................................................................................................... 2448.3.2. Cinética enzimática ................................................................................................................ 2458.3.3. Factores influyentes en la actividad enzimática .......................................................... 2518.3.4. Inmovilización enzimática ................................................................................................... 255

8.4. Reacciones y reactores con microorganismos ................................................................... 2578.4.1. Caracterización de procesos microbiológicos ........................................................... 2578.4.2. Cinética de procesos microbiológicos .......................................................................... 2598.4.3. Factores influyentes en la cinética de crecimiento .................................................... 260

8.5. Clasificación de los biorreactores .............................................................................................. 2618.5.1. Biorreactores agitados ........................................................................................................... 2628.5.2. Biorreactores con catalizadores inmovilizados .......................................................... 263


índice

8.6. Aplicaciones de los biorreactores ............................................................................................. 2638.6.1. Procesos farmacéuticos ........................................................................................................ 2638.6.2. Tratamiento de vertidos ........................................................................................................ 2648.6.3. Otras aplicaciones .................................................................................................................. 265


1

Principios básicos de las reacciones

químicas

3 Identificar los cambios asociados a una reacción química.3 Interpretar correctamente la información que proporciona una ecuación quí-

mica.3 Repasar los métodos de ajuste de las reacciones químicas.3 Realizar cálculos de reactivos y productos a partir de la información este-

quiométrica de la ecuación química.3 Clasificar las reacciones químicas según diferentes criterios.3 Reflexionar sobre el papel de las reacciones químicas en los procesos quími-

cos industriales.

Objetivos


caPítuLo 1

Mapa conceptual del capítulo

REACCIÓN QUÍMICA

CálculosCondiciones de reacción

Estados físicos

ConversiónReactivo limitante

Acordado por convenio. Resuelto de común acuerdo por un grupo de personas con un mismo parecer u opinión en una determinada disciplina o materia, con el objetivo de homogeneizar criterios.

Coeficiente estequiométrico. Número situado a la izquierda de cada reactivo y producto en una ecuación química que determina la proporción en que se combinan o aparecen.

Elemento. Cada una de las entidades químicas fundamentales de la tabla periódica (B, C, N, O, F, etc.).

Fase. Parte homogénea de un sistema que se puede separar mediante métodos físicos. El agua, el hielo y el vapor son tres fases distintas (líquido, sólido y vapor) de una misma sustancia.

Proceso. Evolución de las fases sucesivas de un fenómeno.

Glosario

Representada por

Ecuación química

Ayuda Informa

Estequiometría

Obtenida por

Balance de materia

en reacciones

SelectividadRendimiento

15PrinciPios básicos de las reacciones químicas

caPítulo 1

1.1. Introducción a las reacciones químicas

El módulo profesional Reactores químicos tiene como objetivo abordar todos aquellos as-pectos relacionados con las reacciones químicas que permitan al alumno, en última instancia, comprender los procesos industriales o experimentos de laboratorio en los que se produce una reacción química.

Pero para poder llegar a conocer en profundidad qué es lo que sucede en una reacción quí-mica, por qué sucede bajo unas determinadas condiciones o las razones por las que se selecciona un determinado tipo de reactor, será necesario estudiar lo siguiente:

l Fundamentos de las reacciones químicas.l Tipos de reacciones químicas.l Transferencia de energía asociada a las reacciones químicas.l Equilibrio químico.l Influencia de determinadas variables en el equilibrio químico.l Cinética de las reacciones químicas.l Selección de catalizadores.l Electroquímica.l Reactores químicos y biológicos.

Así pues, a lo largo de este manual, se profundizará en cada uno de estos aspectos intentando aportar ejemplos que aclaren los conceptos expuestos.

1.1.1. Reacción química

Una reacción química es un proceso en el que una o varias sustancias químicas, denominadas “reactivos”, se transforman en otra u otras sustancias químicas, denominadas “productos”.

De forma general, se puede representar del siguiente modo:

Reactivo 1 + Reactivo 2 ⟶ Producto 1 + Producto 2

Para que esta transformación tenga lugar, se debe producir un cambio en la ordenación de los átomos de las sustancias consideradas como reactivos.

Se romperán ciertos enlaces de las sustancias que actúan como reactivos y se formarán nue-vos enlaces. Esto quiere decir que en los productos aparecerán los mismos átomos que lo hacían en los reactivos, pero ordenados de otra forma.

Reactivo 1 + Reactivo 2 ⟶ Producto 1 + Producto 2

Nota: en este caso Producto 1 y Producto 2 son la misma sustancia.

+ +⟶


capítulo 1

La nueva ordenación de los átomos en las sustancias consideradas como productos origina nue-vas sustancias químicas, con propiedades físicas diferentes a las sustancias que actúan como reactivos.

Como consecuencia, se ponen de manifiesto una serie de cambios que nos indican que se han formado nuevas sustancias:

l Cambios energéticos:

– Reacción exotérmica. Se desprende calor hacia el recipiente o reactor donde tiene lugar la reacción. Se produce un aumento de temperatura.

– Reacción endotérmica. Se absorbe calor de los alrededores donde tiene lugar la reac-ción. Se produce un descenso de temperatura.

l Cambios del estado físico:

– Alguno de los productos se encuentra en estado gaseoso.

Ejemplo 1.1

En el laboratorio se puede observar fácilmente la aparición de un producto en estado gaseoso como es el hidrógeno a partir de la siguiente reacción química:

2HCl(ac) +Zn(s) ⟶ ZnCl2(ac) + H2(g)

Se vierte en un tubo de ensayo una disolución de ácido clorhídrico y, acto seguido, se deposita una pequeña cantidad de zinc en polvo. La reacción es instantánea, se observa un burbujeo en la disolución que indica la presencia de uno de los productos de la reacción en estado gaseoso: el hidrógeno.

Reactivo 1 + Reactivo 2 ⟶ Producto 1 + Producto 2 + Producto 3 + Producto 4

Nota: en este caso Reactivo 1 y Reactivo 2 son la misma sustancia. También, Producto 1, Producto 2 y Producto 3 son la misma sustancia.

+ + + +⟶


caPítulo 1

– Alguno de los productos se encuentra en estado sólido insoluble: la reacción del nitrato de plata con los cloruros presentes en una disolución acuosa produce un precipitado de color blanco que indica la presencia del cloruro de plata:

AgNO3(ac) + Cl–(ac) ⟶ AgCl(s) + NO–3(ac)

Figura 1.1 Cl–(ac)

Figura 1.2 AgCl(s)

l Cambios de color: cuando existe una diferencia de colores apreciables al ojo humano entre los productos de la reacción y los reactivos.

Hay que tener cuidado porque existen algunas disoluciones de reactivos incoloras a las que se añade otra especie, como puede ser un indicador, que colorea la disolu-ción. Este cambio de color no indica la aparición de los productos de la reacción, sino que se utiliza dicho cambio para saber que la reacción ha tenido lugar.

1.1.2. Ecuación química

Una ecuación química es una representación, acordada por convenio, de los reactivos y los productos que participan en una reacción química, así como de las condiciones en las que tiene lugar dicha reacción.

Figura 1.3 Reactivos (color 1)

Figura 1.4 Productos (color 2)


capítulo 1

Un ejemplo de la simbología de una ecuación química sería el siguiente:

2A2+ B

2Pt⎯→⎯ 2A

2B

Proporciona información sobre:

l El sentido en el que se produce una reacción química:

– Identificación de reactivos y productos.

2A2+ B

2Pt⎯→⎯ 2A

2B

ProductosReactivos

2A2+ B

2Zr←⎯⎯ 2A

2B

ReactivosProductos

l Las condiciones de la reacción química:

– Presencia o ausencia de catalizadores (Pt, Pd, etc.), condiciones de presión (P = = 2 atm) y temperatura (Δ, T = 400 K).

2A

2+ B

2Pt⎯→⎯ 2A

2B

Presencia de catalizador: platino

l Los coeficientes estequiométricos:

– Proporción en la que se combinan los reactivos y en la que aparecen los productos de la reacción.

2A2+ B

2Pt⎯→⎯ 2A

2B

¡Atención!, el coeficiente estequiométrico 1 no se escribe, se omite

l Estado físico de los reactivos y productos:

– Se representa mediante letras minúsculas, entre paréntesis, y a modo de subíndice, en la parte derecha de cada reactivo y producto.

Simbología Significado

(g) Gas

(l) Líquido

(s) Sólido

(ac) o (aq) En disolución acuosa

Cuadro 1.1 Estado físico de reactivos y productos


caPítulo 1

2A2(ac)

+ B2(ac)

Pt⎯→⎯ 2A2B

(s)

H2(g) + I

2(g) ⎯→⎯ 2HI

(g)

Actividad propuesta 1.1

Investiga cómo se puede representar de otra manera el estado físico de un gas y el de un sólido en una ecuación química.

l La forma de interpretar la lectura es tal y como se muestra en el apartado 1.2.

Simbología Significado

+ Y

→ (Con 2 o más reactivos)

Reaccionan para producir

→(Con 1 reactivo)

Se descompone(n) para producir

Cuadro 1.2 Lectura de ecuaciones químicas

Ejemplo 1.2

2A2(ac) + B

2(ac)Pt⎯ →⎯ 2A

2B

(s)

La lectura de esta ecuación química se realizaría de la siguiente manera: 2 moles del reacti-vo A2 (en disolución acuosa) y 1 mol del reactivo B2 (en disolución acuosa), en presencia de catalizador de platino, reaccionan para producir 2 moles del producto A2B (en estado sólido).

Ejemplo 1.3

H2(g)

+ I2(g) ⎯ →⎯ 2HI

(g)

La lectura de esta ecuación química se realizaría de la siguiente manera: 1 mol de hidrógeno (en estado gaseoso) y 1 mol de yodo (en estado gaseoso) reaccionan para producir 2 moles de yoduro de hidrógeno (en estado gaseoso).


capítulo 1

Ejemplo 1.4

CaCO3(s)

Δ⎯ →⎯ CaO(s)+CO

2(g)

La lectura de esta ecuación química se realizaría de la siguiente manera: 1 mol de carbonato cálcico (en estado sólido) por efecto de la temperatura se descompone para producir 1 mol de óxido de calcio (en estado sólido) y 1 mol de dióxido de carbono (en estado gaseoso).

1.2. Conceptos básicos de las reacciones químicas

Cuando se trabaja con reacciones químicas por medio de sus representaciones en forma de ecuaciones químicas, es habitual utilizar un conjunto de conceptos que proporcionan una de-terminada información. Se pretende centrar la explicación en el sentido conceptual de cada noción.

1.2.1. Estequiometría

La estequiometría es la parte de la química que tiene como objetivo estudiar las proporciones que existen entre los reactivos y productos que participan en una reacción química.

Mediante los coeficientes estequiométricos se cuantifica la relación de cada uno de los re-activos y productos implicados en la reacción química.

Ahora bien, ¿cómo se pueden averiguar los coeficientes estequiométricos? La respuesta es muy sencilla: ajustando la ecuación química.

¿Coeficientes estequiométricos?

Ajustar la ecuación química

1.2.2. Ajuste de ecuaciones químicas

Está basado en una de las leyes ponderales más conocidas, la ley de la conservación de la masa o ley de Lavoisier.

l Ley de Lavoisier: la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos de la reacción.

Figura 1.5 Para averiguar los coeficientes estequiométricos


caPítulo 1

PaRa sabeR más

La ley de la conservación de la masa fue establecida por Antoine-Laurent de Lavoisier (París, 1743-1794) gracias a los experimentos llevados a cabo con diversas reacciones de combus-tión. Para ello, hacía combustionar diversos elementos con el oxígeno, metales principalmen-te, y realizaba pesadas al inicio y fin de la reacción de combustión.

Como experimento más citado en la bibliografía tradicional, hay que mencionar la reacción de combustión entre el estaño y el oxígeno del aire presente en un vaso cerrado, con la forma-ción de dióxido de estaño (de color blanco). Lavoisier consiguió demostrar que la masa de los reactivos de la reacción de combustión es igual a la masa de los productos de dicha reacción, es decir, la masa se conserva.

De la ley de Lavoisier se deduce que el número de átomos de un mismo elemento debe ser el mismo en la parte de los reactivos y en la parte de los productos de la ecuación química.

Actividad resuelta 1.1

Comprueba que se cumple la ley de Lavoisier en la siguiente reacción química:

CaCO3(s) CaO(s) +CO2(g)

Solución:

Se comprueba que el número de átomos de cada elemento es el mismo en los reactivos que en los productos de la reacción:

Elemento Reactivos (n.º átomos)

Productos (n.º átomos)

Ca 1 1

C 1 1

O 3 3

A la hora de realizar el ajuste de una ecuación química, hay que tener en cuenta:

l Hallar los coeficientes estequiométricos de cada reactivo y de cada producto que inter-viene en la reacción química.

l No modificar los números que aparecen como subíndices en los reactivos y en los pro-ductos nunca, ya que se estaría cambiando al reactivo o al producto por otro que no in-terviene en dicha reacción química, e incluso, se podría formular un reactivo o producto que no existiese.


capítulo 1

l Si aparecen iones, se deberá cumplir la ley de conservación de la carga, es decir, la suma de las cargas de los reactivos debe ser igual a la suma de las cargas de los pro-ductos.

Así, en la siguiente reacción química (cuadro 1.3) se observa cómo se cumple la ley de conservación de la carga.

Reactivos (n.º cargas) Productos (n.º cargas)

2 + 2 +

Cuadro 1.3 Comprobación de la ley de conservación de la carga

Existen dos métodos de ajuste de las ecuaciones químicas que sirven para realizar su balance de materia:

l Método del sistema de ecuaciones.l Método de tanteo.

Estos métodos no se aplican a las reacciones de oxidación-reducción, ya que poseen unos métodos específicos de ajuste.

PaRa sabeR más

Para conocer los métodos de ajuste de las reacciones de oxi-dación-reducción consulta el apartado 6.2.1.

A) Método del sistema de ecuaciones

Se acompaña la explicación con el ajuste de la siguiente ecuación química:

H2SO

4(l)+HI

(g)⎯→⎯H

2S(g)+H

2O

(l)+I

2(s)

l Paso 1. A cada uno de los coeficientes estequiométricos que hay que averiguar se le asigna una letra minúscula:

aH2SO

4(l)+bHI

(g)⎯→⎯ cH

2S(g)+dH

2O

(l)+eI

2(s)

l Paso 2. Con cada elemento (H, S, O, I), se plantea el siguiente balance:

N.º átomos del elemento en los reactivos = N.º átomos del elemento en los productos.

Zn(s) + Cu(aq)2+ → Zn(aq)

2+ + Cu(s)


caPítulo 1

Elemento Reactivos (n.º átomos) Productos (n.º átomos)

H 2 · a + 1 · b 2 · c + 2 · d

S 1 · a 1 · c

O 4 · a 1 · d

I 1 · b 2 · e

Cuadro 1.4 Balance de materia para cada elemento de la reacción

l Paso 3. Se plantea el sistema de ecuaciones:

– Ecuación 1 → H → 2 · a + 1 · b = 2 · c + 2 · d

– Ecuación 2 → S → 1 · a = 1 · c

– Ecuación 3 → O → 4 · a = 1 · d

– Ecuación 4 → I → 1 · b = 2 · e

l Paso 4. Se resuelve el sistema de ecuaciones:

Para que el sistema sea compatible determinado debe existir el mismo número de ecuaciones que de incógnitas. En el caso de que haya más incógnitas que ecuaciones, se le asigna el valor 1 a una de las incógnitas.

En este caso existen cinco incógnitas (a, b, c, d, e) y cuatro ecuaciones.Para que el número de incógnitas y variables sea el mismo, se asigna a la variable

a un valor a = 1.Entonces el sistema queda de la siguiente manera:

l Paso 5. Se escriben los coeficientes estequiométricos en la ecuación química y se com-prueba que el ajuste es correcto.

En el caso de que algún coeficiente sea un número decimal, se multiplicarán to-dos los coeficientes por un mismo número con el objetivo de que todos sean números enteros positivos.

H2SO

4(l)+8HI

(g)⎯→⎯H

2S(g)+4H

2O

(l)+4I

2(s)

2 + b = 2 · c + 2 · d 1 = c

sustituyendo las variables c y d ⟶ b = 8

4 = d e = 4b = 2 · e

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