Química 10.º

Cálculos masa–masa

50 min · DBA 3

Lo que vas a aprender
  • Calcular la masa de un producto a partir de la masa de un reactivo, pasando por los moles.
  • Calcular la masa de reactivo necesaria para obtener una masa dada de producto.
  • Escribir la cadena de factores gramos → moles → moles → gramos y explicar qué hace cada factor.
  • Comprobar un resultado con la conservación de la masa.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

En el laboratorio nadie cuenta moles: se pesan sustancias en la balanza. Si quieres obtener cierta cantidad de un producto, la pregunta real es «¿cuántos gramos de reactivo tengo que pesar?». Y si ya pesaste un reactivo, la pregunta es «¿cuántos gramos de producto debería obtener?». Así trabajan una farmacia que prepara un medicamento, una fábrica de cal o un estudiante que planea una práctica, como pide el DBA de este año.

La lección anterior te dio la relación molar, que conecta moles con moles. Esta lección le añade la balanza: la masa molar convierte gramos en moles al principio y moles en gramos al final.

Antes de empezar necesitas calcular la masa molar de un compuesto a partir de su fórmula y usar la relación molar de una ecuación balanceada.

Explicación

Por qué no se puede ir directo de gramos a gramos

En la ecuación $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}$ el coeficiente del amoníaco es el doble del coeficiente del nitrógeno. Es tentador pensar que cada gramo de N₂ da dos gramos de NH₃. Es falso: los coeficientes dicen cuántas moléculas (o cuántos moles) participan, y una molécula de N₂ no pesa lo mismo que una de NH₃. Para usar la relación molar, las cantidades tienen que estar en moles.

La cadena de tres pasos

Todo cálculo masa–masa sigue el mismo camino:

$$\text{gramos de A} \;\rightarrow\; \text{moles de A} \;\rightarrow\; \text{moles de B} \;\rightarrow\; \text{gramos de B}$$

  1. De gramos a moles de A. Divides la masa de A entre su masa molar. Es el factor $\dfrac{1\ \text{mol de A}}{M_A\ \text{g de A}}$.
  2. De moles de A a moles de B. Multiplicas por la relación molar de la ecuación balanceada, con B arriba: $\dfrac{\text{coef. de B}}{\text{coef. de A}}$.
  3. De moles de B a gramos de B. Multiplicas por la masa molar de B: $\dfrac{M_B\ \text{g de B}}{1\ \text{mol de B}}$.

Los tres factores se pueden escribir en una sola fila, y las unidades se van cancelando como en una cadena: los gramos de A con los gramos de A, los moles de A con los moles de A, los moles de B con los moles de B. Lo que queda al final son gramos de B. Si te queda otra unidad, algún factor está al revés.

El camino sirve también hacia atrás. Si te piden cuántos gramos de reactivo hay que pesar para obtener cierta masa de producto, empiezas por el producto: lo pasas a moles, usas la relación molar con el reactivo arriba y terminas con la masa molar del reactivo.

Un orden de trabajo

Antes de cualquier cuenta conviene seguir siempre el mismo orden. Así no se salta ningún paso:

  • Escribe la ecuación y comprueba que está balanceada.
  • Calcula las masas molares que vas a necesitar, solo de las dos sustancias que aparecen en la pregunta.
  • Haz la cadena paso a paso, con las unidades escritas.
  • Mira si el resultado tiene sentido. Una buena prueba es la conservación de la masa: si calculas todos los productos de una reacción en la que todo el reactivo se gasta, su masa total tiene que ser igual a la de los reactivos.

En esta lección suponemos que el reactivo dado se gasta por completo y que los demás reactivos alcanzan. Qué pasa cuando no alcanzan es el tema de la próxima lección, el reactivo límite. Las cantidades de los problemas son de prácticas inventadas para la lección, y las masas atómicas son las redondeadas de uso escolar.

Ejemplo resuelto

Del nitrógeno al amoníaco

Con la ecuación $\mathrm{N_{2} + 3H_{2} \rightarrow 2NH_{3}}$, ¿cuántos gramos de NH₃ se pueden obtener con 56 g de N₂ si hay hidrógeno de sobra?

Ver la solución paso a paso
  1. La ecuación está balanceada: dos nitrógenos y seis hidrógenos a cada lado.

    $$\mathrm{N_{2} + 3H_{2} \rightarrow 2NH_{3}}$$

  2. Paso 1. Pasamos los gramos de N₂ a moles con su masa molar:

    $$\frac{56}{M_m\left(\mathrm{N_{2}}\right)}$$

  3. La masa molar del N₂ es 2 · 14 = 28 g/mol:

    $$\frac{56}{28}$$

  4. Tenemos $2$ mol de N₂.

  5. Paso 2. Por cada mol de N₂ se forman 2 mol de NH₃:

    $$2 \cdot \frac{2}{1}$$

  6. Se forman $4$ mol de NH₃.

  7. Paso 3. La masa molar del amoníaco es 14 + 3 · 1:

    $$M_m\left(\mathrm{NH_{3}}\right) = 17$$

  8. Multiplicamos los moles por la masa molar:

    $$4 \cdot 17$$

  9. Se obtienen $68$ g de NH₃.

  10. La misma cuenta en una sola cadena de factores: gramos de N₂ · (1 mol / 28 g) · (2 mol de NH₃ / 1 mol de N₂) · (17 g / 1 mol).

    $$56 \cdot \frac{1}{28} \cdot \frac{2}{1} \cdot 17 = 68$$

  11. Fíjate en que no salen 2 · 56 = 112 g. La relación 2 a 1 es entre moles, no entre gramos.

    $$68 < 2 \cdot 56$$

Respuesta: Se obtienen 68 g de NH₃.

La receta: ¿cuánto sale?N₂+3 H₂2 NH₃N₂: 56 gH₂: 20 g¿Cuál se acaba primero? ¿Cuánto sale de cada producto?Sin resolver: la escena lo corrige con «Comprobar».

Los 56 g de N₂ del ejemplo, con hidrógeno de sobra. La escena pasa los gramos a moles, usa la relación de los coeficientes y vuelve a gramos: salen 68 g de NH₃ y sobran 8 g de H₂. Cambia los gramos de N₂ y predice antes de reaccionar.

Convierte 56 g N₂ a g NH₃56 g N₂× fichas? g NH₃3 mol H₂1 mol N₂2 mol NH₃1 mol N₂1 mol N₂28 g N₂17 g NH₃1 mol NH₃

La cadena de tres pasos del ejemplo: gramos de N₂ a moles, moles de N₂ a moles de NH₃ con los coeficientes, y moles de NH₃ a gramos. Pon las fichas hasta que solo quede «g NH₃». Una sobra.

Ejemplo resuelto

El oxígeno del clorato de potasio

En un problema con datos inventados se calientan 49 g de clorato de potasio, que se descompone según $\mathrm{2KClO_{3} \rightarrow 2KCl + 3O_{2}}$. ¿Cuántos gramos de O₂ se desprenden? (No es una práctica para el colegio: el clorato de potasio es un oxidante fuerte que puede explotar si se calienta junto a materia orgánica.)

Ver la solución paso a paso
  1. Es una descomposición, y la ecuación está balanceada: dos potasios, dos cloros y seis oxígenos a cada lado.

    $$\mathrm{2KClO_{3} \rightarrow 2KCl + 3O_{2}}$$

  2. Paso 1. De gramos a moles de KClO₃:

    $$\frac{49}{M_m\left(\mathrm{KClO_{3}}\right)}$$

  3. La masa molar es 39 + 35,5 + 3 · 16 = 122,5 g/mol:

    $$\frac{49}{122{,}5}$$

  4. Hay $0{,}4$ mol de KClO₃.

  5. Paso 2. Por cada 2 mol de KClO₃ salen 3 mol de O₂:

    $$0{,}4 \cdot \frac{3}{2}$$

  6. Salen $0{,}6$ mol de O₂.

  7. Paso 3. La masa molar del O₂:

    $$M_m\left(\mathrm{O_{2}}\right) = 32$$

  8. De moles a gramos:

    $$0{,}6 \cdot 32$$

  9. Se desprenden $19{,}2$ g de O₂.

Respuesta: Se desprenden 19,2 g de O₂.

Ejemplo resuelto

Cuánto reactivo hay que pesar

Al calentar carbonato de calcio se obtienen cal viva y dióxido de carbono: $\mathrm{CaCO_{3} \rightarrow CaO + CO_{2}}$. ¿Cuántos gramos de CaCO₃ hay que calentar para obtener 22 g de CO₂? Comprueba el resultado con la conservación de la masa.

Ver la solución paso a paso
  1. La ecuación está balanceada: un calcio, un carbono y tres oxígenos a cada lado.

    $$\mathrm{CaCO_{3} \rightarrow CaO + CO_{2}}$$

  2. Ahora empezamos por el producto. Paso 1. De gramos a moles de CO₂:

    $$\frac{22}{M_m\left(\mathrm{CO_{2}}\right)}$$

  3. La masa molar del CO₂ es 12 + 2 · 16 = 44 g/mol:

    $$\frac{22}{44}$$

  4. Son $0{,}5$ mol de CO₂.

  5. Paso 2. La relación es 1 mol de CaCO₃ por cada mol de CO₂, con el CaCO₃ arriba:

    $$0{,}5 \cdot \frac{1}{1}$$

  6. Paso 3. La masa molar del carbonato de calcio:

    $$M_m\left(\mathrm{CaCO_{3}}\right) = 100$$

  7. Multiplicamos:

    $$0{,}5 \cdot 100$$

  8. Hay que calentar $50$ g de CaCO₃.

  9. Comprobación. También se forma 0,5 mol de CaO, de masa molar 56 g/mol:

    $$M_m\left(\mathrm{CaO}\right) = 56$$

  10. La masa de CaO es:

    $$0{,}5 \cdot 56$$

  11. Son $28$ g.

  12. Los productos pesan lo mismo que el reactivo: 22 g de CO₂ más 28 g de CaO son los 50 g de CaCO₃.

    $$22 + 28 = 50$$

Respuesta: Hay que calentar 50 g de CaCO₃; se forman 22 g de CO₂ y 28 g de CaO.

Ejemplo resuelto

Una neutralización

¿Cuántos gramos de hidróxido de sodio neutralizan 49 g de ácido sulfúrico? La neutralización es $\mathrm{H_{2}SO_{4} + 2NaOH \rightarrow Na_{2}SO_{4} + 2H_{2}O}$.

Ver la solución paso a paso
  1. La ecuación está balanceada: a cada lado hay dos sodios, un azufre, cuatro hidrógenos y seis oxígenos.

    $$\mathrm{H_{2}SO_{4} + 2NaOH \rightarrow Na_{2}SO_{4} + 2H_{2}O}$$

  2. Paso 1. De gramos a moles de ácido:

    $$\frac{49}{M_m\left(\mathrm{H_{2}SO_{4}}\right)}$$

  3. La masa molar del H₂SO₄ es 2 + 32 + 64 = 98 g/mol:

    $$\frac{49}{98}$$

  4. Hay $0{,}5$ mol de H₂SO₄.

  5. Paso 2. Cada mol de ácido necesita 2 mol de NaOH:

    $$0{,}5 \cdot \frac{2}{1}$$

  6. Hace falta $1$ mol de NaOH.

  7. Paso 3. La masa molar del NaOH es 23 + 16 + 1:

    $$M_m\left(\mathrm{NaOH}\right) = 40$$

  8. De moles a gramos:

    $$1 \cdot 40$$

  9. Hacen falta $40$ g de NaOH.

Respuesta: Hacen falta 40 g de NaOH.

Práctica

Con la ecuación $\mathrm{2H_{2} + O_{2} \rightarrow 2H_{2}O}$, ¿cuántos gramos de agua se forman con 8 g de H₂ si hay oxígeno de sobra?

El metano arde según $\mathrm{CH_{4} + 2O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2H_{2}O}$. ¿Cuántos gramos de CO₂ se forman al quemar 32 g de metano?

Con la misma ecuación, $\mathrm{CH_{4} + 2O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2H_{2}O}$, ¿cuántos gramos de O₂ hacen falta para quemar 32 g de metano?

Una cinta de magnesio arde con una luz blanca según $\mathrm{2Mg + O_{2} \rightarrow 2MgO}$. ¿Cuántos gramos de MgO se forman con 12 g de magnesio?

El zinc reacciona con ácido clorhídrico según $\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}}$. ¿Cuántos gramos de H₂ se desprenden con 13 g de zinc y ácido de sobra? Escribe el número con coma decimal.

Con la ecuación $\mathrm{CaCO_{3} \rightarrow CaO + CO_{2}}$, ¿cuántos gramos de CaCO₃ hay que calentar para obtener 11,2 g de CaO?

¿Verdadero o falso? En $\mathrm{N_{2} + 3H_{2} \rightarrow 2NH_{3}}$, con 28 g de N₂ y suficiente hidrógeno se forman 56 g de NH₃, porque el coeficiente del NH₃ es el doble que el del N₂.

El hierro se oxida según $\mathrm{4Fe + 3O_{2} \rightarrow 2Fe_{2}O_{3}}$. ¿Cuántos gramos de Fe₂O₃ se forman con 112 g de hierro?

El propano arde según $\mathrm{C_{3}H_{8} + 5O_{2} \rightarrow 3CO_{2} + 4H_{2}O}$. ¿Cuántos gramos de agua se forman al quemar 22 g de propano?

Al mezclar disoluciones de nitrato de plata y de cloruro de sodio se forma un sólido blanco, el cloruro de plata: $\mathrm{AgNO_{3} + NaCl \rightarrow AgCl + NaNO_{3}}$. ¿Cuántos gramos de AgCl precipitan con 17 g de AgNO₃ y cloruro de sodio de sobra?

Te dan los gramos de un reactivo y te piden los gramos de un producto. ¿Qué paso no te puedes saltar antes de usar los coeficientes de la ecuación?

Reto

Abre el candado de la balanza.

Cada respuesta es una cifra del código. Gramos → moles → moles → gramos.

Reto

Completa la cadena del metano.

Elige en cada espacio el valor correcto. La ecuación es CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

Reto

Une cada sustancia con su masa molar, en g/mol.

Suma las masas atómicas de la fórmula: H = 1, C = 12, N = 14, O = 16, Ca = 40.

Cierre

En resumen

  • Los coeficientes relacionan moles; por eso un cálculo masa–masa siempre pasa por los moles.

  • El camino es gramos de A → moles de A (÷ masa molar de A) → moles de B (× relación molar) → gramos de B (× masa molar de B).

  • El mismo camino sirve al revés, para saber cuánto reactivo hay que pesar para obtener una masa de producto.

  • Primero se comprueba que la ecuación está balanceada; al final, que el resultado respeta la conservación de la masa.

Vocabulario

Masa molar

Masa de un mol de una sustancia, en gramos por mol; se obtiene sumando las masas atómicas de los átomos de la fórmula.

Factor de conversión

Fracción que vale uno en la realidad (dos cantidades equivalentes) y que sirve para cambiar de unidad, como 1 mol de CO₂ / 44 g de CO₂.

Cálculo masa–masa

Problema en el que se da la masa de una sustancia de la reacción y se pide la masa de otra.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Balancear Al + HCl → AlCl₃ + H₂ y calcular cuántos gramos de H₂ se desprenden con 5,4 g de aluminio y ácido de sobra, con la cadena de factores completa.