Equilibrio de ecuaciones químicas

El equilibrio de las ecuaciones químicas implica la adición de coeficientes estequiométricos a los reactivos y productos. Esto es importante porque una ecuación química debe obedecer la ley de conservación de la masa y la ley de proporciones constantes , es decir, debe existir el mismo número de átomos de cada elemento en el lado reactivo y el lado del producto de la ecuación .

 

En este artículo se analizan dos métodos rápidos y fáciles de equilibrar una ecuación química. El primer método es el método de equilibrio tradicional y el segundo es el método de equilibrio algebraico.

 

Tabla de contenido

 

Terminología relacionada Ecuación química Coeficiente estequiométrico

 

El método de equilibrio tradicional El método de equilibrio algebraico Ejemplos resueltos

 

Terminología relacionada

 

Ecuación química

 

 
• Una ecuación química es una representación simbólica de una reacción química en la que los reactivos y productos se denotan por sus respectivas fórmulas químicas.

 

• Un ejemplo de una ecuación química es 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O que describe la reacción entre hidrógeno y oxígeno para formar agua

 

• El lado reactivo es la parte de la ecuación química a la izquierda del símbolo ‘→’, mientras que el lado producto es la parte a la derecha del símbolo de flecha.

 

 

Coeficiente estequiométrico

 

 
• Un coeficiente estequiométrico describe el número total de moléculas de una especie química que participan en una reacción química.

 

• Proporciona una relación entre las especies que reaccionan y los productos formados en la reacción.

 

• En la reacción descrita por la ecuación CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O , el coeficiente estequiométrico de O ₂ y H ₂ O es 2, mientras que el de CH ₄ y CO ₂ es 1.

 

• El número total de átomos de un elemento presente en una especie (en una ecuación química equilibrada) es igual al producto del coeficiente estequiométrico y el número de átomos del elemento en una molécula de la especie.

 

• Por ejemplo, el número total de átomos de oxígeno en la especie que reacciona ‘2O ₂ ’ es 4.

 

• Mientras se equilibran las ecuaciones químicas, los coeficientes estequiométricos se asignan de una manera que equilibra el número total de átomos de un elemento en el lado del reactivo y del producto.

 

 

El método tradicional de equilibrio

 

El primer paso que debe seguirse al equilibrar las ecuaciones químicas es obtener la ecuación completa desequilibrada. Para ilustrar este método, se toma como ejemplo la reacción de combustión entre propano y oxígeno.

 

Paso 1

 

 
• La ecuación desequilibrada debe obtenerse de las fórmulas químicas de los reactivos y los productos (si aún no se ha proporcionado).

 

• La fórmula química del propano es C ₃ H ₈ . Se quema con oxígeno (O ₂ ) para formar dióxido de carbono (CO ₂ ) y agua (H ₂ O)

 

• La ecuación química desequilibrada se puede escribir como C ₃ H ₈ + O ₂ → CO ₂ + H ₂ O

 

 

Paso 2

 

Se debe comparar el número total de átomos de cada elemento en el lado reactivo y el lado del producto. Para este ejemplo, el número de átomos en cada lado se puede tabular de la siguiente manera.

 

 

Paso 3

 

 
• Ahora, se añaden coeficientes estequiométricos a las moléculas que contienen un elemento que tiene un número diferente de átomos en el lado reactivo y el lado del producto.

 

• El coeficiente debe equilibrar el número de átomos en cada lado.

 

• Generalmente, los coeficientes estequiométricos se asignan a los átomos de hidrógeno y oxígeno al final.

 

• Ahora, se debe actualizar el número de átomos de los elementos en el lado del reactivo y del producto.

 

• Es importante tener en cuenta que el número de átomos de un elemento en una especie debe obtenerse multiplicando el coeficiente estequiométrico con el número total de átomos de ese elemento presente en 1 molécula de la especie.

 

• Por ejemplo, cuando el coeficiente 3 se asigna a la molécula de CO ₂ , el número total de átomos de oxígeno en CO ₂ se convierte en 6. En este ejemplo, el coeficiente es primero asignado al carbono, como se tabula a continuación.

 

 

 

Paso 4

 

El paso 3 se repite hasta que todos los átomos de los elementos que reaccionan sean iguales en el lado del reactivo y del producto. En este ejemplo, el hidrógeno se equilibra a continuación. La ecuación química se transforma de la siguiente manera.

 

 

Ahora que los átomos de hidrógeno están equilibrados, el siguiente elemento a equilibrar es el oxígeno. Hay 10 átomos de oxígeno en el lado del producto, lo que implica que el lado reactivo también debe contener 10 átomos de oxígeno.

 

Cada molécula O ₂ contiene 2 átomos de oxígeno. Por lo tanto, el coeficiente estequiométrico que debe asignarse a la molécula O ₂ es 5. La ecuación química actualizada se tabula a continuación.

 

 

Paso 5

 

 
• Una vez que todos los elementos individuales están equilibrados, el número total de átomos de cada elemento en el lado del reactivo y del producto se compara una vez más.

 

• Si no hay desigualdades, se dice que la ecuación química está equilibrada.

 

• En este ejemplo, cada elemento ahora tiene un número igual de átomos en el lado del reactivo y del producto.

 

• Por lo tanto, la ecuación química balanceada es C ₃ H ₈ + 5O ₂ → 3CO ₂ + 4H ₂ O .

 

 

El método de equilibrio algebraico

 

Este método de equilibrar ecuaciones químicas implica asignar variables algebraicas como coeficientes estequiométricos a cada especie en la ecuación química desequilibrada. Estas variables se usan en ecuaciones matemáticas y se resuelven para obtener los valores de cada coeficiente estequiométrico. Para explicar mejor este método, la reacción entre glucosa y oxígeno que produce dióxido de carbono y agua se ha considerado como un ejemplo.

 

Paso 1

 

 
• La ecuación química desequilibrada debe obtenerse escribiendo las fórmulas químicas de los reactivos y los productos.

 

• En este ejemplo, los reactivos son glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) y oxígeno (O ₂ ) y los productos son dióxido de carbono (CO ₂ ) y agua (H ₂ O)

 

• La ecuación química desequilibrada es C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ → CO ₂ + H ₂ O

 

 

Paso 2

 

Ahora, las variables algebraicas se asignan a cada especie (como coeficientes estequiométricos) en la ecuación química desequilibrada. En este ejemplo, la ecuación se puede escribir de la siguiente manera.

 

a C ₆ H ₁₂ O ₆ + b O ₂ → c CO ₂ + d H ₂ O

 

Ahora, se debe formular un conjunto de ecuaciones (entre el reactivo y el lado del producto) para equilibrar cada elemento en la reacción. En este ejemplo, se pueden formar las siguientes ecuaciones.

 

La ecuación para el carbono

 

 
• En el lado reactivo, las moléculas “a” de C ₆ H ₁₂ O ₆ contendrán átomos de carbono “6a”.

 

• En el lado del producto, las moléculas “c” de CO ₂ contendrán átomos de carbono “c”.

 

• En esta ecuación, las únicas especies que contienen carbono son C ₆ H ₁₂ O ₆ y CO ₂ .

 

 

Por lo tanto, la siguiente ecuación puede formularse para carbono: 6a = c

 

La ecuación para el hidrógeno

 

 
• Las especies que contienen hidrógeno en esta ecuación son C ₆ H ₁₂ O ₆ y H ₂

 

• ‘a’ moléculas de C ₆ H ₁₂ O ₆ contiene átomos de hidrógeno ’12a’ mientras que ‘d’ H ₂ Las moléculas O contendrán átomos de hidrógeno ‘2d’.

 

• Por lo tanto, la ecuación para el hidrógeno se convierte en 12a = 2d .

 

 

Simplificando esta ecuación (dividiendo ambos lados entre 2), la ecuación se convierte en:

 

6a = d

 

La ecuación para el oxígeno

 

Todas las especies en esta ecuación química contienen oxígeno. Por lo tanto, se pueden establecer las siguientes relaciones para obtener la ecuación para el oxígeno:

 

 
• Para las moléculas “a” de C ₆ H ₁₂ O ₆ , existen átomos de oxígeno “6a”.

 

• Las moléculas ‘b’ de O ₂ contienen un total de oxígenos ‘2b’.

 

• Las moléculas CO c ’de CO ₂ contienen el número‘ 2c ’de átomos de oxígeno.

 

• Moléculas “d” de H ₂ O contienen átomos de oxígeno “d”.

 

 

Por lo tanto, la ecuación para oxígeno se puede escribir como:

 

6a + 2b = 2c + d

 

Paso 3

 

Las ecuaciones para cada elemento se enumeran juntas para formar un sistema de ecuaciones. En este ejemplo, el sistema de ecuaciones es el siguiente:

 

6a = c (para carbono); 6a = d (para hidrógeno); 6a + 2b = 2c + d (para oxígeno)

 

Este sistema de ecuaciones puede tener múltiples soluciones, pero se requiere la solución con valores mínimos de las variables. Para obtener esta solución, se asigna un valor a uno de los coeficientes. En este caso, se supone que el valor de a es 1. Por lo tanto, el sistema de ecuaciones se transforma de la siguiente manera:

 

a = 1

 

c = 6a = 6 * 1 = 6

 

d = 6a = 6

 

Sustituyendo los valores de a, cyd en la ecuación 6a + 2b = 2c + d , el valor de “b” se puede obtener de la siguiente manera:

 

6 * 1 + 2b = 2 * 6 + 6

 

2b = 12; b = 6

 

Es importante tener en cuenta que estas ecuaciones deben resolverse de manera que cada variable sea un número entero positivo. Si se obtienen valores fraccionarios, el mínimo común denominador entre todas las variables debe multiplicarse con cada variable. Esto es necesario porque las variables contienen los valores de los coeficientes estequiométricos, que deben ser un número entero positivo.

 

Paso 4

 

 
• Ahora que se obtiene el valor más pequeño de cada variable, sus valores se pueden sustituir en la ecuación química obtenida en el paso 2.

 

• Por lo tanto, aC ₆ H ₁₂ O ₆ + bO ₂ → cCO [ 19459022] 2 + dH ₂ O se convierte en: C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ → 6CO ₂ + 6H ₂ O

 

• Por lo tanto, se obtiene la ecuación química equilibrada.

 

 

El método algebraico para equilibrar ecuaciones químicas se considera más eficiente que el método tradicional. Sin embargo, puede producir valores fraccionales para los coeficientes estequiométricos, que luego deben convertirse en enteros.

 

Ejemplos resueltos

 

En esta subsección se proporcionan algunos ejemplos que describen el equilibrio de ecuaciones químicas. Estas ecuaciones se han equilibrado utilizando los dos métodos descritos anteriormente.

 

Ejemplo 1

 

Ecuación química desequilibrada: Al + O ₂ → Al ₂ O ₃

 

Método tradicional

 

Siguiendo el método tradicional, la reacción se puede equilibrar de la siguiente manera:

 

 

Primero, los átomos de aluminio están equilibrados. La ecuación se convierte en 2Al + O ₂ → Al ₂ O ₃

 

Ahora, los átomos de oxígeno deben estar equilibrados, hay dos átomos de oxígeno en el lado reactivo y 3 en el lado del producto. Por lo tanto, debe haber 3 O ₂ moléculas que produzcan 2 Al ₂ O ₃ átomos. La ecuación química se transforma en 2Al + 3O ₂ → 2Al ₂ O ₃

 

Dado que el número de átomos de aluminio en el lado del producto se ha duplicado, también debe hacerlo el número en el lado del reactivo.

 

 

Dado que cada elemento está equilibrado, se encuentra que la ecuación química equilibrada es 4Al + 3O ₂ → 2Al ₂ O ₃

 

Método algebraico

 

Usando el método algebraico de balancear ecuaciones químicas, las siguientes variables pueden asignarse a la ecuación no balanceada.

 

a Al + b O ₂ → c Al ₂ O ₃

 

La ecuación para el aluminio: a = 2c

 

La ecuación para Oxígeno: 2b = 3c

 

Suponiendo que a = 1, obtenemos:

 

c = a / 2; c = 1/2

 

2b = 3 * (½) = 3/2; b = ¾

 

Dado que se obtienen valores fraccionarios de byc, el mínimo común denominador entre las variables a, byc se debe encontrar y multiplicar con cada variable. Como el mínimo común denominador es 4, cada una de las variables debe multiplicarse por 4.

 

Por lo tanto, a = 4 * 1 = 4; b = (¾) * 4 = 3; c = (½) * 4 = 2

 

Sustituyendo los valores de a, byc en la ecuación desequilibrada, se obtiene la siguiente ecuación química equilibrada.

 

4Al + 3O ₂ → 2Al ₂ O ₃

 

Ejemplo 2

 

Ecuación química desequilibrada: N ₂ + H ₂ → NH ₃

 

Método tradicional

 

En esta reacción, los átomos de nitrógeno se equilibran primero. El lado reactivo tiene dos átomos de nitrógeno, lo que implica que se deben formar 2 moléculas de NH ₃ para cada molécula N ₂ .

 

 

Cada molécula H ₂ contiene 2 átomos de hidrógeno. Para equilibrar el número de átomos de hidrógeno en la ecuación, el número total de átomos de hidrógeno debe ser igual a 6. Por lo tanto, el coeficiente estequiométrico que debe asignarse al hidrógeno es 3.

 

 

Por lo tanto, la ecuación química equilibrada es N ₂ + 3H ₂ → 2NH ₃ [19459004 ]
 

Método algebraico

 

Las variables a, byc deben asignarse a N ₂ , H ₂ y NH ₃ respectivamente. La ecuación química se puede escribir como:

 

a N ₂ + b H ₂ → c NH ₃

 

La ecuación para el nitrógeno: 2a = c

 

La ecuación para el hidrógeno: 2b = 3c

 

Suponiendo que a = 1 , los valores de byc se pueden obtener de la siguiente manera.

 

c = 2a = 2

 

2b = 3c = 3 * 2 = 6; b = 6/2 = 3

 

Dado que a, byc no tienen múltiplos comunes, pueden sustituirse en la ecuación de la siguiente manera.

 

N ₂ + 3H ₂ → 2NH ₃

 

Esta es la forma equilibrada de la ecuación química dada.

 

Ejercicios

 

Para practicar diferentes métodos de equilibrar ecuaciones químicas, se pueden trabajar las siguientes ecuaciones desequilibradas.

 

 
1. FeCl ₃ + NaOH → NaCl + Fe (OH) ₃

 

2. Zn + HCl → ZnCl ₂ + H ₂

 

3. P ₂ O ₅ + H ₂ O → H ₃ PO ₄

 

4. FeSO ₄ + NaOH → Na ₂ SO ₄ + Fe (OH) ₂

 

5. Mg + HCl → MgCl ₂ + H ₂

 

 

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