Cuando se tienen disoluciones necesarias para llevar a cabo una reacción química, siempre es importante conocer la cantidad de soluto disuelto en una determinada cantidad de disolvente. Sin embargo, la forma más conveniente para esta proporción es hacer uso de una concentración que relacione la cantidad de sustancia del soluto con el volumen de la disolución y cuyas unidades son mol/L. Esta concentración se conoce como concentración molar y se expresa escribiendo la fórmula de la sustancia, cuya concentración se va a expresar, entre corchetes. Así por ejemplo, la concentración molar de una disolución de ácido clorhídrico uno molar se expresa como sigue: [HCl] =1.0, lo cual significa que se tiene una disolución que contiene 1.0 mol de HCl/1 L de disolución.
El estudio de la estequiometría en las reacciones químicas es parte fundamental de la química y tiene aplicaciones muy importantes en la vida cotidiana.
Cuando una persona o empresa planean fabricar algún producto, como por ejemplo, papel, telas, medicamentos, pinturas, alimentos, etc., lo primero que debe saber es cómo ha de realizarse esa fabricación y qué cantidades de sustancia se requieren para hacerlas reaccionar entre sí y obtener los productos deseados.
Para fabricar éstos, los industriales deben tener en cuenta muchos factores, pero el primero de todos es decidir con qué sustancias necesita contar para ello. A estas sustancias se les llama reactivos y a lo que se desea obtener se le llama productos.
La obtención de amoniaco
En 1908, el alemán Fritz Haber (1868-1934) obtuvo amoniaco haciendo reaccionar hidrógeno y nitrógeno en condiciones especiales de temperatura y presión. En 1913, Carl Bosch (1874-1940) logró perfeccionar este descubrimiento y obtener con ello cantidades industriales de amoniaco. Esta síntesis tuvo enorme importancia, dado que el amoniaco es una sustancia esencial para fabricar fertilizantes agrícolas y explosivos.
Este descubrimiento tuvo grandes repercusiones, tanto positivas como negativas. En 1914, estalla en Europa la Primera Guerra Mundial. En esa época, tanto los explosivos como los fertilizantes se obtenían de sustancias que contenían nitratos y que fundamentalmente se extraían en Chile. Gran Bretaña y sus aliados controlaban las rutas marítimas que permitían el paso de los barcos que llegaban con estas sustancias a Europa. Así pues, Alemania y sus aliados no podían recibirlas. Por ello, el proceso Haber fue de gran importancia para esta guerra, ya que proporcionó a los alemanes y sus aliados una fuente para obtener los fertilizantes y los explosivos. Con los primeros, pudieron producir en mayor escala los alimentos que se requerían, pero desafortunadamente, con los segundos mataron a millones de personas. Haber recibió en 1918 el Premio Nobel de Química, ante el disgusto de muchas personas por su activa participación en la guerra. Esta historia permite comprender la relación estrecha que existe entre ciencia y sociedad.
A continuación puede observarse la ecuación que describe lo que ocurre en esta reacción:
Al escribirla, se dice 1 mol de nitrógeno reacciona con 1 mol de oxígeno y produce 2 moles de amoniaco. Es decir que la proporción molar entre todas las sustancias presentes es de 1:3:2. Así pues, si se quiere obtener 4 moles de amoniaco, se debe tomar en cuenta la proporción mencionada; por tanto se requiere el doble de cada reactivo; es decir, 2 moles de nitrógeno y 6 moles de hidrógeno. De esta manera, la proporción queda: 2:6:4, que es igual a 1:3:2.
Y como las tres sustancias involucradas en esta reacción se encuentran en estado gaseoso, cuando ésta se lleva a cabo, entonces es posible conocer el volumen de gas requerido de cada reactivo para producir determinado volumen de producto. En este caso, debemos relacionar la cantidad de sustancia con el volumen.
Hay muchos ejemplos relacionados con la vida cotidiana que permiten entender fácilmente el concepto de la estequiometría en reacciones completas. Veamos uno referido a la comida. Una noche llegan a casa 6 visitantes inesperados a quienes se invita a cenar. Parece adecuado prepararles unas dobladas, que son tortillas con frijoles, queso, cebolla y chile, fritas en aceite. Como las 6 personas son de buen comer, se decide hacer 5 dobladas para cada una. El producto son las dobladas y los reactivos, las tortillas, los frijoles, el queso, la cebolla, el chile y el aceite.
Desde luego, éste es un símil porque, en realidad, al cocinar esto no ocurre una reacción, pero sirve para explicar de manera sabrosa el concepto; sin embargo, cuando de alguno de los ingredientes se tiene poca cantidad (por ejemplo de tortillas), entonces decimos que las tortillas limitaron la producción de dobladas. Así pues, con esta analogía se hace énfasis en que no todas las reacciones que se llevan a cabo en la industria o en la naturaleza son completas, más bien son incompletas; es decir no todos los reactivos se transforman en productos, ya sea porque no haya suficiente o porque las condiciones de reacción no lo permitan. Entonces se habla de reacciones no cuantitativas y para saber cuánto producto se obtiene, a partir de los reactivos necesarios para que ocurra la reacción, es preciso conocer su rendimiento.
