Aprende cómo se equilibran las reacciones químicas a través de la metáfora de hacer el cambio
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En las reacciones en condiciones normales de laboratorio, la materia no se crea ni se destruye, y los elementos no se transforman en otros elementos. Por lo tanto, las ecuaciones que representan reacciones deben estar equilibradas; es decir, debe aparecer el mismo número de átomos de cada tipo en los lados opuestos de la ecuación. La ecuación equilibrada para la reacción hierro-azufre muestra que un átomo de hierro puede reaccionar con un átomo de azufre para dar una unidad de fórmula de sulfuro de hierro.
Los químicos trabajan normalmente con cantidades pesadas de elementos y compuestos. Por ejemplo, en la ecuación hierro-azufre el símbolo Fe representa 55,845 gramos de hierro, S representa 32,066 gramos de azufre y FeS representa 87,911 gramos de sulfuro de hierro. Como la materia no se crea ni se destruye en una reacción química, la masa total de reactivos es la misma que la masa total de productos. Si se utiliza otra cantidad de hierro, por ejemplo, una décima parte (5,585 gramos), sólo se consume una décima parte de azufre (3,207 gramos) y sólo se produce una décima parte de sulfuro de hierro (8,791 gramos). Si inicialmente hubiera 32,066 gramos de azufre con 5,585 gramos de hierro, entonces sobrarían 28,859 gramos de azufre cuando se completara la reacción.
La reacción del metano (CH4, un componente principal del gas natural) con el oxígeno molecular (O2) para producir dióxido de carbono (CO2) y agua puede representarse mediante la ecuación química CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) Aquí aparece otra característica de las ecuaciones químicas. El número 2 que precede al O2 y al H2O es un factor estequiométrico. (El número 1 que precede al CH4 y al CO2 está implícito.) Esto indica que una molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno para producir una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua. La ecuación está equilibrada porque el mismo número de átomos de cada elemento aparece en ambos lados de la ecuación (aquí un átomo de carbono, cuatro de hidrógeno y cuatro de oxígeno). De forma análoga al ejemplo del hierro-azufre, podemos decir que 16 gramos de metano y 64 gramos de oxígeno producirán 44 gramos de dióxido de carbono y 36 gramos de agua. Es decir, 80 gramos de reactivos darán lugar a 80 gramos de productos.
La proporción de reactivos y productos en una reacción química se llama estequiometría química. La estequiometría depende del hecho de que la materia se conserva en los procesos químicos, y los cálculos que dan las relaciones de masa se basan en el concepto de mol. Un mol de cualquier elemento o compuesto contiene el mismo número de átomos o moléculas, respectivamente, que un mol de cualquier otro elemento o compuesto. Por acuerdo internacional, un mol del isótopo más común del carbono (carbono-12) tiene una masa de exactamente 12 gramos (lo que se denomina masa molar) y representa 6,022140857 × 1023 átomos (número de Avogadro). Un mol de hierro contiene 55,847 gramos; un mol de metano contiene 16,043 gramos; un mol de oxígeno molecular equivale a 31,999 gramos; y un mol de agua tiene 18,015 gramos. Cada una de estas masas representa 6,022140857 × 1023 moléculas.