Estequiometría y energía de las reacciones
Al oxidar un micrón de silicio crecen 2,27 micrones de óxido. Ese número no sale de una medición: sale de la ecuación balanceada, y hay que tenerlo en cuenta al diseñar el espesor de compuerta.
01La ecuación balanceada es una receta
Una ecuación química balanceada no dice qué pasa: dice en qué proporción pasa. Los coeficientes son la receta, y se leen en moles, no en gramos ni en volúmenes.
Esta reacción en particular es la que crea el óxido de compuerta de todo transistor MOS: la oblea entra a un horno a 1000 °C con oxígeno, y el silicio de la superficie se convierte en SiO₂. Como el óxido ocupa 2,27 veces el volumen del silicio consumido, de cada micrón de óxido crecido, 0,44 micrones salieron de la oblea. Ese número es pura estequiometría, y hay que tenerlo en cuenta al diseñar el espesor final.
1. Balancear la ecuación. 2. Pasar los datos a moles, dividiendo por la masa molar. 3. Comparar con los coeficientes y encontrar el reactivo limitante. 4. Calcular productos y sobrantes en moles. 5. Volver a gramos si hace falta. Saltearse el paso 2 es el origen de casi todos los errores.
02El reactivo limitante
Cuando los reactivos no están en la proporción exacta de la receta, uno se agota antes. Ese es el reactivo limitante, y es el único que decide cuánto producto se obtiene: del otro sobra, y lo que sobra no reacciona por más que esté ahí.
Elegí una reacción de las que aparecen en fabricación electrónica y cargá los moles de cada reactivo. El cálculo muestra cuál limita, cuánto producto sale, cuánto sobra y cuánta energía se libera.
En la industria casi nunca se trabaja en proporción exacta. En la oxidación se usa un exceso enorme de oxígeno para que el limitante sea siempre el silicio de la superficie y la velocidad no dependa del caudal; en el ataque con fluorhídrico, el exceso de ácido garantiza que el óxido se remueva entero. El exceso se elige, no se sufre.
Lo que calcula la estequiometría es el rendimiento teórico: el máximo posible. El real siempre es menor, por reacciones secundarias, por equilibrio o por pérdidas de manipulación. El cociente entre los dos es el rendimiento porcentual, y en procesos de fabricación se lo llama yield: la fracción de chips de una oblea que funcionan.
03La energía de la reacción
Toda reacción intercambia energía con el entorno, porque romper enlaces cuesta y formarlos devuelve. Si devuelve más de lo que cuesta, la reacción es exotérmica y \( \Delta H \lt 0 \); si es al revés, endotérmica.
Que la entalpía sea una función de estado —depende de dónde se empieza y dónde se termina, no del camino— es lo que permite sumarlas. Eso es la ley de Hess, y es la razón de que baste con una tabla de entalpías de formación para calcular cualquier reacción, incluso una que nadie haya medido nunca.
| Reacción | \( \Delta H \) | Qué implica en la práctica |
|---|---|---|
| Si + O₂ → SiO₂ | −911 kJ/mol | Muy exotérmica: el silicio se oxida solo al aire, y esa capa nativa de 2 nm hay que sacarla antes de cualquier proceso |
| SiHCl₃ + H₂ → Si + 3 HCl | +219 kJ/mol | Endotérmica: por eso el reactor de Siemens trabaja a 1100 °C y consume la energía que consume |
| Zn + 2 MnO₂ → ZnO + Mn₂O₃ | −270 kJ/mol | La energía de una pila alcalina; dividida por la carga transferida da su tensión |
La reacción \( \mathrm{2Al + Fe_2O_3 \rightarrow Al_2O_3 + 2Fe} \) libera 852 kJ por mol y alcanza los 2500 °C. Es la misma química que hace que el aluminio de las pistas se oxide instantáneamente al aire: el aluminio le arranca el oxígeno a casi cualquier cosa. Por eso una soldadura sobre aluminio necesita flux agresivo, y por eso el óxido de aluminio es un dieléctrico tan estable en los capacitores electrolíticos.
04En el laboratorio
Hacer reaccionar cantidades medidas de bicarbonato con vinagre en un recipiente sobre balanza y registrar la pérdida de masa por el CO₂ liberado. Repetir variando la proporción hasta identificar experimentalmente el punto en que cambia el reactivo limitante.
Medir con un calorímetro de vaso de telgopor el aumento de temperatura al disolver hidróxido de sodio en agua y al neutralizarlo con ácido clorhídrico. Calcular \( \Delta H \) por mol y comparar con el valor tabulado.
Determinar experimentalmente la entalpía de tres reacciones relacionadas —NaOH sólido en agua, NaOH sólido con HCl, y NaOH en solución con HCl— y verificar que la primera más la tercera dan la segunda.
05Errores frecuentes
- Comparar gramos con gramos para encontrar el limitante. La comparación va en moles divididos por su coeficiente.
- Balancear cambiando los subíndices. Eso cambia la sustancia; solo se tocan los coeficientes.
- Calcular el producto a partir del reactivo en exceso. Lo decide el limitante, siempre.
- Confundir rendimiento teórico con real. Uno sale del cálculo; el otro, de la balanza.
- Olvidar el signo de \( \Delta H \). Negativo es exotérmica: el sistema entrega energía.
- Invertir productos y reactivos en la ley de Hess. Es productos menos reactivos, y al invertir una reacción cambia el signo.
06Autoevaluación
¿Cómo se identifica el reactivo limitante?
Dividiendo los moles de cada reactivo por su coeficiente estequiométrico: el menor cociente manda.
¿Qué significa que \( \Delta H \) sea negativo?
Que la reacción es exotérmica: libera energía al entorno.
¿Qué dice la ley de Hess?
Que la entalpía de una reacción no depende del camino, así que se pueden sumar etapas para obtener una reacción global.
¿Cuánto vale la entalpía de formación del O₂ gaseoso?
Cero: es un elemento en su estado estándar.
¿Por qué el reactor de deposición de silicio necesita calor?
Porque la reacción es endotérmica, con \( \Delta H \approx +219 \) kJ por mol de silicio depositado.
Si se oxida un micrón de silicio, ¿cuánto óxido crece?
Unos 2,27 micrones, porque el SiO₂ ocupa más volumen que el silicio del que proviene.
07Para ampliar
- Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby. Química. 12.ª ed., McGraw-Hill, 2017. Los capítulos 3 y 6: estequiometría, reactivo limitante, rendimiento y termoquímica.
- Ralph H. Petrucci y otros. Química general. 11.ª ed., Pearson, 2017. Muchos problemas resueltos de limitante y de ley de Hess, con el detalle de las unidades.
- Stephen A. Campbell. Fabrication Engineering at the Micro- and Nanoscale. 4.ª ed., Oxford University Press, 2013. La oxidación térmica del silicio, con el modelo de Deal-Grove y la relación de volúmenes de esta unidad.