Teoría Ejercicios


Reactivo Limitante y Rendimiento

En las reacciones químicas reales, raramente se obtiene la cantidad teórica de producto calculada por estequiometría. El reactivo limitante determina cuánto producto se puede formar, mientras que el rendimiento de la reacción nos indica qué tan eficiente es el proceso.

Diagrama del reactivo limitante

Conceptos Fundamentales

  • Reactivo limitante: El que se consume completamente y determina la cantidad de producto
  • Reactivo en exceso: El que sobra después de que se consume el limitante
  • Rendimiento teórico: Cantidad máxima de producto según estequiometría
  • Rendimiento real: Cantidad de producto obtenida experimentalmente
  • Rendimiento porcentual: Eficiencia de la reacción

Identificación del Reactivo Limitante

Para identificar el reactivo limitante en una reacción química, seguimos estos pasos:

Escribir la ecuación química balanceada
Convertir las cantidades dadas a moles
Calcular cuántos moles de producto puede formar cada reactivo
El reactivo que produzca menos cantidad de producto es el limitante

Método de Comparación de Moles

Para una reacción general:\(aA\) + bB \rightarrow cC + dDSe comparan las relaciones molares:

  • Relación disponible A:\(\frac{\text{moles A disponibles}}{a}\)- Relación disponible B:\(\frac{\text{moles B disponibles}}{b}El reactivo \)con menor relación es el limitante.

Ejemplo de Identificación

Reacción: 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ Cantidades: 5.4 g Al y 21.3 g Cl₂ Solución:
  • Moles Al: 5.4 g ÷ 27 g/mol = 0.2 mol
  • Moles Cl₂: 21.3 g ÷ 71 g/mol = 0.3 mol
  • Relación Al: 0.2 ÷ 2 = 0.1
  • Relación Cl₂: 0.3 ÷ 3 = 0.1

En este caso, ambos reactivos están en proporción estequiométrica exacta.

Cálculo de Rendimientos

Rendimiento Teórico

Es la cantidad máxima de producto que se puede obtener cuando el reactivo limitante se consume completamente, asumiendo 100% de eficiencia.

Cálculo:

Identificar el reactivo limitante
Usar estequiometría para calcular moles de producto
Convertir a gramos u otras unidades según se requiera

Rendimiento Real

Es la cantidad de producto obtenida experimentalmente. Siempre es menor o igual al rendimiento teórico.

Rendimiento Porcentual

Mide la eficiencia de la reacción:\(\%\text{ Rendimiento} = \frac{\text{Rendimiento real}}{\text{Rendimiento teórico}} \times 100### Factores que Afectan el Rendimiento\)

  • Reacciones secundarias: Formación de productos no deseados
  • Condiciones de reacción: Temperatura, presión, concentración
  • Pureza de reactivos: Presencia de impurezas
  • Pérdidas en el proceso: Durante filtración, cristalización, etc.
  • Equilibrio químico: Reacciones reversibles no van a completarse

Estrategias para Optimizar Rendimientos

En el Laboratorio

  • Uso de reactivos puros
  • Control de condiciones: Temperatura, pH, tiempo de reacción
  • Técnicas de separación eficientes
  • Minimizar pérdidas durante transferencias

En Procesos Industriales

  • Reciclaje de reactivos no consumidos
  • Uso de catalizadores
  • Optimización de condiciones de reacción
  • Separación y purificación de productos
  • Aprovechamiento de subproductos

Economía Atómica

La economía atómica mide qué tan eficientemente se utilizan los átomos de los reactivos:\(\%\text{ Economía Atómica} = \frac{\text{Masa molar del producto deseado}}{\text{Suma de masas molares de todos los reactivos}} \times 100### Principios de Química Verde\)

  • Minimizar residuos
  • Maximizar la incorporación de reactivos en el producto
  • Usar reacciones con alta economía atómica
  • Evitar auxiliares (solventes, agentes de separación)

Reacciones en Serie y Paralelo

Reacciones en Serie

A → B → C

El rendimiento global es:\(\text{\) Rendimiento global} = R_1 \times R_2 \times R_3...### Reacciones\( en Paralelo\)

Cuando hay reacciones competitivas:

A → B (producto deseado)

A → C (subproducto)

La selectividad determina qué proporción va al producto deseado.

Aplicaciones Industriales

Síntesis de Amoniaco (Proceso Haber)

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Desafíos:
  • Equilibrio limita la conversión
  • Se reciclan reactivos no convertidos
  • Rendimiento por paso: ~15%
  • Rendimiento global: >95% por reciclaje

Producción de Metanol

CO + 2H₂ → CH₃OH

Optimización:
  • Exceso de H₂ para consumir todo el CO
  • Catalizador Cu/ZnO
  • Condiciones de presión y temperatura optimizadas
  • Separación eficiente del producto

Resolución de Problemas

Metodología General

Analizar el problema: Identificar datos y lo que se pide Escribir la ecuación balanceada Convertir cantidades a moles Identificar el reactivo limitante Calcular rendimiento teórico Calcular rendimiento porcentual si se da el real Verificar la respuesta

Tipos de Problemas Comunes

  • Identificación de reactivo limitante
  • Cálculo de rendimiento teórico
  • Cálculo de rendimiento porcentual
  • Determinación de reactivo en exceso
  • Cálculo de reactivos necesarios para un rendimiento dado

Ejemplos Resueltos

Ejemplo 1: Identificación de reactivo limitante
Problema: En la reacción 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃, se mezclan 10.8 g de Al con 9.6 g de O₂. ¿Cuál es el reactivo limitante? Solución:
  1. Moles de reactivos:
  • Moles Al: 10.8 g ÷ 27 g/mol = 0.4 mol
  • Moles O₂: 9.6 g ÷ 32 g/mol = 0.3 mol
  1. Comparación de relaciones:
  • Relación Al: 0.4 ÷ 4 = 0.1
  • Relación O₂: 0.3 ÷ 3 = 0.1
Resultado: Ambos reactivos están en proporción estequiométrica exacta.
Ejemplo 2: Cálculo de rendimiento
Problema: En la combustión C₂H₆ + 7/2 O₂ → 2CO₂ + 3H₂O, 3.0 g de etano producen 7.2 g de CO₂. Calcular el rendimiento porcentual. Solución:
  1. Rendimiento teórico:
  • Moles C₂H₆: 3.0 g ÷ 30 g/mol = 0.1 mol
  • Moles CO₂ teóricos: 0.1 mol × 2 = 0.2 mol
  • Masa CO₂ teórica: 0.2 mol × 44 g/mol = 8.8 g
  1. Rendimiento porcentual:\(\%R = \frac{7.2}{8.8} \times 100 = 81.8\%Resultado: Rendimiento = 81.8%\)
Ejemplo 3: Cálculo con reactivos en exceso
Problema: Se hacen reaccionar 5.0 g de Mg con 10.0 g de HCl según: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Calcular el reactivo limitante y los gramos de H₂ producidos. Solución:
  1. Moles de reactivos:
  • Moles Mg: 5.0 g ÷ 24.3 g/mol = 0.206 mol
  • Moles HCl: 10.0 g ÷ 36.5 g/mol = 0.274 mol
  1. Comparación (necesitamos 2 mol HCl por cada mol Mg):
  • HCl necesario: 0.206 mol Mg × 2 = 0.412 mol HCl
  • HCl disponible: 0.274 mol
  1. HCl es limitante. Producción de H₂:
  • Moles H₂: 0.274 mol HCl ÷ 2 = 0.137 mol
  • Masa H₂: 0.137 mol × 2.02 g/mol = 0.277 g
Resultado: HCl es limitante, se producen 0.277 g de H₂