Cálculo DE Rendimiento EN Reacciones Químicas PDF

Preview

Summary

IPN ENCB IBQ QUÍMICA ORGÁNICA...

Description

CÁLCULO DE RENDIMIENTO EN REACCIONES QUÍMICAS. Cuando llegamos al laboratorio de química y realizamos una práctica establecida en el manual correspondiente, muy pocas veces nos detenemos a pensar por qué se nos indica que adicionemos tal o cual cantidad de cada uno de los reactivos necesarios para efectuarla. De manera casi automática seguimos las instrucciones al pie de la letra porque confiamos en que nuestros profesores saben lo que están haciendo y porque sabemos que las prácticas de laboratorio ya han sido probadas con anterioridad. Entonces no nos cuestionamos qué pasaría si en lugar de mezclar X cantidad de gramos o de mililitros de un reactivo con Y cantidad de algún otro, mezclamos Y cantidad del primero y X cantidad del segundo. Una reacción química transcurre cuando se dan las condiciones adecuadas para que los reactivos (o las materias primas) sufran rompimiento y formación de enlaces que los lleven a unirse en una forma diferente a la original produciendo así una sustancia o especie química nueva. Pero la cantidad del producto que finalmente se obtiene depende de las cantidades relativas de las materias primas que se utilizaron. El objetivo final de una reacción química, sobre todo a nivel industrial, es obtener la mayor cantidad posible de un compuesto útil a partir de la menor cantidad posible de materias primas y con la menor producción de residuos. Como generalmente los reactivos no se tienen en las cantidades estequiométricas exactas, es decir, en las mismas proporciones en que se encuentran en una ecuación teórica balanceada, se prefiere suministrar en exceso alguno de los reactivos, generalmente el más económico de ellos con objeto de favorecer que la reacción se lleve a efecto de manera que el reactivo más costoso, más delicado o difícil de obtener se convierta totalmente en el producto solicitado. Es aquí en donde cobra importancia el cálculo del rendimiento de una reacción, esta va a realizarse hasta el punto en que uno de los reactivos se consuma y es evidente que el que lo va a hacer primero será aquel que se encuentre en menor proporción molar y por lo tanto se generará una cantidad molar de producto igual a la cantidad molar del reactivo que se encuentre en menor proporción en la mezcla de reacción. Una analogía que puede ser útil para explicar lo anterior es suponer que tenemos 20 botellas y solamente 15 tapones, entonces el número máximo de botellas que podremos tapar será de 15, igual al número de tapones disponibles. Trasladado a nuestro problema químico, el reactivo que se encuentre en menor proporción molar va determinar la cantidad de producto a obtener y a ese le llamamos “reactivo limitante”. Note que hablamos de proporción molar, que no siempre es equivalente a la cantidad relativa de gramos o de mililitros en que se encuentran los reactivos. Supongamos un ejemplo real: El salicilato de metilo, un compuesto que se utiliza en cremas, enjuagues bucales, y protectores solares entre otros, se sintetiza a partir de ácido salicílico y metanol según la reacción de esterificación que se ilustra:

Ahora supongamos que mezclamos 10 g. de ácido salicílico con 10 mL. de metanol. ¿Cuántos mL de salicilato de metilo esperamos obtener? La respuesta a esta cuestión es el cálculo del “rendimiento teórico”, es decir la cantidad esperada del producto de la reacción suponiendo que todos los reactivos se consumieran y que no hubiera pérdidas durante el proceso de síntesis. ¿Cómo se calcula? Lo primero que debemos hacer es convertir las cantidades de los reactivos en moles. Para ello necesitamos determinar los pesos moleculares (masas molares) de cada uno de los reactivos y de los productos así como conocer la densidad de algunos de ellos para convertir los pesos en volúmenes o viceversa. Peso molecular Densidad

Ác,salicílico 138 g/mol.

metanol 32 g/mol. 0.798 g/mL.

Salicilato de metilo 152 g/mol. 1.17 g/mL.

agua 18 g/mol.

Entonces determinamos la cantidad de moles de ácido salicílico que representan los 10 g. utilizados: 1 mol = 138 g. x

= 10 g.

x = 0.0724 moles.

Ahora de la misma manera determinamos los moles de metanol, pero antes necesitamos saber a cuantos gramos equivalen los 10 mL. de metanol para lo cual utilizamos la ecuación que relaciona la masa, la densidad y el volumen: d = m/v y m=d.v entonces: 10mL. X 0.798 g/mL. = 7.98 g. Ahora convertimos en moles los 7.98 g. de metanol: 1 mol. = 32 g. X

= 7.98 g.

X

= 0.2493 moles.

Observamos entonces que el número menor de moles es para el ácido salicílico y por lo tanto este será el reactivo limitante. (Reiterando: cuando reaccionen los 0.0724 moles de ácido salicílico, la reacción habrá concluido a pesar de que existan todavía moles de metanol, el cual se considera como el reactivo en exceso)

Como el número de moles del reactivo limitante determina el número de moles del producto, sólo basta multiplicar los moles del reactivo limitante por el peso molecular del producto para obtener la cantidad máxima de producto que es posible obtener en esas condiciones de reacción; 0.0724 moles X 152 g./mol. = 11.0048 g. Así es que el Rendimiento teórico (la cantidad de producto que teóricamente se debería obtener) es de 11.0048 g. ¿Cuántos mL? 1.- Haga Ud. la conversión adecuada. 2.- En condiciones reales, no se obtiene el rendimiento teórico, entonces, una simple regla de tres que relacione el rendimiento teórico con el rendimiento experimental (que es lo que en verdad se obtiene) nos dará el valor del rendimiento real que si se multiplica por 100 nos dará el porcentaje de eficiencia de la reacción. Suponga que obtuvo 8.7 mL. de salicilato. ¿Cuál es su rendimiento real? ¿Cuál es la eficiencia? 3.- Manteniendo fija la cantidad utilizada de metanol, ¿Qué cantidad de ácido salicílico podría utilizar para obtener la mayor cantidad posible de salicilato? 4.- ¿Qué sucedería si en lugar de 10 g de ácido salicílico se ocuparan sólo 4 g.? 5.- ¿Cuál sería el rendimiento teórico de la reacción?...