Ejercicios resueltos Reactivo limitante PDF

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL PERÍODO 2020-A

Clase No: 38

FUNDAMENTOS DE QUÍMICA Tema de la clase: CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS: REACTIVO LIMITANTE Ejercicios de aplicación: 1.

Considerar la siguiente reacción: Na2CO3 + HNO3

 NaNO3 + CO2 + H2O

¿Cuántas moles de CO2 se obtienen a partir de 50 g de Na2CO3? ¿Cuántas moles de ácido nítrico se consumen y cuántos gramos de agua se producen? Antes de iniciar cualquier cálculo estequiométrico es indispensable tener la ecuación igualada. Al ser una reacción tipo redox, pero sencilla, se puede ajustar por simple inspección. Los coeficiente son: Na2CO3 + 2HNO3



2NaNO3 + CO2 + H2O

Conforme los datos se tiene solamente conocida la cantidad de 1 reactivo (Na2CO3), por lo tanto se asume que el otro está en cantidad suficiente, por tanto Na 2CO3 se consume por completo, es decir es el limitante, por tanto a partir de esa cantidad (50 g) se calculan todos los productos generados: 𝑛𝐶𝑂2 = 50 𝑔𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 ∙

1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 ∙ = 0,471 𝑔𝐶𝑂2 106 𝑔𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3

Peso Molecular reactivo

𝑚𝐻2 𝑂 = 50 𝑔𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 ∙

Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada.

18 𝑔𝐻2 𝑂 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 = 8,49 𝑔𝐻2 𝑂 ∙ ∙ 106 𝑔𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂

Peso Molecular reactivo

Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada

Peso Molecular producto

El cálculo arroja la siguiente conclusión: al reaccionar los 50 g de carbonato sódico se generan 0,471 moles de anhídrido carbónico y 8,49 g de agua. 2.

El nitruro de magnesio reacciona con agua produciéndose amoníaco e hidróxido de magnesio. Determinar las masas de los reactivos que se necesitan para producir 50 litros de amoniaco gaseoso medidos a condiciones normales. Mg3N2 + H 2O → NH3 + Mg(OH)2 Se verifica que la ecuación es rédox, sin embargo es sencilla por lo que se puede ajustar por simple inspección: Mg3N2 + 6H 2O → 2NH3 + 3Mg(OH)2

1

Una vez que se tiene la ecuación igualada, se realizan los cálculos de masa de los reactivos solicitados. Se parte desde el valor que se quiere obtener de producto y se provee como dato: 50 L de NH 3 y se determinan las cantidades en gramos de Mg3N2 y H2O, a través de la relación de los coeficientes estequiométricos de la reacción en cuestión:

𝑚𝑀𝑔3 𝑁2 = 50 𝐿𝑁𝐻3 ∙

1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 1 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑔3 𝑁2 100,9 𝑔𝑀𝑔3 𝑁2 ∙ = 112,61 𝑔𝑀𝑔3 𝑁2 ∙ 22.4 𝐿𝑁𝐻3 1 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑔3 𝑁2 2 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3

Relación de volumen molar a C.N.

𝑚𝐻2 𝑂 = 50 𝐿𝑁𝐻3 ∙

Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada.

Peso Molecular del reactivo

1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 6 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 18 𝑔𝐻2 𝑂 = 120,53 𝑔𝐻2 𝑂 ∙ ∙ 22.4 𝐿𝑁𝐻3 2 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂

Relación de volumen molar a C.N.

Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada.

Peso Molecular del reactivo

Una vez realizado el cálculo, se obtiene que las masas necesarias para producir 50 L de NH3 son 112,61 g de Mg3N2 y 120,53 g de H2O. 3.

El reactivo limitante: a) es la sustancia que se encuentra siempre en menor cantidad al inicio de la reacción b) es la sustancia que está en exceso c) determina las cantidades de producto formadas d) ninguna respuesta.

Por definición, el reactivo limitante es la sustancia que se consume por completo, es decir al momento que se termina, la reacción culmina también. Por tanto, éste define qué cantidad de producto se genera. 4.

Considere la siguiente reacción: 3 Cu + 8 HNO3

 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O

Si se ponen en contacto 100 g de Cu con 100 g de HNO3, determinar: ¿Cuál sustancia es el reactivo limitante, qué cantidad de reactivo en exceso queda y cuánto de Cu(NO3)2 se produce? El cálculo se puede realizar directamente, puesto que la ecuación ya se encuentra igualada. Conforme los datos se tienen 2 cantidades de reactivo, por lo tanto, se debe determinar cuál es el limitante, es decir cuál es el reactivo que se consume por completo. Para esto se toma como base de cálculo uno de ellos, en este caso se selecciona los 100 g de Cu y se calcula, cuanto de HNO3 se necesita para reaccionar con esa cantidad de metal: 𝑚𝐻𝑁𝑂3 = 100 𝑔𝐶𝑢 ∙

1 𝑎𝑡 − 𝑔 𝐶𝑢 8 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐻𝑁𝑂3 63 𝑔𝐻𝑁𝑂3 ∙ ∙ = 264,57 𝑔𝐻𝑁𝑂3 3 𝑎𝑡 − 𝑔 𝐶𝑢 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑁𝑂3 63,5 𝑔𝐶𝑢

Peso Molecular 1º reactivo

Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada

Peso Molecular 2º reactivo

2

El valor se interpreta como: para que reaccionen por completo los 100 g de Cu, se necesitan 264,57 g de HNO3. Sin embargo, solamente se tienen 100 g de ácido, por lo que éste se consumirá por completo antes que el cobre, siendo el HNO3 el reactivo limitante, y a partir de él, dependerán todas las cantidades de producto generadas. Ahora se procede a hacer el cálculo inverso, es decir, determina cuánto cobre va a reaccionar al ponerse en contacto con los 100 g de HNO 3: 𝑚𝐶𝑢 = 100 𝑔𝐻𝑁𝑂3 ∙

1 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑁𝑂3 3 𝑎𝑡 − 𝑔 𝐶𝑢 63,5 𝑔𝐶𝑢 ∙ ∙ = 37,8 𝑔𝐶𝑢 63 𝑔𝐻𝑁𝑂3 8 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑁𝑂3 1 𝑎𝑡 − 𝑔 𝐶𝑢 Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada

Peso Molecular 1º reactivo ∴ 𝑚𝐶𝑢𝑠𝑜𝑏𝑟𝑎

Peso Molecular 2º reactivo

= 100 𝑔 − 37,8 𝑔 = 62,2 𝑔𝐶𝑢

Masa inicial

Masa reacciona

Una vez que se ha definido qué reactivo es el limitante y cuánto sobra del otro, se procede a calcular la masa de reactivo solicitada: 𝑚𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2 = 100 𝑔𝐻𝑁𝑂3 ∙

1 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑁𝑂3 3 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2 187,5 𝑔𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2 ∙ = 111,61 𝑔𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2 ∙ 63 𝑔𝐻𝑁𝑂3 8 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑁𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2

Peso Molecular reactivo

Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada.

Peso Molecular del producto

Por tanto, a partir de la reacción de 100 g de Cu y 100 g de HNO3 se generan 111,61 g de Cu(NO3)2, consumiéndose la totalidad del ácido y sobrando 62,2 g de cobre. 5.

En los altos hornos se produce hierro metálico a partir de la siguiente reacción: Fe2O3 + C  Fe + CO2 Calcular la masa de hierro que se obtendrá a partir de 300 kg de óxido y 50 kg de carbono. ¿cuál es el reactivo en exceso y en qué cantidad?

Se verifica que la ecuación es rédox, sin embargo es sencilla por lo que se puede ajustar por simple inspección: 2Fe2O3 + 3C  4Fe + 3CO2 Idéntico procedimiento que el ejercicio #4. Se comparan las masas de los reactivos que se conocen como dato y se determina, cuál es el limitante: 𝑚𝐶 = 300 𝑘𝑔𝐹𝑒2𝑂3 ∙

1 𝑘𝑔𝐶 1000 𝑔𝐹𝑒2𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒2𝑂3 3 𝑎𝑡 − 𝑔 𝐶 12 𝑔𝐶 = 33,81 𝑘𝑔𝐶 ∙ ∙ ∙ ∙ 1 𝑘𝑔𝐹𝑒2𝑂3 159,7 𝑔𝐹𝑒2𝑂3 2 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒2𝑂3 1 𝑎𝑡 − 𝑔 𝐶 1000 𝑔𝐶

Peso Molecular 1º reactivo ∴ 𝑚𝐶𝑠𝑜𝑏𝑟𝑎 = 50

Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada

Peso Molecular 2º reactivo

𝑘𝑔 − 33,81 𝑘𝑔 = 16,19 𝑘𝑔𝐶 3

Esto quiere decir, que para la reacción de los 300 kg de Fe2O3 se requieren 33,81 kg de C, pero se tienen 50 kg, por tanto este último sobra (16,81 kg) y el óxido se consume por completo (reactivo limitante). 𝑚𝐹𝑒 = 300 𝑘𝑔𝐹𝑒2 𝑂3 ∙

1000 𝑔𝐹𝑒2 𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒2𝑂3 4 𝑎𝑡 − 𝑔 𝐹𝑒 55,85 𝑔𝐹𝑒 1 𝑘𝑔𝐹𝑒 = 209,83 𝑘𝑔 𝐹𝑒 ∙ ∙ ∙ ∙ 1 𝑘𝑔𝐹𝑒2 𝑂3 159,7 𝑔𝐹𝑒2 𝑂3 2 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒2𝑂3 1 𝑎𝑡 − 𝑔 𝐹𝑒 1000 𝑔𝐹𝑒

Peso Molecular 1º reactivo

Relación coeficientes estequiométricos de la ecuación igualada

Peso Molecular 2º reactivo

Finalmente se calcula la masa en kg de hierro que se puede producir a partir de los 300 kg de óxido férrico, obteniendo la cantidad de 209,83 kg.

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