Rendimiento de la reacción

La cantidad de reactivo limitante presente al inicio de una reacción determina el rendimiento teórico de la reacción, es decir, la cantidad de producto que se obtendrá si reaciona todo el reactivo limitante. Por tanto, el rendimiento teórico es el rendimiento máximo que se puede obtener, que se calcula a partir de la ecuación balanceada. En la práctica, el rendimiento real, o bien, la cantidad de producto que se obtiene en una reacción, casi siempre es menor que el rendimiento teórico. Existen muchas razones para explicar la diferencia entre el rendimiento real y el teórico. Por ejemplo, muchas reacciones son reversibles, por lo que no proceden en un 100% de izquierda de derecha. Aún cuando la reacción se complete en un 100%, resulta difícil recuperar todo el producto del medio de reacción (por ejemplo, de una disolución acuosa). Algunas reacciones son complicadas, en el sentido de que los productos formados pueden seguir reaccionando entre sí o los reactivos, para formar todavía otros productos. Estas reacciones adicionales reducen el rendimiento de la primera reacción.

Para determinar la eficiencia de una reacción específica, los químicos utilizan el término rendimiento porcentual, que describe la proporción del rendimiento real con respecto al rendimiento teórico. Se calcula de la siguiente forma:

El intervalo de procentaje del rendimiento puede fluctuar desde 1% hasta 100%. Los químicos siempre buscan alumentar el porcentaje de rendimiento de las reacciones. Entre los factores que pueden afectar el porcentaje del rendimiento se encuentran la temperatura y la presion.

Reactivo limitante

Cuando un químico efectúa una reacción, generalmente los reactivos no están presentes en las cantidades estequiométricas exactas, es decir, en las proporciones que indica la ecuación balanceada. Como consecuencia, algunos reactivos se consumen mientras que parte de otros se recuperan al finalizar la reacción. El reactivo que se consume primero en la reacción recibe el nombre de reactivo limitante, ya que la máxima cantidad de producto que se forma depende de la cantidad de ese reactivo que habia originalmente. Cuando este reactivo se consume no se puede formar más producto. Los reactivos en exceso son los reactivos presentes en mayor cantidad que la necesaria para reaccionar con la cantidad de reactivo limitante.

El concepto de reactivo limitante es análogo a la relación entre hombres y mujeres en un salón de baile en un club. Si hay 14 hombres y sólo 9 mujeres, únicamente se podrán completar 9 parejas hombre/mujer. Cinco hombres se quedarán si pareja. Así el número de mujeres limita el número de hombres que podrán bailar y hay un exceso de hombres.

Cantidades de reactivos y productos

Una pregunta que se plantea en el laboratorio y en la industria química es: "¿qué cantidad de productos se obtendrá a partir de cantidades específicas de las materias primas (reactivos)?". O bien, en algunos casos la pregunta se plantea de manera inversa: "¿qué cantidad de materia prima se debe utilizar para obtener una cantidad específica del producto?". Para interpretar una reacción en forma cuantitativa es necesario aplicar el conocimiento de las masas molares y el concepto de mol. La estequiometría es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reacción química.

Independientemente de que las unidades utilizadas para los reactivos (o productos) sean moles, gramos, litros (para los gases) y otras unidades, para calcular la cantidad de producto formado en una ecuación se utilizan moles. Este método se denomina metodo del mol, que significa que los coeficientes estequiométricos en una reacción química se pueden interpretar como el número de moles de cada sustancia. Por ejemplo, la combustion del monóxido de carbono en el aire produce dióxido de carbono:

2CO(g)  +  O2(g)  -->  2CO2(g)

Para los cálculos estequiométricos esta ecuación puede leerse como: "2 moles de monóxido de carbono gaseoso se combinan con 1 mol de oxígeno gaseoso para formar dos moles de dióxido de carbono gaseoso".

El método del mol consta de los siguintes pasos:

1. Escriba las fórmulas correctas para todos los reactivos y productos y haga el balance de la ecuación resultante.
2. Convierta en moles las cantidades de algunas o todas las sustancias conocidas (generalmente los reactivos).
3. Utilice los coeficientes de la ecuación balanceada para calcular el número de moles de las cantidades buscadas o desconocidas (generalmente los productos) en el problema.
4. Utilizando los números calculados de moles y masas molares convierta las cantidades ddesconocidas en las unidades que se requieran (generalmente en gramos).
5. Verifique que la respuesta sea razonable.

Tres tipos de cálculo basado en el método del mol

El paso 1 es un requisito previo para cualquier cálculo estequiométrico. Se debe conocer la identidad de los reactivosy de los productos, y sus relaciones de masa deben considerar la ley de la conservación de la masa (es decir, se debe tener una ecuación balanceada). El paso 2 es el punto crítico para convertir los gramos (u otras unidades) de las sustancias en números de moles. Esta conversion permite analizar la reacción real solo en término de moles.

Para completar el paso 3, es necesario balancear la ecuación lo que ya se hizo en el paso 1. El punto clave aquí es que en una ecuación balanceada, los coeficientes indican la relacion en la cual las moles de una sustancia reaccionan o forman moles de otras sustancias. El paso 4 es semejante al paso 2, excepto que ahora se refiere a las cantidades buscadas en el problema. El paso 5 con frecuencia se subestima, pero es muy importante.

Balance de ecuaciones químicas

Supongamos que desea escribir una ecuación para explicar una reacción química que se acaba de realizar en el laboratorio. ¿Cómo se procede? Puesto que se conocen los reactivos, es posible escribir sus fórmulas químicas. Es más difícil establecer la identidad de los productos. Con frecuencia, es posible predecir el o los productos de reacciones sencillas. En reacciones más complicadas en las que hay tres o más productos, los químicos necesitarán otras pruebas para establercer la presencia de compuestos específicos.

Una vez que se han identificado los reactivos y productos, y que se han escrito sus fórmulas correctas, se acomodan según la secuencia convencional: los reactivos a la izquierda, separados por una flecha de los productos, que se colocan del lado derecho. Es muy probable que la ecuación que se ha escrito en este momento este sin "balancear", es decir que el número de cada tipo de átomos sea diferente en ambos lados de la flecha. En general el balance de una ecuación química se verifica mediante los siguientes pasos:

• Se identifican todos los reactivos y productos, y se escriben sus fórmulas correctas, del lado izquierdo y derecho de la ecuación, respectivamente.
• El balance de la ecuación se emplea probando diferentes coeficientes para igualar el número de átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación. Se pueden cambiar los coeficientes (los números que anteceden a la fórmula), pero no los subíndices (los números que forman parte de la fórmula). Si se cambian los subíndices se cambia la identidad de la sustancia. Por ejemplo 2NO2  significa "dos moléculas de dióxido de nitrógeno". Pero si se duplican los subíndices se tiene N2O4, que es la fórmula del tetróxido de dinitrógeno, un compuesto totalmente diferente.
• Primero se buscan los elementos que aparecen una sola vez en cada lado de la ecuación y con igual número de átomos: las fórmulas que contengan estos elementos deben tener el mismo coeficiente. Por lo tanto no es necesario ajustar los coeficientes de dichos elementos en este momento. A continuación se buscan los elementos que aparecen solo una vez en cada lado de la ecuación pero con diferente número de átomos. Se hace el balance de estos elementos. Por último, el de los elementos que aparecen en dos o más fórmulas del mismo lado de la ecuación.
• Se verifica la ecuación obtenida para asegurarse de que hay el mismo número total de cada tipo de átomos en ambos lados de la ecuación.

Considere un ejemplo específico. En el laboratorio se pueden preparar pequeñas cantidades de oxígeno gaseoso calentando clorato de potasio (KClO3). Los productos son oxígeno (O2) y cloruro de potasio (KCl), a partir de esta información se escribe:

KClO3  -->  KCl  +  O2

(Para simplificar se omiten los estados físicos de reactivos y productos). Los tres elementos (K, Cl y O) aparecen una sola vez en cada lado de la ecuación pero unicamente K y Cl tienen igual número de átomos en ambos lados de la ecuación. Asi KClO3 y KCl deben tener el mismo coeficiente. El siguiente paso consiste en lograr que el número de átomos de O sean igual en ambos lados de la ecuación. Debido a que hay tres átomos de O del lado izquierdo y dos del lado derecho de la ecuación, estos átomos se igual colocando un 2 a la izquierda de KClO3 y un 3 a la izquierda de O2.

2KClO3  -->  KCl  +  3O2

Por último se igualan los átomos de K y Cl colocando un 2 a la izquierda de KCl:

2KClO3  -->  2KCl  +  3O2

Como verificación final se puede hacer una hoja de balance para reactivos y productos en donde los números entre paréntesis indican el número de átomos de cada elemento.

Reactivos    Productos
K(2)               K(2)
Cl (2)              Cl (2)
O (6)              O (6)

Observer que el balance de esta ecuación también puede efectuarse con coeficientes que sean múltiplo de 2 (para KClO3), 2 (para KCl) y 3 (para O2); por ejemplo:

4KClO3  -->  4KCl  +  6O2

Sin embargo, para el balance de una ecuación se utiliza el conjunto de coeficientes de números enteros más sencillos.

Las huellas digitales del oro por espectrometria de masas

Año tras año son robados millones de dólares en oro. En la mayoría de los casos, el oro se funde y se envía al extranjero. De esta manera el oro mantiene su valor y desaparece toda manera de identificar su procedencia. Sin embargo, una técnica desarrollada por científicos australianos permitirá, en breve, que las autoridades identifiquen la procedencia del oro, incluso si se ha fundido y recuperado nuevamente la pieza, lo que permitirá atrapar a ladrones.

El oro es un material muy poco reactivo que se encuentra en la naturaleza sin combinar. La poca reactividad que lo caracteriza es una de las propiedades que convierten al oro en el metal apropiado para la joyería. Durante la mineralización del oro, es decir, la formación de pepitas de oro a partir de minúsculas partículas del metal, se incorporan a las pepitas algunos elementos como cadmio, plomo, telurio y zinc. La cantidad y el tipo de impurezas o elementos traza en el oro varia según el lugar de donde se ha extraído.

Para analizar una muestra de oro, los científicos empiezan por calentar una pequeña partícula (de unos 0,01 cm de diámetro y espesor) de la muestra con un láser de alto poder. El oro y los elementos traza vaporizados se arrastran con una corriente de argón gaseoso hacia un espectrómetro de masas. La comparación del espectro de masas obtenido con los espectros de masas archivadas de muestras de oro de origen conocido, permitirá la identificación de la procedencia del oro, de la misma manera en que las huellas digitales identifican a una persona. Esta técnica puede utilizarse tanto en objetos grandes como en lingotes y pepitas, como en pequeños artículos de joyería. Esta técnica tambén permitirá detectar falsificaciones de obras de arte, ya que los espectros de masas del oro de las piesas antiguas son distintos de los espectros del oro modero.

Escritura de las ecuaciones químicas

Considere lo que sucede cuando el hidrógeno gaseoso (H2) se quema en presencia de aire (que contiene oxigeno, O2) para formar agua (H2O). Esta reacción se representa mediante la ecuación química:

H2  + O2  --> H2O

Donde el signo "más" significa "reacciona con" y la flecha significa "produce". Así, esta expresión simbólica se lee: "El hidrógeno molecular reacciona con el oxígeno molecular para producir agua." Se supone que la reaccion procede de izquierda a derecha como indica la flecha.

Sin embargo la ecuación no está completa, ya que del lado izquierdo de la flecha hay el doble de átomos de oxígeno (dos) que los que hay del lado derecho (uno). Para estar de acuerdo con la ley de la conservación de la masa debe haber el mismo número de cada tipo de átomos en ambos lados de la flecha, es decir, debe haber tantos átomos al finalizarla reacción como los que había antes de que se iniciara. El balance de la ecuación se ahce colocando el coeficiente adecuado (en este caso 2) antes del H2 y del H2O:

 2H2  + O2  --> 2H2O

Esta ecuación química "balanceada"  muestra que "dos moléculas de hidrógeno se combinan o reaccionan con una molécula de oxígeno para formar dos moléculas de agua". Debido a que la reacción del número de moléculas es igual a la reacción del número de moles, la ecuación también puede leerse como "2 moles de moléculas de hidrógeno reaccionan con 1 mol de moléculas de oxígeno para producir 2 moles de moléculas de agua". Se conoce la masa de un mol de cada sustancia, por lo que la ecuación se puede interpretar como "4,04 g de H2  reacciona con 32,00 g de O2 para formar 36,04 g de H2O.

En la ecuación se hace referencia al H2 y al O2 como reactivos, que son las sustancias inciales en una reacción química. El agua es el producto, es decir, la sustancia formada como resultado de una reacción química. Una ecuación química es, entonces, la descripción breve que un químico hace de una reacción química. Por convenio, en una ecuación quimica los reactivos se escriben a la izquierda y los productos a la derecha de la flecha:

reactivos --> productos

Para proporcionar información adicional, con frecuencia los químicos indican el estado físico de los reactivos y productos utilizando las letras g, l y s para los estados gaseoso, líquido y sólido, respectivamente. Por ejemplo:

2CO(g) + O2 (g)  -- > 2CO2 (g)

2HgO(s)  -->  2Hg(l)  +  O2 (g)

El conocimiento del estado físico de los reactivos y productos es muy útil en el laboratorio. Por ejemplo, cuando reaccionan el bromuro de potasio (KBr) y el nitrato de plata (AgNO3) en un medio acuoso, se forma un sólido, el bromuro de plata (AgBr). Esta reacción se representa mediante la ecuación: 

KBr(ac)  + AgNO3(ac) --> KNO3(ac)  +  AgBr(s) 

Si no se indican los estados físicos de los reactivos y productos, una persona no informada podría intentar llevar a cabo esta reacción mezclando KBr sólido con AgNO3 sólido. Estos sólidos reaccionan en forma muy lenta o no reaccionan.Si se analiza el proceso a nivel microscópico se puede comprender que para formar un producto como el bromuro de plata, los iones Ag⁺ y los iones Br^- deben estar en contacto. Sin embargo, en estado sólido estos iones tienen muy poca movilidad.

Reacciones químicas y ecuaciones químicas

Una ves que se ha estudiado la masa de los átomos y de las moléculas, se analizará que los sucede en una reacción química, un proceso en el que una sustancia (o sustancias) cambia para formar uno o más sustancias nuevas. Con el objeto de comunicarse entre si, con respecto a las reacciones químicas, los especialistas en la materia, han desarrollado una forma estándar para representarlas en medio de ecuaciones químicas. Una ecuación química utiliza simbolos químicos para mostrar que sucede durante una reacción química.

Ejemplos de ecuaciones para reacciones químicas.