Práctica 10

Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey

Campus Puebla

Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas

Departamento de Biotecnología

Laboratorio de Química Experimental-Q.1014.01

Dr. Isaac Monroy

Mtro. Víctor H. Blanco

Práctica 10: Reactivo limitante, rendimiento teórico y rendimiento real.

Equipo 7:

Laura Barba Castillo A01322562

Alejandro Larios Campos A00399515

Rodrigo E. Hernández Jiménez A01324406

Brenda Berenice Jerónimo Atanacio   A01324138

Fecha de entrega: martes 26 de febrero de 2013

Objetivo:

·         Escribir una ecuación química ajustada para descubrir una reacción química.

·         Usar el concepto de reactivo limitante en cálculos con ecuaciones químicas.

·   Comparar la cantidad de sustancia realmente formada (rendimiento real) con la cantidad predicha (rendimiento teórico) y determinar el porcentaje de rendimiento.

Introducción

Los experimentos realizados en esta práctica son con la finalidad de aplicar los conceptos de reactivo limitante, rendimiento teórico y rendimiento real progresivamente. Para obtener los valores del reactivo limitante, rendimiento teórico y rendimiento real es necesario el uso de la estequiometría y también el balance de ecuaciones químicas.

Los coeficientes estequiométricos de la ecuación química indican las proporciones de moles de reactivos que pueden reaccionar y las proporciones molares de productos que se formarán. Cuando se prepara una mezcla de reactivos de modo que los moles de los mismos guardan la misma proporción que los coeficientes estequiométricos, se dice que es una mezcla estequiométrica, o que los reactivos están en proporciones estequiométricas. Sin embargo la mayoría de veces se ocupan reacciones no estequiométricas. (Petrucci 2003)

El reactivo limitante es aquel que hace que se detenga la reacción ya que este se ha agotado. Este reactivo es el que se utiliza para determinar el valor teórico  de la cantidad esperada de productos. Es decir, el rendimiento teórico de producto que se estima obtener a partir de los reactivos. Por otra parte el rendimiento real es aquel que se obtiene a partir de la experimentación. (Rosenberg, Epstein, Krieger, 2009)

Es muy probable que se presente una variación del rendimiento real con respecto al teórico ya que el primero puede ser afectado por diversos factores como la velocidad de reacción, errores sistemáticos, por cambios de temperatura o presión entre otros.

Desarrollo

Experimento 1. Obtención de metano

1.      Se pasearon 2.01g de acetato de sodio tri-hidratado, 0.75g de óxido de calcio y 1.5g de hidróxido de sodio y se vertieron en un mortero donde se pulverizaron y mezclaron hasta que se formó una masa, esto debido a la presencia de agua en la mezcla.

2.      Se vertió la masa en un tubo de ensayo.

3.      Se llenó un vaso de precipitado de un litro hasta 750ml con agua de la llave.

4.      Después se llenó una probeta de 100ml con agua de la llave hasta el borde.

5.      Se invirtió la probeta y se colocó cuidadosamente dentro del vaso de precipitado. Se sujetó la probeta al soporte universal.

6.      A la probeta se introdujo una manguera de hule la cual estaba conectada a un conector de vidrio unido a un tapón de hule.

Figura 1. Probeta y manguera dentro del vaso de precipitado.

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

7.      El tapón se colocó en el tubo para sellarlo. El tubo fue colocado de forma inclinada en el soporte universal por medio de unas pinzas.

8.      Se calentó el tubo hasta que se fundió la mezcla.

9.      Cuando la probeta llegó a los 100ml se detuvo el calentamiento y se volvió a llenar la probeta con agua hasta el borde, cuidando que el gas no escapara de la manguera.

10.  Se repitió el paso 9 hasta que la reacción se completó y el nivel de la probeta ya no disminuía.

Experimento 2. Obtención de cromato de plomo

1.      Se retomó el experimento a partir del paso 8 de la práctica y se realizó la actividad para los tubos 10, 11 y 12.

2.      Se calentaron durante 20 minutos en baño maría los precipitados de la reacción de K₂CrO₄ 1n con Pb(NO₃)₂ 1N en los siguientes volúmenes:

Tabla 1. Volúmenes de reactivo.

Tubo	10	11	12
ml de Pb(NO3)2	4.5	4.5	4.5
ml de  K2CrO4	5.7	6.3	6.9

Fuente. Manual de Química Experimental, ITESM.

Figura 2. Precipitado de PbCrO₄ a distintos volúmenes de reactivo inicial.

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

3.      Se pesaron los papeles filtro y se marcaron con el número 10, 11 y 12 respectivamente.

4.      Se procedió a filtrar en caliente, manteniendo la temperatura en un baño maría, se realizaron lavados a los precipitados con agua destilada.

Figura 3. Tubos de ensayo en baño maría.

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

Figura 4. Filtración

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

5.      Posteriormente se dejaron secar a temperatura ambiente en un vidrio reloj.

6.      Se determinó la masa de los precipitados por diferencia de masa.

Experimento 3. Obtención de carbonato de calcio

1.      Se pesaron 1.1244 g de Na₂CO₃ para agregarlos a un vaso de precipitado de 100 ml junto con agua destilada. Se agitó hasta que se disolviera.

2.      Por otra parte en otro vaso de precipitado se agregaron 1.6517g de CaCl_{2 *}2H₂O, cantidad necesaria para que el Na₂CO₃ reaccione completamente. Se repite el mismo procedimiento que el compuesto anterior.

3.      Se mezclaron las dos disoluciones hasta la formación de precipitado. Se lavó el vaso con la solución de cloruro de calcio con 5 ml de agua destilada y se adicionaron a la mezcla de reacción.  La mezcla se dejó en reposo por 15 minutos. 

Figura 5. Vaso de precipitado con los dos compuestos mezclados.

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

FILTRACIÓN:

1.      Se pesó una hoja de papel filtro No 597, se dobló y se colocó en un embudo de vidrio. Se humedeció con agua destilada para fijarlo a las paredes. El embudo se colocó en un soporte universal utilizando pinzas metálicas. La solución filtrada se depositó en un Erlenmeyer de 250 ml.

2.      Se filtró la mezcla con el precipitado de carbonato de calcio y se lavó con abundante agua hasta fin de cloruros. La determinación de cloruros se realizó tomando muestras de solución filtrada en un tubo de ensayo y adicionando dos gotas de solución de nitrato de plata (AgNO₃). Se observó un precipitado blanco de AgCl en caso de haber iones cloruros.

 

Figura 6. Peso del papel filtro utilizado.

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

SECADO: 

6.      Una vez terminado la filtración se colocó el precipitado en un vidrio reloj y se secó a temperatura ambiente. Se obtuvo la masa del precipitado. Se desecharon los residuos de AgCl y NaCl en los residuos de soluciones acuosas.

Resultados

Experimento 1. Obtención de metano

La reacción química observada se representa mediante la siguiente ecuación:                                                  

1.5g CH₃COONa _x    39.9997g NaOH   =   0.73g NaOH

                 82.0343g CH₃COONa

Reactivo limitante: CH₃COONa

Reactivo en exceso: NaOH

Cálculo del volumen del CH₄  producido a partir de 0.01829 moles de CH₄, para hacemos uso de la ecuación de gases ideales. El valor obtenido fue el volumen teórico, la pérdida de CH₄  se debió a fugas y a que no todo los reactivos reaccionaron

Pv = nRT

Figura 7. Volumen final obtenido (tercera probeta)

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

Experimento 2. Obtención de cromato de plomo

La reacción química corresponde a la siguiente ecuación balanceada.

K₂CrO_4(ac) + Pb(NO₃)_2(ac) à PbCrO_4(s) + 2KNO_3(ac)

Se observó un incremento en la masa final del precipitado para mayores volúmenes de cromato de potasio. A partir de la mezcla 8, se observó una masa final sin variación significativa.

Tabla 1. Masa de Precipitado de PbCrO₄ a distintas cantidades de reactivo.

Nº  de Reacción	Masa de papel filtro (g)	Masa de papel filtro + precipitado (g)	Masa de precipitado (g)
1	0.3984	0.5048	0.1064
2	0.3908	0.5833	0.1925
3	0.4041	0.7463	0.3422
4	0.3959	0.8772	0.4813
5	0.3898	0.8974	0.5076
6	0.3947	0.9174	0.5227
7	0.3895	1.0567	0.6672
8	0.3858	1.1075	0.7217
9	0.4002	1.2318	0.8316
10	0.4104	1.1621	0.7517
11	0.3994	1.2065	0.7071
12	0.4079	1.1141	0.7062

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

En base a los gramos de cromato de plomo obtenidos a partir de cantidades variables de cromato de potasio se observó una tendencia creciente, la cual se mantiene constante a partir de los 4.5 ml de reactivo inicial, obteniéndose una cantidad de producto promedio de 0.72366g.

Figura 8. Gramos de Cromato de Plomo en función de volumen inicial de Cromato de Potasio

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

Experimento 3. Obtención de carbonato de calcio

Cantidad de reactivo inicial de CaCl₂

La reacción química corresponde a la siguiente ecuación balanceada.

Na₂CO_3(ac) + CaCl_2(ac)  à 2NaCl_(ac) + CaCO_3(s)

A partir de 1.244g de carbonato de sodio, se necesitaron un mínimo de 1.6517g de cloruro de calcio dihidratado  de acuerdo con los siguientes cálculos.

1.1244g Na₂CO_{3 x}  1mol Na₂CO_{3 x}  1mol CaCl_{2  x}      110.99g CaCl_{2 x}    147.014g CaCl_{2 *} 2H₂O 

                                   100.98g Na₂CO₃  1 mol Na₂CO₃     1mol CaCl₂             110.99g CaCl₂

=1.6517g CaCl_{2 *} 2H₂O

Rendimiento de reacción.

Tabla 2. Masa de carbonato de calcio.

Masa papel filtro (g)	Masa papel filtro + precipitado (g)	Masa precipitado (g)
0.5544	1.5914	1.037

Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

Rendimiento experimental:   1.037  _x  100 = 62.78 %

          1.6517

Discusión

Experimento 1. Obtención de metano

Se obtuvo un porcentaje de rendimiento bajo debido a fugas en las conexiones del sistema entre la manguera y el tubo de vidrio; esto genero perdida de CH₄, además, al no haber probetas de un gran volumen se usó una de 100ml, una vez que llegaba a 100ml se vaciaba la probeta se volvía a llenar de agua y en éste proceso también se perdió gas debido la ineficiencia del proceso al meter la manguera de nuevo en la probeta. Así mismo 0.00046 moles de NaOH no reaccionaron lo cual provocó una disminución del gas obtenido.

Experimento 2. Obtención de cromato de plomo

De acuerdo con la estequiometría de la ecuación química (1) la relación entre moles de reactivos es 1:1, es decir, es necesario que 1 mol de cromato de potasio reaccione con un mol de nitrato de plomo.

(1) K₂CrO_4(ac) + Pb(NO₃)_2(ac) à PbCrO_4(s) + 2KNO_3(ac)

Tomando en cuenta que el volumen del nitrato de plata se mantuvo constante, la masa teórica de nitrato de plomo en la reacción fue de 0.7452 gramos.  A partir de esta masa, se calculó que serían necesarios gramos de cromato de potasio para obtener un rendimiento teórico de 100%.

Masa _Pb(NO3)2= 4.5ml x 0.5mol/1000ml x 331.2 g/ 1mol = 0.7452 gramos

Masa _K2CrO4= 0.7452 gramos x 194.1896 gramos/331.2 gramos= 0.4369 gramos.

Volumen de reactivo= 0.4369g x 1000ml/0.5mol x 1mol/194.1869 g = 4.4999 ml

Para obtener esta cantidad de reactivo son necesarios 4.4999 ml de cromato de potasio 1N. Esto convierte a la solución de cromato de potasio en el reactivo limitante de la reacción para volúmenes menores a 4.5 ml, lo que se observó en la Figura (grafico) en incremento en la producción de cromato de plomo proporcional al incremento en el volumen inicial de cromato de potasio. A  volúmenes superiores a 4.5 ml los 0.4369 gramos son superados, convirtiendo al nitrato de plata en el reactivo limitante. Debido a que el volumen inicial  de nitrato de plata fue constante se observó una producción constante de cromato de plomo, con leves variaciones debido a los errores de medición en los volúmenes de  los reactivos.

La cantidad teórica de cromato de plomo producido fue de 0.7272g por lo que se obtuvo un rendimiento de reacción de  99.5%.  Se confirmó la formación de cromato de plomo debido a su aspecto pulverizado y su color amarillo. (Lide, 2010)

Experimento 3. Obtención de carbonato de calcio

Se observó la precipitación rápida de carbonato de calcio. Este compuesto al secarse coincidió con el aspecto blanco y pulverizado reportado. Como producto de la reacción se generó cloruro de sodio acuoso, por lo que se  lavó continuamente el precipitado para eliminar iones cloruros y evitar errores positivos en la medición de la masa del mismo. La presencia de cloruros en el residuo de los lavados se confirmó mediante precipitación de cloruro de plata con nitrato de plata. (Skoog & West, 2002)

Se obtuvo un rendimiento de reacción de 62.78%, el cual se atribuyó principalmente a pérdidas mecánicas del analito debido al tamaño del poro del papel filtro. Otro factor a tomar en cuenta es la solubilidad parcial de la sal. A 25º se disuelven 0.15g en 100 ml de agua. Al realizarse el lavador del vaso de precipitado se usó un exceso de 5 ml de agua destilada, que pudo haber disuelto un porcentaje de la masa final del precipitado. (Lide, 2010)

Cuestionario

1.      Dada la siguiente reacción:

MgBr₂ (aq) + 2AgNO₃ --> 2AgBr+ Mg(NO₃)₂ (aq)

a)      ¿Cuántos gramos de bromuro de plata se pueden formar cuando se mezclan soluciones que contienen 50 g de MgBr2 y 100 g de AgNO?

339.74646 g/mol AgNO₃ = 1.84              100g AgNO₃ = 2

184.1133 g/mol MgBr₂                           50g MgBr₂

2 > 1.84 à Reactivo limitante es el MgBr₂

50gMgBr_{2 x} 1 mol MgBr_{2  x}  2 mol AgBr  _x  187.7723g AgBr  ₌ 101.987g AgBr

                    184.1133g      1 mol MgBr₂     1 mol AgBr

b)      ¿Cuántos gramos de reactivo en exceso se quedaron sin reaccionar?

2.      El compuesto color azul oscuro Cu(NH3)4SO4 se fabrica haciendo reaccionar sulfato de cobre (II) con amoniaco.

CuSO₄ (ac) + 4NH₃ (ac)--> Cu(NH₃)₄SO₄ (ac)

a)      Si se emplean 10.0g de CuSO4 y un exceso de NH3, ¿Cuál es el rendimiento teórico de Cu(NH3)4SO4 ?

  

b)      Si se obtienen 12.6g de Cu(NH3)4SO4 ¿Cuál es el rendimiento porcentual?

3.      Dada la siguiente reacción:

2Na +I₂ à 2NaI

Si se tienen 10g de Na, calcule la cantidad de I₂ necesaria para producir 65.2g de forma que la reacción sea total.

4.      Para producir NaCl, se colocan 20 grs de HCl y 80 de Na(OH). ¿Cuál es el reactivo limitante?

HCl + Na(OH) -> NaCl + H₂O

  5.      De acuerdo con la siguiente reacción, su pongamos que se mezclan 637.2 g de NH3 con 1142 g   de CO₂. ¿Cuántos gramos de urea [(NH₂)₂CO] se obtendrán?

6.      En la reacción de formación de agua se hacen reacciones 2 gramos de hidrogeno con 2 gramos de oxigeno ¿Cuánta agua se formara?

7.      La reacción de 6.8 gr de H₂S con exceso de SO₂ produce 8.2 gr de S ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de la reacción?

Conclusión

Los reactivos en las reacciones químicas reaccionan en proporciones específicas dadas por el peso molecular y el número de moles, por lo que al agregar cantidades arbitrarias se terminará un reactivo primero que los demás, al cual se le llama reactivo limitante y es el que delimita cuánto producto de formará. En esta práctica se logró determinar el reactivo limitante y calcular el rendimiento real de la reacción.

Bibliografía

Lide, R. (2010) CRC Handbook of Chemistry and Physics. (90 ed.) CRC Press.

Petrucci, R. (2003) Química General 8ª edición. Prentice Hall, Madrid, España.

Rosenberg, J.; Epstein, L.; Krieger, P. (2009) Química 9ª edición. Mc Graw Hill.

Skoog, D. West, D. (2002) Introducción a la química analítica. Editorial Reverte.  Recuperado el 9 de    febrero de 2013 de http://books.google.com.mx/books?id=HYxVZlYkk-