¿Alguna vez has intentado cocinar para, por ejemplo, 8 personas; pero, cuando terminas la preparación te das cuenta de que en realidad solo hay comida para 7? Pudo haber sido por un error de cálculo al principio, porque la comida tenía mucha agua y terminó encogiéndose al ser cocinada (como por ejemplo, las espinacas) o porque desperdiciaste algo por alguna equivocación.
Bien, pues en términos químicos, el rendimiento teórico sería la comida para 8 personas; es decir, la cantidad que tú esperabas obtener. Sin embargo, obtuviste comida para solamente 7 personas, menos de lo que esperabas; esto sería el rendimiento real o experimental.
Fig. 1. Las espinacas son una comida que podría compararse con el bajo rendimiento químico:
cuando no están cocinadas, parece que tenemos una gran cantidad; pero, cuando las cocinamos, pierden un gran volumen de agua, por lo que nos quedamos con una cantidad mucho menor de la esperada inicialmente.
- En este artículo veremos qué es el rendimiento químico de una reacción y los tipos de rendimiento que existen.
- A continuación, estudiaremos la fórmula para calcular el rendimiento y, posteriormente, veremos cómo calcular el porcentaje de rendimiento.
- Luego, haremos algunos ejercicios para aplicar lo aprendido durante este artículo.
- Finalmente, veremos cuáles son algunas técnicas para mejorar el rendimiento de las reacciones.
¿Qué es el rendimiento químico?
El rendimiento químico es la cantidad de producto que obtenemos a partir de los reactivos de una reacción. Este puede ser rendimiento real (también denominado rendimiento experimental) o teórico. Se utiliza para conocer la eficiencia de una reacción.
Fig. 2: Comparación rendimiento teórico y rendimiento real o experimental.
Rendimiento teórico
Cuando llevamos a cabo una reacción, generalmente debemos calcular cuál será la cantidad de producto (o productos) que vamos a obtener a partir de la cantidad de reactivos que estamos usando.
El rendimiento teórico de una reacción es la cantidad de producto que deberíamos obtener a partir de los reactivos que estamos empleando, si las condiciones en las que se lleva a cabo son perfectas y no hay ninguna fuga de productos (por ejemplo, si es un gas, por no haber usado un método correcto para recogerlo).
Rendimiento real o experimental
En la mayoría de las ocasiones en las que llevamos a cabo una reacción química no obtenemos la cantidad de producto que esperábamos, ya sea porque no hemos recogido bien el producto o porque ha habido reacciones secundarias que no hemos tenido en cuenta.
El rendimiento real o experimental es la cantidad real de producto que obtenemos cuando llevamos a cabo una reacción química.
Importancia del rendimiento químico
El rendimiento químico de las reacciones es una medida muy importante en la química y, más concretamente, en la química industrial. Esto se debe a que en la generación de productos químicos se debe tener en cuenta la cantidad de producto que deberíamos haber obtenido, comparada con la que hemos obtenido, para evitar desperdicios y la consecuente pérdida de dinero que esto conllevaría para la industria.
Gracias al cálculo del rendimiento químico, se lograría saber cuáles son las causas de estas pérdidas y se podrían implementar soluciones para evitarlas.
Fórmula del rendimiento químico
El rendimiento químico se define y calcula de la siguiente forma:
El rendimiento químico es la relación entre el rendimiento real y el rendimiento teórico.
La ecuación para calcularlo es la siguiente:
$$Rendimiento\ quimico= \frac{porcentaje\ real}{porcentaje\ teorico}$$
Porcentaje de rendimiento de una reacción química
En el apartado anterior, hemos visto cómo se calcula el rendimiento químico. Asimismo, a partir del rendimiento químico de una reacción podremos calcular su porcentaje de rendimiento (o rendimiento porcentual). Para ello, simplemente, tenemos que multiplicar el rendimiento por 100:
El porcentaje de rendimiento es la relación entre el rendimiento real y el rendimiento teórico.
La ecuación para calcularlo es la siguiente:
$$Porcentaje\ de\ rendimiento = \frac{rendimiento\ real}{rendimiento\ teorico}\cdot 100$$
El rendimiento químico se expresa, generalmente, como un porcentaje; por ello, esta es la fórmula más utilizada para calcularlo.
Cuando calculamos el rendimiento químico, hay que tener en cuenta que este dar un valor superior al 100 %. Esto suele deberse a un error.
Si tenemos que secar un producto para eliminar el disolvente, el disolvente sobrante daría una masa extra que estamos teniendo en cuenta.
Otra posibilidad sería, por ejemplo, que el producto haya absorbido vapor de agua del aire, lo que le añadiría una masa extra.
Fig. 3: En muchas ocasiones, creemos que tenemos un rendimiento menor al que tenemos realmente, porque perdemos cierta cantidad de producto en forma de gas o vapor. Si no lo recogemos adecuadamente, este gas se desperdicia.¿Cómo calcular el rendimiento en una reacción?
El rendimiento de una reacción se calcula con la fórmula que hemos visto en el apartado anterior:
$$Porcentaje\ de\ rendimiento = \frac{rendimiento\ real}{rendimiento\ teorico}\cdot 100$$
Veamos un ejemplo, para entender mejor el concepto:
Hemos llevado a cabo una reacción en la que hemos obtenido 70 kg de producto. Previamente, habíamos hecho el cálculo y deberíamos de haber obtenido 100 kg de producto. ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de esta reacción?
Solución:
En primer lugar, debemos identificar el rendimiento real y el rendimiento teórico:
- Rendimiento real: 70 kg
- Rendimiento teórico: 100 kg
A continuación, introducimos estas cifras en nuestra ecuación:
$$ \%\ de\ rendimiento = \frac{rendimiento\ real}{rendimiento\ teorico}=\frac{70\ kg}{100\ kg}\cdot 100=70\ \%$$
Por lo tanto, hemos calculado que nuestro porcentaje de rendimiento es: 70 %. Esto quiere decir que hemos obtenido el 70 % de la cantidad de producto que debíamos de obtener.
El porcentaje de rendimiento es importante ya que, especialmente en las industrias químicas, necesitamos asegurarnos de tener el mayor rendimiento. A veces, hay factores que pueden afectar a nuestro rendimiento, como por ejemplo que algún producto se quede en el aparato y, por tanto, no se mida; también, el reactivo puede no ser puro; o podemos obtener productos adicionales, debido a reacciones secundarias que no hemos tenido en cuenta.
Ejercicios de rendimiento de una reacción
A continuación, veremos algunos ejemplos de ejercicios en los que se debe calcular el rendimiento de una reacción.
Empezaremos con uno simple, parecido al anterior:
Hemos llevado a cabo una reacción con ciertos reactivos y hemos obtenido 900 g de producto. Previamente, habíamos hecho el cálculo del rendimiento teórico y sabemos que deberíamos de haber obtenido 1980 g de producto. ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de esta reacción?
Solución:
Primero es necesario identificar el rendimiento real y el rendimiento teórico:
- Rendimiento real: 900 g
- Rendimiento teórico: 1980 kg
A continuaciónm debemos introducir las cifras de cada rendimiento en la ecuación dada:
$$\frac{900\ kg}{1980\ kg} \cdot 100 = 45,45 \%$$
Ahora sabemos que el porcentaje de rendimiento es del 45.45%, lo que quiere decir que hemos obtenido el 45.45% del total que deberíamos de haber obtenido; este es un porcentaje bastante bajo.
Es fácil, ¿No? Seguro que no has tenido ningún problema para hacerlo correctamente. Pero si es así, te recomiendo volver a leer la teoría, ya que el ejercicio que viene ahora es un poco más complicado:
En el laboratorio, hemos descompuesto 48,4g de KClO3. Una vez completada la descomposición, pudimos recoger 0,250 moles de O2. ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de O2?
Solución:
Tenemos:
$$KClO_3\rightarrow KCl +O_2$$
Lo primero que tenemos que hacer es equilibrar esta reacción. La reacción equilibrada es:
$$2KClO_3\rightarrow 2KCl +3O_2$$
A continuación, tenemos que convertir los gramos de reactivo en moles:
- K: 39,10g/mol
- Cl: 35,45g/mol
- O: 16,00g/mol (O3: 48,00 g/mol)
- KClO3: 122,55g/mol
$$\frac{48.4\,g}{\frac{122.55\,g}{mol}}=0.394\,mol$$
Ahora, podemos calcular el rendimiento teórico:
$$0.394\,mol\,KClO_3*\frac{3\,mol\,O_2}{2\,mol\,KClO_3}=0.592\,mol\,O_2$$
Por último, calculamos el porcentaje de rendimiento:
$$\text {porcentaje de rendimiento}= \frac {\text {rendimiento real}}{\text {rendimiento teórico}}\cdot 100 \%$$
$$\frac{0.250\,mol}{0.592\,mol}*100\%=42\%$$
Esta reacción tiene sólo un 42% de rendimiento, lo que indica muy poca eficiencia, ya que no llega ni siquiera a la mitad de lo esperado. En este caso, el problema podría estar en el método utilizado para recoger el gas oxígeno, o puede haber algún otro problema.
¿Cómo podemos mejorar el rendimiento de una reacción?
En algunas ocasiones, el rendimiento real de una reacción es bastante más bajo que el rendimiento teórico. Cuando llevamos a cabo una reacción, nos interesa que su rendimiento sea lo más alto posible; por eso, hay que tener en cuenta algunos factores, antes de realizarla, con el fin de obtener la mayor cantidad de producto posible.
Algunos ejemplos son:
- Asegurarse de que todo el material que vayamos a utilizar esté limpio y completamente desinfectado, sin restos de otros productos.
- Utilizar reactivos que sean puros, para evitar las reacciones secundarias que pudieran tener lugar si el reactivo estuviese contaminado por otro. Esto también es aplicable a los disolventes.
- Tener una precisión absoluta en las cantidades de reactivos que utilizamos en la reacción; es importante poner la medida justa que tenemos que utilizar: ni más ni menos.
- Mantener la reacción a una temperatura adecuada.
- Estar pendientes de la reacción durante todo el tiempo que dure, para poder corregir cualquier problema que pudiese surgir durante su transcurso.
- Si alguno de los productos es un gas, utilizar el método adecuado para recogerlo y que no se desperdicie en el aire el producto.
- Parar la reacción en cuanto termine.
Rendimiento de las reacciones químicas - Puntos Clave
- El rendimiento en química es la cantidad de producto que obtenemos a partir de los reactivos de una reacción. Este puede ser rendimiento real (también denominado rendimiento experimental) o teórico. Se utiliza para conocer la eficiencia de una reacción.
- El rendimiento teórico de una reacción es la cantidad de producto o productos que deberíamos obtener a partir de los reactivos que estamos utilizando, si las condiciones en las que se lleva a cabo son perfectas y no hay ninguna fuga de productos (por ejemplo, si es un gas, por no haber utilizado un método correcto para recogerlo).
- El rendimiento real o experimental es la cantidad real de producto que obtenemos cuando llevamos a cabo una reacción química.
- El porcentaje de rendimiento es la relación entre el rendimiento real y el rendimiento teórico. Se suele calcular como porcentaje.
- En muchas ocasiones, el rendimiento real no se corresponde con el teórico, debido a la mala ejecución de las reacciones; por ello, debemos tener en cuenta algunos factores, antes de llevar a cabo la reacción, para que el rendimiento sea cercano al 100%.
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