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- Trataremos qué es el rendimiento porcentual, los factores que lo afectan y también aprenderemos a calcular el rendimiento porcentual.
- Consideraremos los reactantes limitantes y cómo encontrar el reactante limitante en una reacción química.
- Por último, consideraremos los errores porcentuales y cómo minimizarlos.
Podemos hacernos una idea de cuánto producto (o rendimiento) obtendremos de una reacción utilizando la masa molecular de las muestras implicadas.
Utilicemos como ejemplo la reacción entre el eteno y el agua para producir etanol. Observa las masas moleculares del eteno, el agua y el etanol que se muestran a continuación.
Fig. 1 - Rendimiento porcentual
¿Qué es el rendimiento porcentual?
En la ecuación equilibrada de la imagen anterior puedes ver que 1 mol de eteno reacciona con el agua para producir 1 mol de etanol. Podemos suponer que si hacemos reaccionar 28 g de eteno con agua, obtendremos 46 g de etanol. Pero esta masa es sólo teórica. En la práctica, la cantidad real de producto que obtenemos es inferior a la cantidad que predecimos, debido a la ineficacia del proceso de reacción.
Si hicieras un experimento con exactamente 1 mol de eteno y un exceso de agua, la cantidad de producto, etanol, sería inferior a 1 mol. Podemos averiguar la eficacia de una reacción comparando la cantidad de producto que obtenemos en un experimento con la cantidad teórica de la ecuación equilibrada. A esto lo llamamos rendimiento porcentual.
El rendimientoporcentual mide la eficacia de una reacción química. Nos dice qué cantidad de reactivos (en porcentaje) se ha transformado con éxito en un producto.
Factores que afectan al porcentaje de rendimiento
El proceso de reacción es ineficaz por varias razones, algunas de las cuales se enumeran a continuación.
Algunos de los reactivos no se convierten en producto.
Algunos de los reactivos se pierden en el aire (si es un gas).
Se producen productos no deseados en reacciones secundarias.
La reacción alcanza el equilibrio.
Las impurezas detienen la reacción.
Cálculo del porcentaje de rendimiento
Calculamos el rendimiento porcentual mediante la fórmula
\(Rendimiento porcentual)= \(frac {texto{rendimiento real}} {texto{rendimiento teórico}} por 100)
El rendimientoreal es la cantidad de producto que obtienes prácticamente de un experimento. Es raro obtener un rendimiento del 100% en una reacción debido a la ineficacia del proceso de reacción.
El rendimientoteórico (o rendimiento previsto) es la cantidad máxima de producto que puedes obtener de una reacción. Es el rendimiento que obtendrías si todos los reactivos de tu experimento se convirtieran en producto.
Ilustrémoslo con un ejemplo.
En la siguiente reacción, 34 g de metano reaccionan con un exceso de oxígeno para producir 73 g de dióxido de carbono. Halla el porcentaje de rendimiento.
\(CH_4+2O_2\rightarrow CO_2+2H_2O\)
1 mol de metano \(CH_4\) produce 1 mol de di óxido de carbono \(CO_2\)
\(CH_4\) = 16g/mol34g de metano = 34 ÷ 16 = 2,125 mol ya que \( n\) = \(\frac {m} {M} \)
Según la ecuación, por cada mol de \(CH_4\) obtenemos un mol de \(CO_2\ ) , por lo que teóricamente también deberíamos producir 2,125 mol de dióxido de carbono.
La masa molecular de \(CO_2\) es de 44 g/mol:
M(C) = 12
M(O) = 16
por lo que M(\(CO_2\) ) = 12 + 2 x 16 = 44 g/mol
Recuerda : \ (n\) =\(\frac {m} {M})\(\frac izquierda-derecha) \(m\)=\(\frac {n} {M})
Multiplicando la masa molecular de \(CO_2\) por la cantidad de sustancia, podemos obtener el rendimiento teórico.
44g x 2,125 = 93,5g
Por tanto, el rendimiento teórico (máximo) es de 93,5 g de dióxido de carbono.
Rendimiento real = 73g
Rendimiento teórico = 93,5 g
Rendimiento porcentual = (73 ÷ 93,5) x 100 = 78,075%.
Esto significa que el porcentaje de rendimiento es 78,075%.
¿Qué son los reactantes limitantes?
A veces no tenemos suficiente cantidad de un reactivo para formar la cantidad de producto que necesitamos.
Imagina que haces nueve magdalenas para una fiesta, pero aparecen once invitados. ¡Deberías haber hecho más magdalenas! Ahora las magdalenas son un factor limitante.
Fig. 2 - Reactivo limitante
Del mismo modo, si no tienes suficiente cantidad de un reactante determinado para una reacción química, la reacción se detendrá cuando se agote el reactante. A este reactante lo llamamos reactante limitante.
Un reactante limitante es un reactante que se agota en una reacción química. Cuando se agota el reactante limitante, la reacción se detiene.
Uno o varios reactantes pueden estar en exceso. No se consumen todos en una reacción química. Los llamamos reactantes en exceso.
Cómo encontrar el reactante limitante
Para averiguar cuál de los reactantes de una reacción química es el reactante limitante, debes partir de la ecuación equilibrada de la reacción y, a continuación, calcular la relación de los reactantes en moles o por su masa.
Utilicemos un ejemplo para hallar el reactante limitante en una reacción química.
$$ C_2H_4 + Cl_2\rightarrow C_2H_4Cl_2 $$
La ecuación equilibrada muestra que 1 mol de eteno reacciona con 1 mol de cloro para producir 1 mol de dicloroetano. El eteno y el cloro se agotan cuando se detiene la reacción.
\begin{align} &C_2H_4 +Cl_2\rightarrow C_2H_4Cl_2\\ \text {Start}\qquad &1mole\quad 1mole\\ \text{End}\qquad &0 moles\quad 0moles\quad 1mole\end{align}
¿Y si utilizamos 1,5 moles de cloro? ¿Cuánto queda de los reactivos?
\bin{align} &C_2H_4 \space +space Cl_2\rightarrow \quad C_2H_4Cl_2\\quad C_2H_4Cl_2\quad \text {Inicio} {qquad &1mol\quad 1,5moles\quad \text{Fin} {qquad &0 molesquad 0,5molesquad 1mol\end{align}
1 mol de eteno y 1 mol de cloro reaccionan para formar 1 mol de dicloroetano. Quedan 0,5 moles de cloro. El eteno es el reactante limitante en este caso, ya que se agota al final de la reacción.
También puedes utilizar el truco de dividir el número de moles de cada reactante por su coeficiente estequiométrico para determinar qué reactante es limitante. El reactante con la relación molar más pequeña es el limitante.
Para el ejemplo anterior
\(C_2H_4 + Cl_2\\derecho a C_2H_4Cl_2\2)
Coeficiente estequiométrico de \(C_2H_4\) = 1
Número de moles = 1
1 ÷ 1 = 1
Coeficiente estequiométrico de \(Cl_2\) = 1
Número de moles = 1,5
1.5 ÷ 1 = 1.5
1 < 1,5, por tanto,\(C_2H_4\) es el reactante limitante.
Errores porcentuales
Cuando realizamos un experimento, utilizamos distintos aparatos para medir cosas. Por ejemplo, una balanza o una probeta. Ahora bien, cuando utilizamos estos aparatos para medir no son del todo precisos, sino que tienen algo que se llama error porcentual, y cuando realizamos experimentos necesitamos ser capaces de calcular el error porcentual. ¿Cómo lo hacemos?
1. En primer lugar, tenemos que averiguar el margen de error del aparato y, a continuación, ver cuántas veces hemos utilizado el aparato para una sola medición.
2. 2. Luego tenemos que ver qué cantidad de sustancia hemos medido.
3. Por último, utilizamos las cifras y las introducimos en la siguiente ecuación: error máximo/valor medido x 100
1. Una bureta tiene un margen de error de 0,05 cm3 y cuando utilizamos este aparato para registrar una medida, lo utilizamos dos veces. Así que hacemos 0,05 x 2 = 0,10, éste es el margen de error
2. Supongamos que hemos medido 5,00 cm3 de una solución. Esta es la cantidad de sustancia que hemos medido.
3. Ahora, podemos poner las cifras en la ecuación:
0.10/5 x 100 = 2%
Así que esto tiene un error del 2%.
¿Cómo minimizar el error porcentual?
Ahora que ya sabemos cómo calcular el error porcentual, veamos cómo reducirlo.
Aumentando la cantidad medida: el margen de error de un aparato está fijado, por lo que el único factor que podemos cambiar es la cantidad medida. Por tanto, si la aumentamos, el porcentaje de error será menor.
Utilizar un aparato con divisiones más pequeñas: si un aparato tiene divisiones más pequeñas, es menos probable que tenga un error marginal mayor.
Rendimiento porcentual - Puntos clave
- Factores que afectan al rendimiento porcentual: los reactantes no se convierten en producto, algunos reactantes se pierden en el aire, se producen productos no deseados en reacciones secundarias, la reacción alcanza el equilibrio y las impurezas detienen la reacción.
- El rendimiento porcentual mide la eficacia de una reacción química. Nos dice qué cantidad de reactivos (en términos porcentuales) se transforma con éxito en un producto.
- La fórmula del porcentaje de rendimiento (rendimiento real/rendimiento teórico) es 100.
- El rendimiento teórico (o rendimiento previsto) es la cantidad máxima de producto que puedes obtener de una reacción.
- El rendimiento real es la cantidad de producto que obtienes prácticamente en un experimento. Es raro obtener el 100% de rendimiento en una reacción.
- Un reactante limitante es un reactante que se agota al final de una reacción química. Una vez agotado el reactante limitante, la reacción se detiene.
- Uno o varios reactantes pueden estar en exceso. No se consumen todos en una reacción química. Los llamamos reactantes en exceso.
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