Rendimiento de una reacción química

in StemSocial2 months ago
Hola queridos amigos de Hive.

Igual que cualquier otro proceso, las reacciones químicas tienen consigo un rendimiento teórico, es decir una cantidad de producto que se puede obtener partiendo de una cantidad dada de reactivos, suponiendo que se consumen por completo, aunque en la práctica, cuando se lleva a cabo una reacción, las cantidades de producto obtenidas puede ser menor a las esperadas teóricamente, debido a que la reacción de uno de los reactivos no se completa. Y por ello debemos diferenciar el rendimiento teórico del rendimiento real de una reacción.


Fuente: imagen editada, original de pixinio.com.

El problema surge porque los cálculos estequiométricos utilizados para determinar la cantidad de producto se basan en condiciones ideales, suponiendo por ejemplo que todos los reactivos reaccionan tal como lo dicen las ecuaciones químicas. Pero experimentalmente puede no ser así, existen muchas razones para que una reacción no se complete, pudiendo ser debido a condiciones termodinámicas, cinéticas o experimentales que lo impiden.

Sin embargo, el concepto de rendimiento teórico es fundamental para determinar cuan diferente puede ser el resultado de un proceso descrito en papel y bajo condiciones reales, estableciendo la eficiencia del método utilizado, así como también, para intentar mejorar las condiciones de reacción, buscando que el rendimiento teórico sea lo más parecido al rendimiento real.

Rendimiento de la reacción

El rendimiento teórico de la reacción es la máxima cantidad de producto que se puede obtener si reacciona todo el reactivo limitante de la reacción. Recordemos que el reactivo limitante es el reactivo que se encuentra en menor proporción, es por ello que cuando este se agota, la reacción se detiene. Por lo tanto, el rendimiento teórico está determinado por la cantidad de reactivo limitante, y se determina a partir de la ecuación química balanceada.


La estequiometría de la reacción determina la cantidad de producto posible. Fuente: imagen elaborada en PowerPoint.

Por otro lado, el rendimiento real es la cantidad de producto realmente producida, siendo por lo general una cantidad menor que el rendimiento teórico. Ahora bien, para determinar la eficiencia de una reacción química se emplea lo que se conoce como rendimiento porcentual, el cual describe la relación entre el rendimiento real y el rendimiento teórico de la reacción; este se calcula de la siguiente forma:

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Este porcentaje de rendimiento puede oscilar entre 1% y 100%, y en la práctica siempre buscamos aumentar este porcentaje ajustando las variables que influyen en la reacción, como la presión y la temperatura, entre otros factores que pueden afectar la misma.

Calculo del rendimiento porcentual de un producto

Veamos un ejemplo de cálculo, por ejemplo, para comprobar la combustión en la prueba de un motor, se utilizan 700 g de octano bajo ciertas condiciones, produciendo 1,8 kg de CO2, ¿Cuál será el rendimiento porcentual de la reacción?

Para empezar debemos escribir la ecuación química balanceada de la combustión de octano:

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En una reacción de combustión el oxígeno se suele suministrar en exceso, así que la cantidad de producto depende esencialmente de la cantidad de octano disponible, por lo que se calcula la masa de CO2 que se puede obtener partiendo de la cantidad inicial de octano y utilizando las relaciones estequiométricas de la reacción:

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Ahora, para calcular el rendimiento porcentual partimos del hecho de que realmente se produjeron 1,8 kilos de CO2.

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Así que el rendimiento teórico es la máxima cantidad de producto que podemos obtener basándonos en la estequiometria de la reacción, mientras que el rendimiento porcentual es el porcentaje del rendimiento que se alcanza realmente. En el ejemplo anterior podemos decir que la oxidación de octano a dióxido de carbono es incompleta, y poco más el 83% de este se convierte en CO2.

¿Por qué las reacciones no se completan?

Esta es una pregunta muy común entre los estudiantes, y como les decía al principio, las causas que explican la diferencia entre el rendimiento real y el teórico pueden ser muy diversas, podemos empezar recordando que hay reacciones que son reversibles, así que estas nunca llegan a completarse, ya que en cierta proporción los productos reaccionan entre sí para restituir a los reactivos.

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La reacción anterior no procede al 100% de izquierda a derecha.

Hay reacciones químicas que resultan complejas, y se producen reacciones competitivas o paralelas a la reacción que nos interesa estudiar, las cuales consumen también parte de los reactivos para formar otros productos.

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La reacción paralela disminuye el rendimiento de la primera reacción.

También es posible que las condiciones experimentales no nos permitan recuperar todo el producto del medio de reacción, así esta se haya dado al 100%, por ejemplo cuando se intenta recuperar el producto desde una disolución acuosa. Otra posibilidad es que los medios empleados para realizar nuestras mediciones no nos permiten determinar el momento preciso en que la reacción se ha completado.

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Recuperar el producto a veces puede ser complicado. Fuente: @emiliomoron.

Sin mencionar que hay reacciones que simplemente parecen detenerse cuando ya han consumido cierta cantidad de los reactivos.

En general, estudio del rendimiento de una reacción es muy importante, basta con mencionar que cuando se trata de procesos industriales, donde se producen toneladas de productos, cualquier mejora en el rendimiento de la reacción, por pequeño que sea, tiene un impacto significativo en los costos de producción.

Por eso los químicos prueban las reacciones prometedoras primero en el laboratorio y luego en una planta piloto, antes de realizarlas a gran escala, porque aunque puedan parecer reacciones sencillas, se realizan muchos esfuerzos para mejorar el rendimiento de la reacción, cambiando condiciones operativas como la temperatura, presión, catalizadores y medios de separación, entre otros.


Bueno amigos, espero que les haya gustado la información sobre la importancia que tiene determinar el rendimiento de una reacción. ¡Hasta la próxima!


Referencias

Chang, Raymond (2002). Química. Séptima edición, McGraw-Hill.
Atkins, P., Jones, L. (2005). Principios de química. Tercera edición, Editorial Medica Panamericana.


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