práctica 9 introducción a la química 100415

FACULTAD DE AGRONOMÍA. LABORATORIO DE INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA
PRÁCTICA 9. REACTIVO LIMITANTE
1.1
1.1.1
FUNDAMENTO TEÓRICO
El reactivo limitante
Cuando se efectúa una reacción, generalmente los reactivos no están presentes en las cantidades
estequiométricas exactas, es decir, en las proporciones que indica la ecuación balanceada. Debido a que en la
mayoría de ocasiones el objetivo en una reacción es producir la cantidad máxima de un compuesto útil a partir de
las materias primas, con frecuencia se suministra un gran exceso de uno de los reactivos para asegurar que el
reactivo más costoso se convierta por completo en el producto deseado. En consecuencia, una parte del reactivo
sobrará al final de la reacción. El reactivo que se consume primero en una reacción se denomina reactivo
limitante, debido a que la máxima cantidad de producto que se forma depende de la cantidad original de este
reactivo. Cuando este reactivo se consume, no se puede formar más producto. Los reactivos en exceso son
aquellos reactivos que se encuentran en más de la cantidad necesaria para reaccionar con la cantidad de reactivo
limitante.
Considere la síntesis industrial del metanol (CH3OH) a partir del monóxido de carbono e hidrógeno a altas
temperaturas:
CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(g)
Suponga que en un inicio se tienen 4 moles de CO y 6 moles de H 2. Existen varias formas para determinar cuál
de los dos reactantes es el reactivo limitante, una de éstas es calcular el número de moles de CH3OH obtenidos a
partir de las cantidades iniciales de CO y H2. Con base en la definición anterior se puede observar que solo el
reactivo limitante producirá la cantidad menor de producto.
Si se inicia con 4 moles de CO, se observa que el número de moles de CH3OH que se produce es
Y al iniciar con 6 moles de H2, el número de moles de CH3OH formados es
Puesto que el H2 genera una cantidad menor de CH3OH, éste es el reactivo limitante. Por tanto, el CO es el
reactivo en exceso. No olvide que existen otros métodos para determinar reactivo limitante.
1.1.2
Los solutos en solución acuosa
Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. El soluto es la sustancia presente en menor
cantidad, y el solvente es la sustancia que está en mayor cantidad. Una solución puede ser gaseosa (como el
aire), sólida (como una aleación) o líquida (agua de mar, por ejemplo). Una solución acuosa es aquella en la
cual el soluto inicialmente es un líquido o un sólido y el disolvente es agua.
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categorías: electrólitos y no electrólitos. Un
electrólito es una sustancia que, cuando se disuelve en agua, forma una disolución que conduce la electricidad.
Un no electrólito no conduce la corriente eléctrica cuando se disuelve en agua.
El agua es un solvente de compuestos iónicos muy eficaz. Aunque el agua es una molécula eléctricamente
neutra, tiene una región positiva (los átomos de H) y otra negativa (el átomo de O). Estas regiones se denominan
“polos” positivo y negativo, por lo que es un solvente polar. Cuando un compuesto iónico como el cloruro de
sodio se disuelve en agua, se destruye la red tridimensional de iones del sólido. Los iones Na+ y Cl– se separan
mediante la hidratación, proceso en el que un ion se ve rodeado por moléculas de agua acomodadas de manera
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específica. Cada ion Na+ se rodea de varias moléculas de agua con su polo negativo orientado hacia el catión.
De igual manera, cada ion Cl− está rodeado por varias moléculas de agua con su polo positivo orientado hacia
este anión. La hidratación ayuda a estabilizar los iones en disolución y evita que los cationes se combinen con los
aniones.
Los ácidos y las bases también son electrólitos. Algunos ácidos, como el ácido clorhídrico (HCl) y el ácido nítrico
(HNO3), son electrólitos fuertes. Se supone que estos ácidos se ionizan completamente en agua. Por ejemplo,
cuando el cloruro de hidrógeno gaseoso se disuelve en agua, forma iones H+ y Cl– hidratados:
→
En otras palabras, todas las moléculas de HCl disueltas se separan en iones H+ y Cl– hidratados. Así, cuando
escribimos HCl(ac), se entiende que es una solución que únicamente tiene iones H+(ac) y Cl–(ac) y que no hay
moléculas de HCl hidratadas. Por otro lado, ciertos ácidos como el ácido acético (CH3COOH), que le confiere el
sabor al vinagre, no se ionizan por completo, es decir, son electrólitos débiles. La ionización del ácido acético se
representa como
Donde
es el ion acetato. El término ionización se utiliza para describir el proceso físico químico en
el cual se producen iones. Cuando se escribe la fórmula del ácido acético como CH3COOH, se indica que el
protón ionizable está en el grupo COOH. La ionización del ácido acético se escribe con doble flecha para indicar
que la reacción es reversible, es decir, la reacción puede suceder en ambos sentidos. Inicialmente, varias
moléculas de CH3COOH se separan en iones
y H+. Con el tiempo, algunos iones
y H+
vuelven a combinarse para formar moléculas de CH3COOH. Finalmente, se llega a un estado en el que las
moléculas de ácido se ionizan con la misma rapidez con la que vuelven a combinarse los iones. A este estado
químico, en el que no se observa cambio neto alguno (aunque a nivel molecular continúa la actividad) se le llama
equilibrio químico. El ácido acético es, entonces, un electrólito débil porque su ionización en agua es
incompleta. En contraste, en una disolución de ácido clorhídrico los iones H+ y Cl– no tienden a volver a
combinarse para formar HCl molecular. Por tanto, se utiliza una sola flecha para indicar que su ionización es
completa.
1.1.3
Reacciones de precipitación
La reacción de precipitación es un tipo común de reacción en solución acuosa que se caracteriza por la formación
de un producto insoluble o precipitado. Un precipitado es un sólido insoluble que se separa de la disolución.
En las reacciones de precipitación por lo general participan compuestos iónicos. Por ejemplo, cuando se agrega
una disolución acuosa de acetato de plomo (II) [Pb(CH3COOO)2] a una disolución acuosa de yoduro de potasio
(KI), se forma un precipitado amarillo de yoduro de plomo (PbI2)
Pb(CH3COOO)2(ac) + 2 KI (ac) → PbI2(s) + 2 KCH3COOO(ac)
El nitrato de potasio queda en disolución. La reacción anterior es un ejemplo de una reacción de metátesis
(también se denomina reacción de doble desplazamiento), una reacción que implica el intercambio de partes
entre dos compuestos. (En este caso, los cationes en los dos compuestos intercambian aniones, de manera que
Pb2+ termina con el I- como PbI2 y K+ termina con
como KCH3COOO).
¿Cómo se puede establecer la formación de un precipitado cuando se añade un compuesto a una solución o
1
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cuando se mezclan dos soluciones? Esto depende de la solubilidad del soluto, que se define como la máxima
cantidad de soluto que se disolverá en una cantidad dada de solvente a una temperatura específica. Se puede
clasificar a las sustancias como solubles, ligeramente solubles o insolubles en términos cualitativos. Se dice que
una sustancia es soluble si se disuelve visiblemente una cantidad suficiente cuando se agrega al agua. Si no es
así, la sustancia se describe como ligeramente soluble o insoluble. Aunque todos los compuestos iónicos son
electrólitos fuertes, no todos tienen la misma solubilidad.
Cuadro 1. Guía de solubilidad para compuestos iónicos comunes en agua a 25°C.
Compuestos solubles
Excepciones
Compuestos que contienen iones de metales alcalinos ( ,
,
,
)y amonio (
)
Nitratos (
) , bicarbonatos (
) y cloratos (
)
Halogenuros (
)
Halogenuros de
,
y
Sulfatos de
,
,
,
,
Sulfatos (
)
y
.
Compuestos insolubles
Excepciones
Carbonatos (
), fosfatos (
), cromatos (
) y Compuestos que contiene iones de metales
alcalinos y el ion amonio
sulfuros (
)
Compuestos que contienen iones de
Hidróxidos (
metales alcalinos y el ion
Fuente: Chag, R & Goldsby, KA. 2013. Química. Undécima edición. McGraw-Hill. China 2013. 1090 p
1.1.4
Ecuaciones moleculares, ecuaciones iónicas y ecuaciones iónicas netas
La ecuación que describe la precipitación del yoduro de plomo (II) de esta práctica se denomina ecuación
molecular porque las fórmulas de los compuestos están escritas como si todas las especies existieran como
moléculas o entidades completas. Una ecuación molecular es útil porque aclara la identidad de los reactivos.
Si se quisiera realizar esta reacción en el laboratorio, ésta es la ecuación molecular que se debería utilizar. Sin
embargo, una ecuación molecular no describe con exactitud lo que en realidad está sucediendo en la disolución.
Como se señaló antes, cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, se separan por completo en los
cationes y aniones que los componen. Por ello, para que las ecuaciones se apeguen más a la realidad, deberán
indicar la disociación de los compuestos iónicos en sus iones. Por ejemplo la siguiente ecuación muestra la
reacción entre el bicarbonato de sodio y un ácido
Esta ecuación ejemplifica una ecuación iónica, en la que se muestran las especies disueltas como iones libres.
En una ecuación iónica neta, no se escriben los iones espectadores (iones que no participan en la reacción
global) por lo que esta ecuación sólo muestra las especies que realmente participan en la reacción. Por lo que de
la ecuación iónica anterior se puede derivar la siguiente ecuación iónica neta la ecuación
2
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1.2
OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA
 Determinar experimentalmente el reactivo limitante de reacciones químicas.
 Realizar cálculos con ecuaciones químicas mediante el uso del método del mol.
1.3
MATERIALES
Materiales proporcionados por el laboratorio
Cristalería
Equipo
 2 probetas de 25mL
 1 Balanza
 1 probeta de 5 mL
 1 gradilla de metal
 8 erlenmeyers de 125 mL.
 1 pinza para tubo de ensayo.
 7 tubos de ensayo
Reactivos
 Solución de CH3COOH [5%]
 Solución de KI 0.1 M
 Solución de Pb(CH3COO)2
0.1 M
Materiales proporcionados por el estudiante.
Por grupo de trabajo
 1 regla graduada en cm
 8 tabletas de Alka Seltzer®
1.4
1.4.1
METODOLOGÍA
Determinación experimental del reactivo limitante en la reacción entre acetato de plomo (II) y
yoduro de potasio.
a. Lave 7 tubos de ensayo. Enumérelos del 1 al 7
b. En esta serie de 7 tubos de ensayo agregue en cada uno con la ayuda de un 2 mL de solución
Pb(CH3COO)2 0.1 M.
c. En cada uno de los tubos de ensayo preparados en el inciso b, agregue con una probeta los siguientes
volúmenes de solución de KI.
Cuadro 2. Volúmenes de solución de KI 0.1 M a utilizar para determinar reactivo limitante.
No de tubo Volumen de solución
de ensayo
de KI 0.1 M en mL
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
d. La reacción dará como consecuencia la producción de un precipitado de un color amarillo intenso.
e. Espere hasta que se sedimenten todos los precipitados formados.
f. Mida las alturas de los precipitados formados y anote los valores en el cuadro 4.
3
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1.4.2
Determinación experimental del reactivo limitante en la reacción entre ácido acético y bicarbonato
de sodio.
a. Lave 8 erlenmeyers de 150 mL. Identifíquelos del 1 al 8.
b. En cada uno de los erlenmeyers preparados en el inciso a, trasvase los siguientes volúmenes de solución
de ácido acético (CH3COOH) [5%] y agua (H2O) con la ayuda de dos probetas, según lo indicado en el
siguiente cuadro.
Cuadro 3. Distribución de las mezclas de ácido acético y agua en cada uno de los erlenmeyers
Erlenmeyer
Volumen de H2O en mL
1
2
3
4
5
6
7
8
0
5
10
15
20
25
28
30
Volumen de solución
CH3COOH [5%] en mL
30
25
20
15
10
5
2
0
c. Determine con una balanza la masa de cada erlenmeyer con la mezcla de líquidos que contiene y
anótelos en el cuadro 3
d. Identifique las tabletas de Alka Seltzer® de 1 a 8 y determine con una balanza la masa de cada una.
Anote las mediciones en el cuadro 5.
e. Introduzca con cuidado cada tableta de Alka Seltzer® en un erlenmeyer de tal manera que cada tableta
corresponda con su respectivo erlenmeyer (tableta 1 en el erlenmeyer 1, tableta 2 en el erlenmeyer 2, y
así sucesivamente). Anote los cambios observados.
f. Permita que la reacción finalice completamente.
g. Determine nuevamente la masa de cada sistema y anote las mediciones en el cuadro 5.
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1.5
CUESTIONAMIENTOS Y OBSERVACIONES PARA INCLUIR EN EL INFORME
a. Complete el cuadro siguiente con la información del experimento del reactivo limitante de la reacción
entre Pb(CH3COOO)2 y KI
Cuadro 4. Datos referentes a la determinación del reactivo limitante para la reacción
Pb(CH3COOO)2(ac) + 2 KI (ac) → PbI2(s) + 2 KCH3COOO(ac)
Volumen de
No de
solución
Alturas del
Volumen de
tubo de Pb(CH3COOO)2
precipitado PbI2 ( en
solución KI 0.1M
ensayo
0.1M
cm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
b. ¿Se registran diferencias en las alturas de los precipitados?
c. Represente en una gráfica, las alturas de los precipitados obtenidos contra los ml. del reactivo cuyo
volumen se estuvo variando.
d. ¿Cuál es el reactivo limitante?
e. ¿Cuál es el reactivo que está en exceso?
f. ¿En qué tubo se presenta el punto estequiométrico de la reacción?
g. El El Alka Seltzer® es un antiácido y analgésico que contiene ácido acetilsalicílico (aspirina), ácido
cítrico e hidrogenocarbonato de sodio (bicarbonato de sodio). Para su administración es necesario
disolverlo en agua, momento en el cual se produce la reacción entre los ácidos que contiene y el
hidrogenocarbonato, según la ecuación
El dióxido de carbono es el que produce las burbujas del medicamento.
Complete la información del cuadro 5 correspondiente a la reacción de ácido acético con bicarbonato de
sodio. Anote masas de los sistemas antes y después de la reacción (columnas 1, 2, 3 y 4). Determine
por diferencia la masa de dióxido de carbono producido en la reacción (columna 5). A partir de este
valor determine la masa de hidrogenocarbonato de sodio que reaccionó en la tableta (columna 6). Para
este caso multiplicar los datos de la columna 5 por la masa molar del bicarbonato y dividir entre la masa
molar del dióxido de carbono. Revise el cálculo mediante estequiometría. Para determinar los valores
de la columna 7, dividir cada dato de la columna 6 entre los datos correspondientes de la columna 2 y
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multiplicar el resultado por 100%.
Cuadro 5. Mediciones de masa del experimento de bicarbonato y ácido acético
Antes de la reacción
No
1
2
Masa de
erlenmeyer +
masa de la
mezcla
líquida en g
Masa
de la
tableta
de Alka
Seltzer
en g
3
Masa total
del sistema
(suma de las
dos
columnas
anteriores)
en g
Después de la
reacción
4
Masa del sistema
(erlenmeyer +
líquidos+
productos
solubles de la
reacción) en g
Datos calculados
5
Masa de CO2
gaseoso
producido en la
reacción en g
(columna 3
menos
columna 4)
6
Masa de
hidrogenocarbonato
que reacció en g
7
Porcentaje
(masa/masa) de
hidrogenocarbonato
de cada tableta que
reaccionó
1
2
3
4
5
6
7
8
h. Realice una gráfica en la que se represente como variable independiente el volumen (en mL) de ácido
acético utilizado y como dependiente el porcentaje de hidrogenocarbonato en la tableta (columna 7).
i. Realice una gráfica en la que se represente como variable independiente el volumen (en mL) de ácido
acético utilizado y como dependiente la masa de CO2 producido. Compare el comportamiento de esta
gráfica con la anterior.
j. Determine ¿En qué intervalo de volúmenes es el hidrogenocarbonato el reactivo limitante de la
reacción? ¿Por qué? ¿Y en cual lo fue el ácido acético? ¿Por qué?
1.6
BIBLIOGRAFÍA
 Chag, R & Goldsby, KA. 2013. Química. Undécima edición. McGraw-Hill. China 2013. 1090 p
 Ebbing, D. 1997. Química General. Quinta edición. McGraw-Hill. México. 1086 p.
 Pérez Morales, RA. 2011. Manual de laboratorio de Introducción a la Química. Facultad de Agronomía.
Universidad de San Carlos de Guatemala. Guatemala. 50 p.
6

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