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REACTIVO LIMITANTE
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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Reactivo limitante y en exceso (Porciento de conversión global y en un solo paso, Rendimiento y selectividad, Reacciones de combustión).
Cuando se presenta una reacción los balances quedan condicionados por la ecuación química que la representa. En toda reacción química la suma de las masas reaccionantes deberá ser igual a la suma de las masas de los productos. Así, el número de átomos entrantes a la reacción reacción debe ser igual al número de átomos salientes de ella, pero el número de moles entrantes no es necesariamente el mismo que el de las moles salientes.
Sin embargo, es posible hacer los balances con reacciones química usando moles, siempre y cuando se observen las cantidades relativas de la mismas que intervienen en la reacción. r eacción.
Reactivo Limitante Cuando se ha ajustado una ecuación, los coeficientes representan el número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. También representan el número de moléculas y de moles de reactivos y productos.
Cuando una ecuación está ajustada, la estequiometría se emplea para saber las moles de un producto obtenidas a partir de un número conocido de moles de un reactivo. La relación de moles entre reactivo y producto se obtiene de la ecuación ajustada. A veces se cree equivocadamente que en las reacciones se utilizan siempre las cantidades exactas de reactivos. Sin embargo, en la práctica lo normal suele ser que se use un exceso de uno o más reactivos, par conseguir que reaccione la mayor cantidad posible Sign del up toreactivo vote on thismenos title abundante. Useful Not useful
Reactivo limitante
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REACTIVO LIMITANTE
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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Ejemplo 1: Para la reacción:
¿Cuál es el reactivo limitante si tenemos 10 moléculas de hidrógeno y 10 moléculas de oxígeno? Necesitamos 2 moléculas de H 2 por cada molécula de O 2 Pero tenemos sólo 10 moléculas de H 2 y 10 moléculas de O 2. La proporción requerida es de 2 : 1 Pero la proporción que tenemos es de 1 : 1 Es claro que el reactivo en exceso es el O 2 y el reactivo limitante es el H 2 Como trabajar con moléculas es lo mismo que trabajar con moles.
Si ahora ponemos 15 moles de H 2 Reading con 5 moles de O 2 entonces como la You're a Preview estequiometría de la reacción es tal que 1 mol de O 2 reaccionan con 2 moles Unlock full access a free trial. de H2, entonces el número de moles de Owith para reaccionar con tod 2 necesarias el H2 es 7,5, y el número de moles de H 2 necesarias para reaccionar con todo el O2 es 10. Download With Free Trial
Es decir, que después que todo el oxígeno se ha consumido, sobrarán 5 moles de hidrógeno. El O 2 es el reactivo limitante Una manera de resolver el problema de cuál es el reactivo es el limitante es: Calcular la cantidad de producto que se formará para cada una de las cantidades que hay de reactivos en la reacción. Sign up to vote on this title
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El reactivo limitante será aquel que produce la menor cantidad de producto.
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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En esta reacción, 1 mol de cierres, 3 moles de arandela y 2 moles de tuercas reaccionan para dar 1 mol de baratijas.
1) Divide la cantidad de cada reactivo por el número de moles de ese reactivo que se usan en la ecuación ajustada. Así se determina la máxima cantidad de baratijas que pueden producirse por cada reactivo.
•
Cierres: 4,000 / 1 = 4,000
Arandelas: 12,000 / 3 = 4,000
•
•
Tuercas: 7,000 / 2 = 3,500
Por tanto, el reactivo limitante es la tuerca.
2) Determina el número de baratijas que pueden hacerse a partir del reactivo limitante. Ya que el reactivo limitante es la tuerca, el máximo número de baratijas que pueden hacerse viene determinado por el número de tuercas. Entran dos tuercas en cada baratija, de modo que el número de bsratijas que You're Reading a Preview pueden producirse, de acuerdo con la estequiometría del proceso es: Unlock full access with a free trial.
7,000 / 2 = 3,500 baratijas Ejemplo 3:
Download With Free Trial
Considere la siguiente reacción:
Supongamos que se mezclan 637,2 g de NH 3 con 1142 g de CO 2. ¿Cuántos gramos de urea [(NH 2)2CO] se obtendrán? Sign up to vote on this title
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1) Primero tendremos que convertir los gramos de reactivos en moles:
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Practica 6 Reactivo
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3) Calculamos el número de moles de producto que se obtendrían si cada reactivo se consumiese en su totalidad: a partir de37,5 moles de NH 3 se obtienen 18,75 moles de (NH2)2CO •
a partir de 26 moles de CO2 se obtienen 26 moles de (NH2)2CO •
4) El reactivo limitante es el (NH 3) y podremos obtener como máximo 18.75 moles de urea. 5) Y ahora hacemos la conversión a gramos:
18,75 moles de (NH2)2CO son 1462,5 g.
Rendimiento
You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
Se cree equivocadamente que las reacciones progresan hasta que se Download With Free Trial consumen totalmente los reactivos, o al menos el reactivo limitante.
La cantidad real obtenida del producto, dividida por la cantidad teórica máxima que puede obtenerse (100%) se llama rendimiento.
Rendimiento teórico La cantidad de producto que debiera formarse si todo el reactivo limitante se Sign upde to vote on this title teórico. consumiera en la reacción, se conoce con el nombre rendimiento
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A la cantidad de producto realmente formado se le llama simplemente rendimiento o rendimiento de la reacción. Es claro que siempre se cumplirá la
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Practica 6 Reactivo
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es posible que haya reacciones laterales que no lleven al producto deseado •
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la recuperación del 100% de la muestra es prácticamente imposible •
Una cantidad que relaciona el rendimiento de la reacción con el rendimiento teórico se le llama rendimiento porcentual o % de rendimiento y se define así:
Ejemplo: La reacción de 6.8 g de H 2S con exceso de SO 2, según la siguiente reacción, produce 8.2 g de S. ¿Cual es el rendimiento? (Pesos Atómicos: H = 1.008, S = 32.06, O = 16.00).
En esta reacción, 2 moles deYou're H 2S reaccionan para dar 3 moles de S. Reading a Preview Unlock determinar full access with ala free trial. máxima cantidad de S que 1) Se usa la estequiometría para puede obtenerse a partir de 6.8 g de H 2S.
Download With Free Trial
(6,8/34) x (3/2) x 32 = 9,6 g 2) Se divide la cantidad real de S obtenida por la máxima teórica, y se multiplica por 100.
(8,2/9,6) x 100 = 85,4% Sign up to vote on this title
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Rendimiento con Reactivos Limitantes
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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1) Calcular el número de moles que hay de cada reactivo: Peso Molecular del Sb 4: 487.2
número de moles de Sb4 = 3/487.2 = 0,006156 Peso Molecular del Cl 2: 70.9
número de moles de Cl2 = 2/70.9 = 0,0282 2) Comparar con la relación de coeficientes en la ecuación ajustada. La relación es de 1 mol de Sb 4 a 6 moles de Cl 2. Usando la estequiometría:
0,00656/0,0282 = 1/4,3 > 1/6 de modo que el reactivo limitante es el Cl 2. Nosotros sólo tenemos 0.0282 moles de Cl2.
3) Usar la estequiometría para determinar la máxima cantidad de SbCl 3 que puede obtenerse con 2.00 g de Cl 2 (el reactivo limitante).
You're Reading a Preview
4) Dividir la cantidad real de SbCl 3 obtenida por la máxima teórica y multiplicar Unlock full access with a free trial. por 100. Download With Free Trial (4,29/5,05) x 100 = 84,9%
Algunos conceptos
Reactivo limitante Sign up to vote on this title Es aquel reactivo concreto de entre los que participan una cuya Notreacción useful Usefulen cantidad determina la cantidad máxima de producto que puede formarse en la reacción.
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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consume en su totalidad siempre que ocurra una sola reacción y se recupere totalmente el producto. Compárese con rendimiento.
Rendimiento porcentual Rendimiento real multiplicado por 100 y dividido por el rendimiento teórico.
Porcentaje de pureza El porcentaje de un compuesto o elemento específico en una muestra impura. Modificaciones alotrópicas (alótropos) Formas diferentes del mismo elemento en el mismo estado físico.
Otros dos términos relacionados con las reacciones químicas tienen definiciones menos precisas: Conversión y selectividad.
La conversión es la fracción de la alimentación o de algún material clave de la alimentación que se convierte en productos. Así pues, el porcentaje de conversión es
% de conversión = moles (o masa) de alimentación (o de un compuesto de ésta) que reaccionan / moles (o masa) de alimentación (o de un compuesto de You're Reading a Preview ésta) introducidos multiplicando esta división por 100. Unlock full access with a free trial.
Es preciso especificar cuál es la base de cálculo para los cálculos en la alimentación y en que productos se está convirtiendo esa base de cálculo, pue Download With Free Trial de lo contrario la confusión será absoluta. La conversión tiene que ver con el grado de conversión de una reacción, que por lo regular es el porcentaje o fracción del reactivo limitante que se convierte en productos.
La selectividad es el cociente de los moles obtenidos de un producto determinado (usualmente el deseado) entre los moles de otro producto (por lo regular indeseable o secundario) obtenido en un conjunto de reacciones. Sign up to vote on this title
REACCIONES DE COMBUSTIÓN.
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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El principal constituyentes del carbón mineral es el carbono; tambié Sheet Music
contiene cantidades variables de oxigeno, nitrógeno, azufre, humedad y ceniza
Es difícil dar un análisis de la masa exacta del carbono mineral pues que s
composición varia de un area geográfica a otra e incluso dentro de la mism
región. La mayor parte de los combustibles hidrocarburos líquidos son un mezcla de números hidrocarburos y se obtiene del petróleo crudo mediante destilación .los hidrocarburos mas volátiles se vaporizan primero formando que se obtiene durante la destilación son el queroseno, el diesel y combustoleo .La composición de un combustible particular depende de fuente de petróleo crudo, así como de la refinería.
Aunque los combustibles hidrocarburos líquidos son mezclas de mucho
hidrocarburos diferentes, por conveniencia suelen considerarse como un sol
hidrocarburo.Por ejemplo, la gasolina se trata como octano, C 8H18, y el dies
como dodecano, C 12H26.Otro hidrocarburo liquido común es el alcohol metilic
CH3OH, al que también se le llama metanol y se usa en algunas mezclas d
gasolina. El gas natural combustible hidrocarburo You're Reading a Preview gaseoso, algunas veces s trata metano CH4, por simplicidad. Unlock full access with a free trial.
Una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera un Download With Free Trial
gran cantidad de energía recibe el nombre de combustión .El oxidan
empleado con mayor frecuencia en los procesos de combustión es el aire, po
obvias razones;: es gratis y es fácil de conseguir.EL oxigeno puro O se emple como oxidante solo en algunas aplicaciones especializadas como el corte
soldadura donde no se puede utilizar aire.En consecuencia, son pertinente unas cuantas palabras acerca de la composición del Sign up aire. to vote on this title
Usefulcompuesto esta Not usefulpor 20.9 po En unas base molar o de volumen, el aire seco
ciento de oxigeno, 78.1 por ciento de nitrógeno, 0.9 por ciento de argon
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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A temperatura de combustión ordinaria el nitrógeno se comporta como un ga Sheet Music
inerte y no reacciona con otros elementos químicos. Pero aun en ese caso
presencia de nitrógeno influye de manera considerable en el resultado de u
proceso de combustión, pues el nitrógeno suele entrar en una cámara d
combustión en grandes cantidades a temperaturas bajas y salir a temperatura considerablemente altas, absorbiendo una gran proporción de la ene química liberada durante la combustión. En todo este capitulo se supondrá q el nitrógeno permanecerá perfectamente inerte.
Téngase en mente,
embargo, que a temperaturas muy altas, como las que se encuentran en la
maquinas de combustión interna, una pequeña fracción de nitrógeno reaccion con oxigeno, formando gases peligrosos como el oxido nítrico.
El aire que entra en una cámara de combustión contiene algo de vap
de agua (o humedad), el cual también es digno de consideración. En casi todo
los procesos de combustión, la humedad en el aire puede tratarse como ga
inerte, como nitrógeno. SinYou're embargo a temperaturas muy altas un poco d Reading a Preview
vapor de agua se descompone en H 2 y Owith como en H, O y OH. Cuando lo 2, así Unlock full access a free trial.
gases de combustión se enfrían por debajo de la temperatura de punto de rocí Download With Free Trial
del vapor de agua, una parte de la humedad se condensa, es important
predecir la temperatura de punto de rocío debido a que las gotas de agu
suelen combinarse con el dióxido de azufre que puede estar presente en lo gases de combustión, formando acido sulfúrico, el cual es muy corrosivo.
Durante un proceso de combustión los componentes que existen ante
de la reacción reciben el nombre de reactivos,Sign y los componentes up to vote on this title que existe
Useful Not useful después de la reacción se denominan productos. Considere, por ejemplo,
combustión de 1 kmol de carbón con 1 kmol de oxigeno puro, que form
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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lados de la ecuación de combustión incluirán N 2. Es decir, el N2 aparece Sheet Music
como un reactivo y como un producto.
Debe mencionarse que poner un combustible en estrecho contacto co
el oxigeno no es suficiente para iniciar la combustión. (Gracias a dios que e
así. de otro modo, el mundo entero estaría en llamas). El combustible deb
llevarse arriba de su temperatura de ignición para iniciar la combustión. La
temperaturas de ignición mínimas aproximadas de varias sustancias del air atmosférico son 260ºC para la gasolina, 400ºC para el carbono, 580ºC para hidrogeno, 610ºC para el monóxido de carbono y 630ºC para el meta
Además, las proporciones del combustible y del aire deben estar en un niv
adecuado para que comience la combustión. Por ejemplo, el gas natural no s
quemara en el aire en concentraciones menores a 5 por ciento o mayores a 1 por ciento aproximadamente.
Como el lector recordara de sus cursos de química, las ecuacione químicas se balancean con base en el principio de la conservación de
masa, el cual puede enunciarse sigue: la masa total de cada element You'recomo Reading a Preview
se conserva durante una reacción química . Es decir, la masa total de cad Unlock full access with a free trial.
elemento en el lado derecho de la ecuación de la reacción(los productos) deb Download With Free Trial
ser igual a la masa total de ese elemento en el lado izquierdo (los reactivos
aun cuando los elementos existan en compuestos químicos diferentes en lo reactivos y los productos. Además, el número total de átomos de ca
elemento se conserva durante una reacción química, ya que el número total d electo dividida por su masa atómica.
Por ejemplo, ambos lados de la ecuación 14-2 contiene Sign up to vote on this title 12 kg d
Not useful Useful carbono y 32 kg de oxigeno, aun cuando el carbono y el oxigeno existen com
elementos en los reactivos y como compuesto en el producto. Asimismo, l
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combustible AC. Suele expresar en una base de masa y se define como Sheet Music
proporción entre la masa del aire y la masa de combustible en un proceso d combustión (figura 14-6). Es decir, Es decir, AC = maire mcombustible
La masa m de una sustancia se relaciona con el numero de moles N medio de la relación m = NM, donde M es la masa molar.
La relación aire-combustible puede expresarse también en una bas
molar como la proporción entre el número de moles del aire y el número d
moles del combustible. Pero aquí se utilizara la primera definición. El reciproc de la relación aire- combustible se conoce como relación combustible-aire.
EJEMPLO 14-1 Readingcon a Preview Un kmol de octano (C 8 H18 )You're se quema aire que contiene 20kmol de O
Unlock full access with a free trial.los productos contienen so como se muestra en la figura 14-7. Suponga que
CO2, O2, H2O y N2, determineDownload el número de moles en cada gas en los producto With Free Trial y la relación aire-combustible para este proceso de combustión.
Solución
la ecuación química para este proceso de combustión pu
escribirse como C8H18 + 20(O2+3.76N2)
x CO2 + y H2O + w N2 + z O2
Signla upcomposición to vote on this title Donde los términos en el paréntesis representan del aire sec
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que contiene 1 kmol de O 2, y x, y, z y w representan los números de mole
desconocidos de los gases en los productos. Estas incógnitas se determina
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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(20) (3.76) = w
w = 75.2
La sustitución produce C8H18 + 20(O2 + 3.76N2) 8CO2 + 9H2O + 7.5 O2 + 75.2 N2
FIGURA 14-6 La relación aire combustible (AC) representa la cantidad de aire utilizada por unidad de masa de combustible durante un proceso de combustión
Combustible Cámara de
combustión
1kg
AC = 17 Productos 18kg aire
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17kg
FIGURA 14-7 Dibujo esquemático para el ejemplo 14-1
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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Observe que el coeficiente 20 en la ecuación balanceada anteri
representa el número de moles de oxigeno, no el número de moles de air
Éste se obtiene sumando 20 x 3.76 = 75.2 moles de nitrógeno a los 20 mole
de oxigeno, lo que da un total de 95.2 moles de aire. La relación aire
combustible (AC) se determina tomando la proporción entre la masa de aire la masa del combustible (ecuación 14-3):
AC =
m m
aire
( NM ) =
aire
( NM ) c + ( NM ) H ( 20 x 4.76 Kmol )( 29 Kg / mol ) = ( 8 Kmol )(12 Kg / Kmol ) + ( 9 Kmol )( 2 Kg / Kmol ) combustibl e
=
2
24.2 Kg aire / Kg combustibl e
Es decir, se emplea 24.2 Kg. de aire para quemar cada kilogramo d combustible durante este proceso combustión. You're de Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
14-2 PROCESOS DE COMBUSTIÓN TEÓRICO Y REAL Download With Free Trial
Muchas veces es muy útil estudiar la combustión de un combustible co
la suposición de que la combustión es completa. Un proceso de combustión e
completo si todo el carbono en el combustible se transforma en el CO 2, todo
hidrógeno se transforma en H 2O y todo el azufre (si lo hay) se transforma e
SO2. Todos los componentes combustibles del Signcombustible up to vote on thisse titlequeman po
useful En sentid completo durante un proceso de combustión completa Useful (figura Not14-8).
inverso, un proceso de combustión es incompleto si los productos
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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contacto. Otra causa de combustión incompleta es la disociación, la cual s Sheet Music
vuelve importante a elevadas temperaturas.
La cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa d un combustible recibe el nombre de aire estequiométrico o aire teórico.
manera que cuando un combustible se quema por completo con aire teórico, n
estará presente oxigeno no combinado en el producto de los gases. El air
teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcta, o ai
100 por ciento teórico. Un proceso de combustión con menos cantidad de air
teórico está condenado a ser incompleto. El proceso de combustión idea
durante el cual un combustible se quema por completo con aire teórico s
conoce como combustión estequiométrico o teórica de ese combustib (figura 14-9). Por ejemplo, la combustión teórica del metano es CH4 +2 (O2 + 3.76N2) → CO2 + 2H2O + 7.52N2
Advierta que los productos de laa Preview combustión teórica no contiene You're Reading metano no quemado ni C, H 2Unlock , CO,fullOH u O2 libre. access with a free trial. Download With Free Trial
En los procesos de combustión reales es una práctica común emplea más aire que la cantidad estequiométrica, con el fin de aumentar
oportunidades de combustión completa o para controlar la temperatura de l cámara de combustión. La cantidad de aire en exceso de la cantid
estequiométrica se llama exceso de aire. La cantidad de exceso de aire sue aire expresarse en términos del aire estequiométrico Sign up tocomo vote on this title de exce
Notciento useful de exces Useful 50por porcentual o aire teórico porcentual. Por ejemplo,
de aire es equivalente a 150 por ciento de aire teórico, y 200 por ciento d
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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razón de la equivalencia, la cual es la proporción entre la relación combustible Sheet Music
aire real y la relación combustible-aire estequiométrica.
La predicción de la composición de los productos es relativamente fác
cuando se supone que el proceso de combustión será completo y que s
conocen las cantidades exactas de combustible y aire utilizados. Todo lo qu
se necesita hacer en este caso es aplicar el principio de conservación de l masa cada elemento que aparece en la ecuación de la combustión, necesidad de tomar otras medidas. Sin embargo, cuando una trata
procesos de combustión reales, las cosas no son tan sencillas. Por algun razón, es difícil que los procesos de combustión reales siempre se completos, incluso en la presencia de un exceso de aire. Por tanto, imposible predecir la composición de los productos con base sólo en
principio de la conservación de la masa. Por ello, la única opción es med directamente la cantidad de cada componente en los productos. You're Reading a Preview
Para analizar la composición de los gases de combustión se emplea u Unlock full access with a free trial.
dispositivo conocido como analizador de gases Orsat. En este dispositivo s Download With Free Trial
recoge una muestra de los gases de combustión y se enfría a temperatura
presión ambiente, en cuyo punto se mide su volumen. Después la muestra e
puesta en contacto con un compuesto químico que absorbe el CO 2. Los gase
restantes se vuelven a llevar a la temperatura y presión ambiente, y se mide e
nuevo volumen que ocupan. La proporción entre la reducción de volumen y e volumen original es la fracción de volumen del CO , la cualones a Sign 2up to vote thisequivalente title
useful 14-10). La Not fracción molar si se supone comportamiento de Useful gas ideal (figura
fracciones de volumen de los otros gases se determinan al repetir es
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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Durante un proceso de combustión se quema etano (C2 H6) con 20 por cien Sheet Music
de exceso de aire, como se muestra
en la figura
14-11. suponga
combustión completa y una presión total de 100 kpa, y determine a) relación de aire- combustible y b) la temperatura de punto de rocío de productos .
Solución. Se especifica
que el etano
se quema
consecuencia, los productos contendrán sólo CO 2, H
por completo. 2
O, N2 y el O2
utilizado. La ecuación de combustión en este caso puede escribirse como C2 H6 +1.2at (O2 + 3.7 N2) 2CO 2H3H 2O+0.2atO2+ (1.2X3.76)a t N
Donde at es el coeficiente estequiometrico para el aire. De manera automátic se tomo en cuenta 20 por ciento de exceso de aire utilizando el factor 1.2 en lugar de para el aire. La cantidad estequiométrica de oxigeno (a t O2) utilizara para oxidar el combustible y la cantidad You're Reading a Previewde exceso restante(0.2a aparecerá en los productos como oxigeno no utilizado. Observe que Unlock full access with a free trial. coeficiente N2
de
es el mismo en ambos lados de la ecuación. Tamb Download With Free Trial
notará que hubo balanceó del C y el H 2 mental al momento de escribir ecuación de combustión. El coeficiente at se determina del balanceo de O2 O2
1.2a t=2+1.5+0.2at
at =3.5
La sustitución produce Sign up to vote on this title
C2H6+4.2 (O2+3.76N2)
Useful 2+15.79N 2CO2+3 H2O+0.7O 2 Not useful
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Practica 5. Equivalentes y
Practica 6 Reactivo
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Es decir, se suministra 19.3kg de aire para cada kilogramo combustible durante este proceso de combustión. b) la temperatura de punto de rocío de los productos es la temperatura cual el vapor de agua en los productos empieza a condensarse cuando productos se enfrían. Se recordara del capitulo 13 que la temperatura punto de roció de una mezcla gas-vapor es la temperatura de saturación vapor
de agua
correspondiente a su presión parcial. En consecuen
primero debe determinarse la presión parcial del vapor de agua P en productos. Si se supone comportamiento de gas ideal para los gases combustiones tiene pv = (NV/Nprod) (Pprod)= (3kmol/21.49kmol)(100 kpa)=13.96kpa Por tanto T pr = T sat 13.96 kpa =53.3 grados centígrados ( tabla A-5) You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
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