Rendimiento de reacción

Una reacción química ideal ocurre con un rendimiento total, es decir, 100% de conversión de los reactivos en productos. Cuando las cantidades de reactivos no se encuentran en proporciones estequiométricas, la cantidad del reactivo limite será la barrera para la conversión del o de los otros reactivos.

Ya en un ambiente real, pocas reacciones ocurren al 100% de conversión debido a limitantes termodinámicas y fisicoquímicas, el rendimiento de una reacción puede ser definido como la cantidad obtenido de un producto con referencia a la cantidad predicha por la teoría, es decir, a través de cálculos estequiométricos.

Además de las limitaciones propias de la reacción, las distintas operaciones unitarias que se necesiten para separar y/o purificar un producto generaran una perdida de producto de interés, siendo esta englobada en un rendimiento global del proceso de obtención del producto.

El estudio de estos fenómenos es de interés primordial para el diseño de procesos de producción químicos que aseguren la obtención de compuestos de interés a un costo razonable de tiempo, energía, insumos y dinero.

Fundamentación teórica

En química, el rendimiento o rendimiento de reacción, es la cantidad de producto obtenido en una reacción química determinada. El rendimiento puede ser expresado en unidades de masa (gramos, por ejemplo) o en unidades químicas (moles). El porcentaje de rendimiento mide la efectividad de un procedimiento sintético y se calcula dividiendo la cantidad del producto de interés en la cantidad teórica que se debería obtener con una conversión total.

La cantidad teórica es la cantidad de producto de interés a obtener según cálculos estequiométricos basados en el numero de moles de todos los reactivos presentes, asumiendo que solo una reacción ocurre y que el reactivo limite se consume completamente.

Diversas operaciones unitarias empleadas para la separación y purificación de reactivos y productos tienen sus propias limitaciones practicas y se generan perdidas de materia a lo largo de estas operaciones unitarias. En el caso de la cristalización, no es factible recuperar el 100% del producto de interés del agua de cristalización pues, para que la cristalización sea exitosa, la solubilidad del compuesto en cuestión debe ser alta en el solvente, y fácilmente modificable a través de parámetros como la temperatura del solvente, sin embargo, no se puede alcanzar un punto de insolubilidad total solamente cambiando la temperatura.

Grandes avances se han hecho en el estudio de las condiciones de reacción y los parámetros de las operaciones unitarias para aumentar el rendimiento global de un proceso de síntesis, el uso de catalizadores, nuevos diseños de reactores químicos, materiales inteligentes y nuevas rutas sintéticas son algunas de las alternativas que a nivel científico e industrial se emplean para el mejoramiento del rendimiento de las reacciones químicas.

Materiales

  • Vasos de precipitados de 50, 100 y 1000 mL
  • 2 tubos de ensayo
  • Gradilla
  • Embudo de vidrio
  • Papel filtro
  • Pipeta graduada de 10 mL
  • Pipeteador o propipeta
  • Agitador de vidrio
  • Plancha de calentamiento
  • Soporte universal
  • Crisol de porcelana con tapa
  • Termómetro
  • Imán

Reactivos

  • Acetato de níquel (II) tetrahidratado
  • Acido acético
  • Etanol absoluto
  • Hielo

Procedimiento

En un tubo de ensayo, agregar 1 g de acetato de níquel (II) tetrahidratado pesado con 3 cifras significativas y 4 mL de agua destilada. El valor de la masa agregada de acetato debe ser anotado para cálculos posteriores.

Calentar el tubo de ensayo a baño de María a 70°C agitando su contenido con la ayuda de una varilla de vidrio, hasta obtener una solución verde homogénea y translucida. Agregar 3 mL de ácido fórmico.

Enfriar el tubo de ensayo en un baño de hielo y agregar lentamente 15 mL de etanol absoluto mientras se mantiene la agitación.

Pesar el papel filtro y anotar su peso inicial, Filtrar por gravedad el precipitado obtenido y lavar con un poco de etanol absoluto. Secar el conjunto de precipitado – papel de filtro en una estufa a 80 °C hasta peso constante. Anotar el valor final del peso.

Tarar el peso del crisol con tapa calentándolo previamente en una mufla a 400°C por 45 minutos, sacar el crisol y dejarlo enfriar en un desecador. Cuando esté a temperatura ambiente pesar el conjunto crisol – tapa y anotar dicho valor.

Tomar el papel filtro con el filtrado y colocarlo en el crisol con tapa, dejar levemente la tapa levantada para dejar que los vapores escapen y colocarlo en la mufla a 400°C por 1 hora. Sacar el crisol y dejar enfriar en un desecador, pesar y anotar el valor obtenido. Volver a llevar a la mufla por 1 hora mas y repetir el procedimiento hasta obtener peso constante. Con la ayuda del imán, corroborar la presencia de níquel en el residuo obtenido.

Después del experimento

Identificar las distintas etapas en la síntesis de formiato de níquel y la obtención de níquel metálico. Escribir las reacciones involucradas en cada etapa del proceso y balancear las ecuaciones. Identificar que operaciones unitarias se emplearon en la práctica.

Con base a la cantidad de acetato de níquel (II) tetrahidratado, realizar los cálculos estequiométricos para obtener la cantidad de formiato de níquel producido teóricamente y la cantidad de níquel metálico producido en la calcinación. Comparar dichos valores con los obtenidos en la practica teniendo en cuenta los pesos del papel de filtro y crisol con tapa registrados con anterioridad. Calcular los porcentajes de rendimiento de cada etapa.

Discutir sobre las razones de perdida de porcentaje de rendimiento a lo largo de todo el proceso y sus posibles soluciones en el laboratorio.

Recomendaciones de seguridad

En todo momento se deben utilizar los elementos de seguridad básicos en el laboratorio de química (bata de laboratorio, guantes, gafas de seguridad y demás que sean exigidos por las normas internas, locales o nacionales. Los residuos generados por la práctica deben ser dispuestos de manera adecuada según las normas de laboratorio y las normas locales y nacionales respectivas.

Mayor información

Microscale Preparation of Nickel Formate Dihydrate: A Simple Experiment for the Freshman Lab

Clasificación

Nivel: Universitario

Tipo: Practica de enseñanza

Riesgo: medio