Práctica 10. Conservación de la materia, reactivo limitante, rendimiento teórico y rendimiento real.

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey

Campus Puebla

Práctica No. 10

Conservación de la materia, reactivo limitante, rendimiento teórico y rendimiento real.

Responsable: Mtro. Víctor Hugo Blanco Lozano

Equipo No. 8

Grupo 2

Integrantes del equipo:

Stephania Díaz Lorenzo                    A00397831

Ana Laura Velázquez Gil                   A01325205

Omar Sánchez Jiménez                   A01324800

Jorge Armando Luna Morales           A01099726

Gabriela Rivera Hernández               A01325193

Objetivos

El objetivo de la práctica consiste en adquirir 3 tipos de habilidades:

·         Antes de la experimentación el alumno deberá ser capaz de escribir la ecuación química correcta de la reacción y deberá estar balanceada en función del cumplimiento de la ley de la conservación de la materia. Se incorporará también el concepto de reactivo limitante para realizar los cálculos necesarios.

·         Durante la experimentación se observará analíticamente lo que sucede en la reacción con el fin de recopilar los datos necesarios para la comprobación de nuestros cálculos pre experimentales.

·         Al finalizar la experimentación se deberán relacionar  y comparar los datos obtenidos en el experimento, con lo previsto antes del mismo y se hará el cálculo del porcentaje de rendimiento  en base al rendimiento real con el rendimiento teórico. 

Introducción

Quizá el enunciado más conocido en aras de la ciencia lo constituye la primera ley de la termodinámica. Aunque en primera instancia no nos suene del todo familiar, al escuchar el enunciado La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma inmediatamente viene a nuestra mente “La ley de la conservación de la energía” que es otra manera de nombrar la misma ley.

La ley de la conservación de la energía, es aplicable también para la materia. De hecho, más que aplicable es imprescindible tener bien en claro que al igual que la energía, la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma, aunque sería prudente mencionar que esta ley tiene sus limitaciones cuando entramos en el campo de las reacciones nucleares, donde sí puede ocurrir una pequeña variación de la masa de los productos en comparación de los reactivos. Esto se debe a las grandes cantidades de energía que producto de las reacciones y que pueden modificar a la ecuación E=mc².

Pero en este curso no nos centraremos en aquellas limitaciones. Para este curso nos centraremos en el concepto de que en una reacción química, el número de reactivos tendrá que ser igual al número de productos utilizando los conceptos de estequiometria, reactivo limitante y porcentaje de rendimiento.

Consideraciones teóricas

Ley de la conservación de la materia.

La ley de la conservación de la materia indica que en una reacción química cualquiera, la masa es conservada, es decir no sufre cambios durante la reacción y no se pierde cantidad de materia, solo sufre modificaciones. Uno de los primeros experimentos que demostraban de forma cuantitativa este suceso fue el de Lavoisier; quién demostró que tanto al final como al inicio de una reacción, se obtenía la misma cantidad de materia.

Unidades del sistema internacional.

Peso: Es la magnitud de la fuerza gravitatorio que la tierra realiza en un objeto. Se mida en newtons (kgm/s²). El peso de un objeto se puede medir tanto comparando como midiendo directamente la fuerza gravitatoria utilizando una balanza de muelle. Errores en la forma de dicha balanza, provocan que se marquen pesos distintos para una misma masa en lugares con atracción gravitatoria distinta.

Masa: Es la propiedad específica de un cuerpo que determina su inercia, es decir, su resistencia a cambios de movimiento. También puede definirse como la cuantía de materia en un cuerpo. Es medida en kilogramos (kg).

Materia: La materia se define como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y ciencia es el término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y tiene las particularidades de gravedad e inercia.

Mol: Es la unidad básica del Sistema Internacional de unidades, se denota como la cantidad que se tiene de una sustancia, esta pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, entre otras partículas. Se trata de una magnitud. Dicha cantidad de partículas es aproximadamente 6,023 X 10²³, este número se conoce como número de Avogadro. Luego un mol es la masa molecular expresada en gramos.

Fuentes de error al pesar

Corrección por flotación.

Cuando la densidad del objeto a pesar difiere de las pesas estándar, se dice que hay un error por flotación y los datos se pueden ver afectados. El error se da por la variación en la fuerza de flotación del aire hacia el objeto y las pesas. Para corregir este error se ocupa la siguiente fórmula.

  

En donde W1 es la masa corregida del gas, W2 es la masa aparente del gas, dgas es la densidad del gas pesado, dpesa es la densidad de las pesas estándar usadas; que para el caso de la balanza de platillo externo es igual a 8,0 g/cm3 y d aire es la densidad del aire desplazado por el gas; d aire tiene un valor de 1,2X10-3 g/cm3.

Reactivo limitante, rendimiento teórico y rendimiento real.

Reactivo limitante

Se conoce como reactivo limitante a aquel reactivo que al terminarse, la reacción deja de suceder y por lo tanto éste determina cuánto producto se obtendrá. La proporción entre las cantidades de reactivos y productos pueden darse en moles, milimoles o masas.

Rendimiento real

Se conoce como rendimiento real a la cantidad de sustancia que se obtiene de una reacción.

Rendimiento teórico

El rendimiento teórico es la cantidad de producto que se produce según lo indicado por los reactivos.

Rendimiento porcentual

El rendimiento porcentual es la división del rendimiento real entre el teórico multiplicada por 100.

Porcentaje de pureza

Es el porcentaje de compuesto puro en una muestra impura. En una ecuación previamente balanceada los coeficientes indican cuántos átomos de cada elemento hay tanto en reactivos como en productos, de aquí se obtiene la relación molar. Con uso de lo anterior se emplea la estequiometria para que a partir de los moles de una sustancia conocida se obtengan los de una desconocida.

Usualmente se piensa que se utilizan cantidades exactas en las reacciones químicas,  pero no es así, en ocasiones necesitamos agregar un exceso de algunos reactivos para que reaccionen.

Reactivo limitante

Se le conoce como reactivo limitante a aquella sustancia que se ha consumido por completo en la reacción y determina la cantidad de producto que se obtendrá.

Rendimiento teórico

Es la cantidad de producto que resulta si todo el reactivo limitante se consumió. El rendimiento teórico siempre será mayor o igual al rendimiento real, debido a que: puede ser que no todos los productos reaccionen, que no se llegue al producto deseado y porque no se puede recuperar la muestra al 100%.

La cantidad que relaciona el rendimiento real con el teórico se denomina rendimiento porcentual o porcentaje de rendimiento y se calcula de la siguiente manera:

 Desarrollo

Experimento I

Despues de enbonar el globo con el alka seltzer al matraz con 10ml de agua y 6.2ml de acido clorhídrico este se inflo

Cantidad	Material	Cantidad	Material
1	Matraz Erlenmeyer	1	Acido clorhídrico 0.1
1	Termómetro	1	Globo
1	Pipeta 2ml	1	Tableta alka seltzer

Procedimiento experimental

Coloque 10ml de agua destilada en el matraz, adicione a éste 6.2ml de ácido clorhídrico. Por otra parte, parta en trozos pequeños ½ tableta de Alka-Seltzer (pesarla) e introdúzcalos dentro del globo.

 Embone muy bien la boca del globo a la del matraz, como se muestra en las figuras, asegurándose de que no caiga Alka-Seltzer dentro del recipiente. Determine el peso de todo el sistema.

Levante el globo y deje caer lentamente su contenido dentro del matraz y espere a que la reacción que se produce finalice. Agite el matraz cuidadosamente para asegurar una reacción completa.

Pese nuevamente el sistema y mida el diámetro del globo inflado.

Deje escapar el gas, pese de nuevo todo el sistema y tome la temperatura en el interior del matraz.

1. Corrija el peso del gas teniendo en cuenta el error por flotación.

W₁ = W₂ + W₂ ((d aire/ d gas) – (d aire / d pesa))

W2 es la masa aparente del gas.

d gas es la densidad del gas pesado.

dpesa es la densidad de las pesas estándar usadas = 8,0 g/cm³

d aire es la densidad del aire desplazado por el gas = 1,2X10^-3 g/cm³

W₁ = W₂ + W₂ ((d aire/ d gas) – (d aire / d pesa))

W1= 0.191523551 + 0.191523551 ((1,2X10^-3 g/cm³ / 1.98X10^-03) – (1,2X10^-3 g/cm³ / 8,0 g/cm³))

Peso del equipo
antes de la reacción

W1=  0.191523551 + 0.11604615

W1= 0.307569701 g

2. Escriba la ecuación correspondiente a la reacción química que se lleva a cabo en la experiencia

NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2

3. Halle el volumen de gas producido en el globo y con el volumen anterior halle el peso de gas suponiendo que este tiene un comportamiento ideal y compárelo con el hallado.

P.V = n .R .T

(P.V) / (R.T) = n

(288 mmHg . 0.1954321L) / ( 62,36367 L.mmhg/K.mol . 301K) = n

 n = 2.9984X10^-03

n= g/pm

g= n(pm)

g=  2.9984X10^-03(44)

g= 0.131929

4. Halle por diferencia de peso del sistema la cantidad de gas producido.

Reacción

Sistema con alkazeltzer                        Sistema sin alkazeltzer

39.0592g                                                38.9196

g = Sis con alka – sis sin alka

g = 0.1396

5. Halle el valor teórico y experimental de la densidad del gas a las condiciones de temperatura y presión del experimento.

Densidad teórica = 1.98kg/m³

Densidad experimental = m/v a 18 C y 288mmhg

Densidad  E= 0.1396/195.4321

Densidad E = 7.14331X10^-4

6. Halle experimentalmente el peso molecular del gas y compárelo con el que utilizó en los cálculos anteriores

Peso después de la reacción

Pm de CO_{2 =} 44 g/m

n= g/pm

pm = g/n

pm= 0.131929/2.9984X10^-03 

Pm= 43.99979

7. Calcule la eficiencia de la reacción con base en el embalaje que muestra la etiqueta.

Realice los cálculos con base en el bicarbonato de sodio.

Experimento  II

Cantidad	Material	Cantidad	Material
1	Soporte universal	1	Matraz kitasto
1	Probeta de 100ml	1	Tapon de hule
1	Pinza para sujetar	1	Recipiente de plástico
1	Manguera de hule	1	Jeringa 5 ml

Reactivos

Ácido clorhídrico 1 M. Preparar 50 ml considerar su densidad 1.16 g/mL a una pureza del 30% y Zinc metálico.

Procedimiento experimental

1.    Coloque 0.1 g de Zn metálico (granalla) en el matraz Kitasato, y tápelo con un tapón de hule

2.    Llene el recipiente de plástico con agua hasta las tres cuartas partes de su capacidad, aproximadamente.

3.    Lleno la probeta con agua hasta el ras o inviértala para sumergirla en el agua del recipiente de plástico. Utilice una pinza para apoyar la probeta y sujetarla al soporte universal.

4.    Inserte un tramo de manguera de hule el tubo de vidrio, acoplado al matraz Kitasato, e introduzca el otro extremo de la manguera a la probeta invertida.

5.    Introduzca la aguja en el tapón de forma que permita el ingreso del líquido, coloque 5 ml de ácido clorhídrico en la jeringa (precaución: el ácido clorhídrico genera gases tóxicos) inserte la jeringa a la aguja. Oprima el émbolo para añadir el ácido al zinc metálico. Espere a que la reacción finalice.

6.    Mida y anote el volumen de gas que se recolectó en la probeta.

a) Escriba la ecuación química que se lleva a cabo entre el zinc metálico y el ácido clorhídrico.

b) Indique mediante los cálculos necesarios cuál es el reactivo limitante y cuál es el reactivo en exceso.

c) Determine la masa teórica de hidrógeno que debería obtenerse en la reacción.

d) Determine la masa real de hidrógeno que se obtiene, Considere que el hidrógeno se comporta como un gas ideal.

e) Calcule el rendimiento porcentual del hidrógeno y el porcentaje de error.

Al comenzar la reacción en el matraz kitasato (previamente preparada con acido clorhidricoy zinc) se observo una especie de vapor gris, al mismo tiempo el agua contenida en la probeta comenzó a descender, los resultados finales fueron:

Montaje del equipo

-La probeta de 100ml se vació completamente, un resultado muy por encima del esperado, esto debido a que los cálculos fueron hechos bajo condiciones estándares de presión y temperatura, agregando además que no se tomó en cuenta que en conjunto con la reacción del acido clorhídrico y el zinc tambien estuvo involucrado  el “aire”, contenido dentro del matraz, que es una mezcla de otro gases tales como el O, N, CO2  y que pudieron alterar notablemente los resultados del experimento.

Volumen del gas	5.2364ml	Gas producido	100ml
Ecuación química	HCl + Zn = ZnCl + H
Reactivo limitante	Zinc	Reactivo en exceso	HCL
Masa teórica H2	6.09694x10-5	Masa real del H2
Rendimiento %		Porcentaje de error

HCL

Resultado de la reacción

Molaridad = .   #moles de soluto    .

                          Litros de disolución

# de moles de soluto = .       gramos       .

                                          Peso molecular

Molaridad = .                            gramos                             .

                          (peso molecular)(litros de solución)

Gramos = (molaridad)(peso molecular)(litros de solución)

Masa = (1M)(36.4609)(0.05ml) = 1.8223g

Procedimiento

Experimento III

Material

Cantidad	Material	Cantidad	Material
1	Vaso de precipitado de 500 mL.	1	Termo agitador
1	Vaso de precipitado de 250 mL.	1	Perilla de seguridad
1	Pipeta de 10 mL.	1	Espátula metálica
1	Pipeta de 5mL.	1	Termómetro
1	Matraz aforado de 50 mL.	1	Cápsula de porcelana

Procedimiento experimental

Comience por calentar aprox. 200 mL de agua destilada en un vaso de precipitado, la usará en los apartados 3) y 6). Cuando se requiera, deposite los residuos de reacción en los recipientes señalados para ello

1. Obtención de nitrato cúprico.

Pese aproximadamente 0,25 g de alambre de cobre con precisión de + 0,01 g y colóquelo en un vaso de precipitado de 250 mL. En la campana de extracción, añada 2.5 mL de HNO3 concentrado. Después de completarse la reacción terminada la emisión del gas café (¿qué espera observar?) añada 50 mL de agua destilada. Describa la reacción en términos de cambios de color, evolución de gas y cambio de temperatura (endotérmica o exotérmica). Conserve el producto en la campana.

2. Obtención de hidróxido cúprico.

Añada lentamente 15 mL de NaOH 3,0 M (preparar la solución 50 mL) a la solución obtenida en el vaso de precipitado, agite bien con la varilla de vidrio y describa lo que ocurre. ¿Qué apariencia tiene el producto?

3. Obtención de óxido cúprico.

Caliente la mezcla cuidadosamente, agitando con la varilla de vidrio, justo hasta el punto de ebullición. Describa los cambios que observa. Deje que el producto sedimente y decante el líquido sobrenadante. Agregue aprox. 100 mL de agua destilada muy caliente (previamente puesta a calentamiento), agite y deje que el sólido se deposite. Decante. ¿Qué se está eliminando con el lavado y la decantación?

4. Obtención de sulfato cúprico.

Al sólido obtenido, añada porciones de aprox. 2.5 mL de H2SO4 conc agitando continuamente, hasta obtener una solución homogénea. Agregue unos 2.5 mL adicionales. ¿Cuáles iones se encuentran en solución? ¿A qué se debe el color observado?

5. Obtención de cobre metálico.

Se le indicará si debe usar zinc o aluminio en el siguiente paso, la reducción de Cu (II).

a. Zinc

En la campana, añada a la solución polvo de zinc polvo en pequeñas porciones (punta de espátula), agitando la mezcla. Agregará zinc hasta que el sobrenadante sea incoloro (¿por qué?). Describa lo que observa. Cuando la evolución de gas sea muy lenta, caliente suavemente la mezcla (sin hervirla) y déjela enfriar. ¿Qué gas se desprende en esta reacción?

b. Aluminio

En la campana, añada a la solución unas gotas de HCl concentrado y pedazos de aprox. 2x2 cm de lámina de aluminio. Agite la mezcla. Continúe agregando aluminio hasta que se decolore la solución. Describa la reacción. ¿Cuáles iones están presentes en la solución? ¿Cuál es el gas que se desprende en esta reacción?

6. Tratamiento del precipitado

Cuando haya cesado la evolución de gas, decante el sobrenadante (liquido); lave el precipitado de cobre con aprox. 5 mL de agua destilada, permita que sedimente, decante una vez mas la solución y repita el proceso dos veces más. ¿Qué está eliminando con el lavado y la decantación?

Con el agua destilada de la piseta y la varilla de vidrio, transfiera el precipitado a una cápsula de porcelana previamente pesada; decante cuidadosamente el exceso de agua en la cápsula.

Agregue al precipitado aprox. 5 mL de acetona, agite. (MANTENGA LA ACETONA ALEJADA DE LLAMAS, ES MUY INFLAMABLE). Permita que el precipitado sedimente; decante la acetona. (¿Para qué se usa acetona en este paso?)

Prepare un baño de vapor como el que se muestra en la figura (I) y seque el producto en la cápsula por lo menos durante 5 min.

Retire el Vaso de precipitado del baño y seque el fondo de la cápsula de porcelana con una toalla absorbente; pese la cápsula de porcelana con su contenido. ¿De qué color es el sólido obtenido? ¿Es su apariencia uniforme?

Cálculos

Reactivos	Productos	Tipo de reacción
1.  4HNO3 + Cu	Cu(NO3)2+ 2NO2(g) + 2H2O	Descomposición
2. Cu(NO3)2 + 2 NaOH	2 Na(NO3) + Cu(OH)2	Doble sustitución
3. Cu(OH)2 + calor	2CuO + H2O	Descomposición
4. CuO + H2SO4	CuSO4 + H20	Doble sustitución
5. CuSO4 + Zn	Cu + ZnSO4	Simple sustitución

Porcentaje de recuperación de Cu:

% de recuperación= Peso después de los productos/ peso antes de los productos *100

Peso de la cápsula y el cobre al final
de las reacciones

Peso inicial del producto: 0.25gr.

Peso inicial del recipiente sin producto: 63.9821 gr.

Peso final del recipiente con el producto: 64.1932 gr.

Peso del producto: 0.211 gr.

% de recuperación: 0.221/0.25*100 = 84.4 %

% de error= valor teórico-valor experimental/valor experimental*100

Valor teórico: 0.25

Valor experimental: 0.211

% de error= 0.25-0.211/0.211*100 = 18.42%

Resultados

Reacción 1:

Reacción 1

El cobre se convirtió en nitrato de cobre, un líquido de color azul con burbujas alrededor de éste. También se obtuvo agua y dióxido de nitrógeno en gas que al combinarse con el oxígeno se tornó color naranja. Las posibles pérdidas de materia se presentan en estado gaseoso las cuáles se eliminan en la campana de extracción.

REDOX:

Reducción: 4HNO3  + 2e- = 2NO2 +  2H2O + 2NO3 – 

Oxidación: Cu - 2e  = Cu2+

Reacción: 4HNO3      +Cu      = Cu(NO3)2 + NO2 (g) + 2H2O

Reacción 2

Reacción 2:

Al agregar hidróxido de sodio al nitrato cúprico, la mezcla se torna en dos fases, una aparentemente líquida que es nitrato de sodio, es de un color azul más claro que el del hidróxido cúprico que se encuentra en estado sólido como material sobrenadante. Debido a que se manejan dos bases, no se considera reacción REDOX.

Reacción 3

Reacción 3:

Al calentar el hidróxido cúprico, este se oxidó formando óxido cúprico y agua, el óxido de cobre se encuentra en estado sólido y cambio de color azul a café opaco, y el agua en forma condensada. Debido a que no hay ganancia ni pérdida de electrones, no se considera como 

reacción REDOX.

Reacción 4

Reacción 4:

Al añadir ácido sulfúrico al óxido cúprico, se obtiene sulfato de cobre en estado sólido de un color azul y existió un desprendimiento de agua condensada. Debido a que no existe pérdida de electrones, no se considera como reacción REDOX.

Reacción 5:

Reacción 5

Al adicionar zinc en estado sólido al sulfato de cobre en estado líquido, el zinc cambia su estado de oxidación desde 0 a 2+, es decir pierde electrones que el cobre gana, pasando su estado de oxidación de 2+ a 0, es decir se reduce. Formando sulfato de zinc incoloro en estado líquido más cobre puro en estado sólido.

REDOX:

Oxidante: Zn -2e= Zn (2+)

Reductor: Cu(2+) + 2e = Cu

Reacción: CuSO₄ + Zn à Cu + ZnSO₄

Cobre

Cobre obtenido

Cuestionario

1.    El sulfato de cobre (II) penta-hidratado pierde el agua de hidratación al calentarse por encima de 100ºC. ¿Cuántos gramos de sulfato de cobre (II) se obtienen al calentar 10.5 g de la sal hidratada?


Sulfato de cobre II penta-hidratado:     

CuSO₄ · 5H₂O à  CuSO_{4   +} 5H₂O

CuSO₄· 5H₂O ₌  249 g   

CuSO₄₌  159.5g

H₂O=18 g

  

2. Escriba y balancee cada ecuación; indique el estado de oxidación de cada elemento; diga a qué clase de reacción química pertenece:

Reactivos	Productos	Tipo de reacción
Hidróxido Ferroso + Peróxido de hidrógeno Fe(OH)2 + H2O2	FeO2 + 2H2O	Sustitución Simple
Plomo + Ácido sulfúrico Pb + H2SO4	PbSO4 + H2	Sustitución Simple
Amoniaco + Óxido cuproso NH3 + Cu2O	[Cu(NH3)]2 + O2	Sustitución Simple
Óxido de nitrógeno V 2N2O5	4NO2 + O2	Descomposición
Hidróxido de magnesio + cloruro de amonio Mg (OH)2 + 2 (NH4)Cl	MgCl2 + 4NH4 OH	Sustitución Doble

* (Reacciones químicas, 2013)

3. Para preparar fosfato de bario, se combinan 3.50 g fosfato de sodio con 6.40g de nitrato de bario.

a) Calcule la cantidad de fosfato de bario que se puede obtener.


b) Calcule el porcentaje de rendimiento, si se obtuvieron 4.70 g del producto.


2Na₃PO₄ + 3Ba(NO₃)₂ à Ba₃(PO₄)₂ + 6NaNO₃

Na₃PO₄= 164 g

Ba(NO₃)₂ = 261 g

Ba₃(PO₄)₂ = 601 g

  

Rendimiento:             

(Rendimiento Real / Rendimiento teórico) *100

(4.7g / 4.9g) *100 = 95.9%

4. Una muestra de 12.6 g de cobre al 95% se hace reaccionar con exceso de ácido nítrico. ¿Cuántos gramos de nitrato de cobre (II) se pueden obtener si la eficiencia del procedimiento es de 98%?


Cu + 2HNO₃ à Cu(NO₃)₂ + H₂

35.4g –100%                                                                                                34.65g Cu(NO₃)₂

34.63g – 98%

5. Se trataron 7.00 g de una muestra X para analizar su contenido de cobre; con ese procedimiento, la obtención de cobre tiene un rendimiento del 98,5 %.La masa del producto obtenido fue de 6.35 g, pero se demostró que tenía 1,00%de impurezas. ¿Cuál es el porcentaje de cobre de la muestra X?

6.35g – 100%             6.35-0.6035= 6.285 g 

0.6035 – 1%

6.2865 – 100%           6.16g de Cu en la muestra X

6.160 – 98%

7g – 100%

6.16 – x

Conclusión

Los experimentos se realizaron satisfactoriamente, se comprobó la conservación de la materia y también que un reactivo puede limitar la reacción haciendo que mientras uno se consume completamente el otro tenga un sobrante, también vimos la importancia del entorno y la influencia que este ejerce en la realización del experimento alterando en gran forma los resultados. 

Referencias

Reacciones Químicas. (n.d.). Escuela Americana . Retrieved February 19, 2013, from http://www.amschool.edu.sv/paes/science/reacciones.htm

Payala, P. A. (n.d.). Balanceo de ecuaciones químicas. Universidad de Sonora. Recuperado en Febrero 19, 2013, de: http://payala.mayo.uson.mx/QOnline/BALANCEO_DE_ECUACIONES_QUIMICAS.html

Estequiometría (n.d.) Profesor en línea. Recuperado en Febrero 19,  2013 de:

http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/Estequiometria.html