Reactivos Limitantes y en Exceso: Fórmula, pasos y ejemplo

Exceso de reactivo

Considere ir de compras para comprar una comida que deba prepararse para la cena. Siempre sobrarán algunos ingredientes y otros se consumirán totalmente una vez creado el plato, por muy bien planificado que esté. Esta situación se puede comparar con los procesos químicos que ocurren a nuestro alrededor. Cuando se permite que los reactivos reaccionen para generar productos, algunos reactivos se consumirán por completo mientras que otros quedarán atrás una vez completada la reacción. Los reactivos sobrantes se denominan reactivos en exceso ya que exceden lo necesario. Como resultado, un exceso de reactivo se puede definir como una sustancia química que no se consume totalmente en la reacción.

Otra analogía de esto puede ser la de un trabajador que arma bicicletas en una fábrica. Deben colocar dos ruedas en el cuadro de una bicicleta para hacer una bicicleta adecuada. El proceso de fabricación de una bicicleta se puede expresar como una ecuación química:

{eq}2W + F \rightarrow B_2F{/eq}

dónde:

{eq}W \: =\: rueda \\ F \: = \: cuadro\\ B_{2}F\: =\: bicicleta {/eq}

¿Cuántas bicicletas se pueden construir si hay 20 ruedas y 11 cuadros? Sólo diez porque, a pesar de que son 11 cuadros, no quedan ruedas para colocar en el último. El concepto de reactivo en exceso se refiere a este marco extra, que está en excedente.

Reactivos limitantes y en exceso

En el ejemplo anterior de montaje de una bicicleta, se puede ver que si bien sobró un cuadro, todas las ruedas se agotaron en el proceso. Como resultado, el número (o cantidad) de ruedas determinaba cuántos productos finales (bicicletas) podían fabricarse, es decir, las ruedas fijaban el límite. Como resultado, los reactivos limitantes son aquellos que limitan la cantidad de otros reactivos que pueden combinarse y el número final de productos que pueden generarse en un proceso químico. En una reacción química, los reactivos limitantes terminan antes que los demás reactivos.

Cómo encontrar el exceso de reactivo

Suponga una reacción que comienza con 10 moles de gas hidrógeno ({eq}H_{2} {/eq}) y 7 moles de oxígeno gaseoso ({eq}O_{2} {/eq}). Los coeficientes de una ecuación balanceada para la formación de agua, {eq}2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O {/eq}, revelan que un mol de {eq}H_{2} {/eq} y medio mol de {eq}O_{ Se gastan 2} {/eq} por cada mol de agua producida. En este ejemplo, 5 moles de {eq}O_{2} {/eq} reaccionarán con 10 moles de {eq}H_{2} {/eq} para producir 10 moles de agua. Como hay 7 moles de {eq}O_{2} {/eq} disponibles cuando comienza la reacción pero solo se consumen 5, quedan 2 moles de {eq}O_{2} {/eq}. Pongamos esto en una tabla para que sea más fácil de entender (Figura 1)

	2H 2	o 2	2H2O​​
Al inicio de la reacción.	10 moles	7 moles	0 moles
Cambio general durante la reacción.	– 10 moles	– 5 moles	+ 10 moles
Al final de la reacción	0 moles	2 moles	10 moles

Figura 1: Una tabla que muestra el cambio en moles durante el transcurso de una reacción química.

La tercera fila de la tabla se refiere a la cantidad consumida (mostrada mediante los signos menos) o formada (mostrada mediante los signos más). Debido a que se ha utilizado todo el {eq}H_{2} {/eq}, en este ejemplo es el reactivo limitante; sin embargo, queda algo de {eq}O_{2} {/eq}, lo que lo convierte en el reactivo en exceso.

En resumen, la Figura 2 muestra los pasos para encontrar reactivos limitantes y en exceso.

Paso 1	Escribe una reacción balanceada del proceso para establecer los coeficientes.
Paso 2	Igualar los coeficientes de los reactivos como razones para encontrar el reactivo limitante.
Paso 3	Identifique el reactivo que se consumirá por completo; este es el reactivo limitante.
Etapa 4	Identificar el reactivo que quedará; este es el reactivo en exceso.

Figura 2: Pasos para determinar el reactivo limitante y en exceso en una reacción química.

Cómo encontrar el reactivo limitante

La Figura 2 muestra claramente que es imposible determinar el reactivo en exceso sin determinar primero el reactivo limitante. Esto se debe a que sólo cuando uno de los reactivos se ha agotado se puede afirmar que el otro está en exceso. Las siguientes secciones analizan problemas de ejemplo específicos para determinar el reactivo limitante.

Identificar el reactivo limitante

Cuando la cantidad del material se da en moles, se puede utilizar el método de la figura 2 para identificar el reactivo limitante. La siguiente ecuación describe una reacción entre cuarzo (dióxido de silicio) y fluoruro de hidrógeno.

{eq}SiF_4 (g) + 2 H_2O \rightarrow SiO_2 (s) + 4HF(g) {/eq}

¿Cuál de los reactivos será el reactivo limitante si se hacen reaccionar 4,5 moles del mismo con 6,0 moles de HF? Para comenzar, escriba la ecuación balanceada para esta reacción, que ya se proporcionó en este caso.

Paso 1: Escribe la ecuación balanceada.

{eq}SiF_4 (g) + 2 H_2O \rightarrow SiO_2 (s) + 4HF(g) {/eq}

Paso 2: equiparar los coeficientes de los reactivos como proporciones para encontrar el reactivo limitante.

{eq}SiO_{2}(s): 4HF(g) {/eq} (esto significa que se necesitan 4 moles de HF para consumir completamente 1 mol de {eq}SiO_{2} {/eq})

Paso 3: Identificar el reactivo que se consumirá por completo; este es el reactivo limitante.

Deben estar presentes 18,0 (4* 4,5) moles de HF para que 4,5 moles de {eq}SiO_{2} {/eq} reaccionen completamente. Sin embargo, en la pregunta se puede ver que solo hay 6,0 moles de HF presentes, lo que convierte al HF en el reactivo limitante.

Paso 4: Identificar el reactivo que quedará; este es el exceso de reactivo.

Debido a que HF es el reactivo limitante, {eq}SiO_{2} {/eq} debe ser el reactivo en exceso.

Limitación de los pasos de cálculo del reactivo

Los moles de los reactivos se proporcionaron en el problema de ejemplo anterior. Sin embargo, cuando se realizan este tipo de reacciones en la vida real, los reactivos suelen medirse en gramos. En tales circunstancias, se requiere un paso adicional, a saber, convertir gramos a moles usando la ecuación (en la lista de pasos se muestra como paso 0). Los moles se definen como masa (gramos) dividida por masa molar (g/mol), es decir

{eq}Moles = Masa \ (gramos)\div Molar \ masa \ (g/mol) {/eq}

Si se quiere encontrar el reactivo limitante cuando 150 g de {eq}H_{2} {/eq} y 1500 g de {eq}O_{2} {/eq} reaccionan para producir electricidad en una pila de combustible de hidrógeno, se debe Primero convierta la masa de gramos a moles y luego establezca las relaciones molares.

Paso 0: convertir gramos a moles

Moles {eq}H_{2} \: = \: (150\: g \: H_{2}) * (1 \: mol\: H_{2}/ 2.02 \: g \: H_{2}) = 74 \: moles\: H_{2} {/eq} (aquí, 2,02 es la masa molar de {eq}H_{2} {/eq})

{eq}Moles\: O_{2}\: = (1500 \: g \: O_{2}) * (1 \: mol\: O_{2}/ 32.0 \: g \: O_{2}) \: =\: 47 \: moles \: O_{2} {/eq} (aquí, 32,0 es la masa molar de {eq}O_{2} {/eq})

Paso 1: escribe la ecuación balanceada

{eq}2H_2(g) + O2(g)\rightarrow 2H_2O(g) {/eq}

Paso 2: equiparar los coeficientes de los reactivos como proporciones para encontrar el reactivo limitante

{eq}2H_{2}: O_{2} {/eq}

Los coeficientes de la ecuación balanceada muestran que la reacción requiere 2 moles de {eq}H_{2} {/eq} por cada 1 mol de {eq}O_{2} {/eq}. Como resultado, se necesitan 2 * 47 = 94 moles de {eq}H_{2} {/eq} para reaccionar completamente con todos los {eq}O_{2} {/eq}. Debido a que solo hay 74 moles de {eq}H_{2} {/eq}, todos los {eq}O_{2} {/eq} no pueden reaccionar, dejando {eq}H_{2} {/eq} como reactivo limitante.

Saltaremos el paso 3 por ahora.

Paso 4: Identificar el reactivo que quedará; este es el exceso de reactivo.

Una vez que se ha establecido {eq}H_{2} {/eq} como reactivo limitante, es seguro asumir que {eq}O_{2} {/eq} es el reactivo en exceso.

Fórmula de reactivo en exceso

Para determinar el reactivo en exceso, primero determine el reactivo limitante, como se explicó en la sección anterior. Se pueden realizar dos cálculos más una vez que se haya identificado el reactivo limitante.

Paso 5: Calcula la cantidad de producto que se ha generado.

Paso 6: Determine cuánto exceso de reactivo queda.

Utilizando el mismo problema de muestra que antes, el siguiente paso es determinar cuánto producto se generó. Debido a que {eq}H_{2} {/eq} es el reactivo limitante y determina la cantidad de producto generado, este cálculo se realiza en referencia a él. Se puede utilizar una tabla similar a la utilizada en la figura 1 para visualizar el flujo de cálculos.

Cantidad	2H 2	o 2	2H2O​​
Al inicio de la reacción.	74 moles	47 moles	0 moles
Cambio general durante la reacción.	– 74 moles	– (74/2) moles	+ 74 moles
Al final de la reacción	0 moles	37 moles	74 moles
En gramos (Masa = moles * masa molar)	0 gramos	37* 32 = 1184 gramos	74 *18 = 1332 gramos
Exceso de reactivo sobrante	–	1500 – 1184 = 316 gramos	–

Ejemplo de exceso de reactivo

Alternativamente, la cantidad del producto creado y los reactivos residuales también se pueden calcular mediante fórmulas directas de la siguiente manera.

Paso alternativo 5: Calcular la cantidad de producto que se ha generado.

Producto en gramos = moles de reactivo limitante * (relación molar de producto/reactivo limitante) * masa molar del producto

{eq}gramos\: H_{2}O\: = \: (74) * (2/2)* (18,0) = 1332 \: g {/eq}

Paso alternativo 6: determinar cuánto exceso de reactivo queda

Exceso de reactivo consumido en gramos = moles de reactivo limitante * (relación molar de reactivo en exceso/reactivo limitante) * masa molar del reactivo en exceso

{eq}gramos\: O_{2} \: usado \: arriba \: = (74)* (1/2)* (32.0) = 1184 \: g\\ gramos\: O_{2} \: izquierda\: = 1500 – 1184 = 316 \: g {/eq}

Vale la pena señalar que antes de calcular la cantidad de excedente residual, primero se debe determinar la cantidad utilizada. Luego, esta cantidad se deduce de la cantidad inicial.

Resumen de la lección

En resumen, no todos los reactivos se consumen por completo en un proceso químico. Algunos reactivos sobran y se denominan reactivos en exceso, mientras que otros se consumen por completo y se denominan reactivos limitantes. Los reactivos limitantes gobiernan la cantidad de reactivo en exceso que se consumirá y la cantidad de producto que se generará cuando se detenga la reacción. Es posible detectar qué especie de reactivo es limitante y cuál es excesiva equiparando los moles de las especies de reactivo.

Para determinar cuánto reactivo en exceso está presente y cuánto producto se produce, primero se debe determinar cuánto reactivo limitante está presente. Esto se puede hacer convirtiendo primero gramos a moles (si es necesario) y luego igualando los coeficientes de la ecuación balanceada. Las relaciones molares ayudan a determinar qué reactivo es limitante y cuál está en exceso. El producto generado se puede determinar equiparando los moles del reactivo limitante y del producto o usando una fórmula directa; Producto en gramos = moles de reactivo limitante * (relación molar de producto/reactivo limitante) * masa molar del producto. La equiparación de los reactivos limitantes y en exceso también puede ayudar a determinar cuánto reactivo en exceso se agotó y cuánto quedó.