Práctica 6. “Reactivo limitante”

Objetivos.

Identificar el reactivo limitante en una reacción, de acuerdo a como se modifican los volúmenes de los reactivos.

Identificar el pH en una reacción de acuerdo a como se modifican los volúmenes de los reactivos.

Comprender el concepto de reactivo limitante e identificar las relaciones entre los reactivos y productos en una reacción.

Reactivo # tubo 0 1 2 3 4 5 6A (mL) 0.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0B (mL) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0H 2O (mL) 9.0 6.0 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0Altura del

precipitado (cm)0 0 1.1 2.2 1.4 1.7 2

Color de la disolución

Amarillo Amarillo Azul muy claro

Azul muy claro

Azul muy claro

Azul muy claro Azul cielo

pH de la mezcla Neutro Neutro Base débil Base débil Base débil Base débil Base débil

Reactivo # tubo 7 8 9 10 11A (mL) 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0B (mL) 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0H2O (mL) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.0

Altura del precipitado (cm)

3.2 3.8 3.6 4.4 3.4

Color de la disolución Azul fuerte Azul fuerte Azul fuerte Azul fuerte Azul fuertepH de la mezcla Base fuerte Base fuerte Base fuerte Base fuerte Base fuerte

6.- Anotar las observaciones que indiquen si se lleva a cabo una reacción.

El precipitado que aparece cuando se añade el reactivo B al tubo

El cambio del pH cuando se agrega el reactivo B dado así por el indicador universal añadido previamente.

7.- ¿En qué tubo de ensaye se observa un cambio de color significativo del indicador?

En el tubo 6, donde se alcanza el punto estequiométrico y ésta diferencia debería de estar mayormente marcada porque del tubo 1 al 6 se debió observar un pH neutro dentro de los tubos ya que, la primera sal (CaCl¿¿2)¿, que era neutra, hacía reaccionar todos los moles de la

segunda sal ¿¿), que era básica, y era la única que podría causarnos un pH con tendencia básica dentro de los tubos.

El error del carácter básico dentro de los primeros 6 tubos puede adjudicarse a que estaban sucios o se lavaron con jabón y éste reacciono también con el agua cambiando el carácter de pH.

8.- ¿A partir de qué tubo se observa que la altura del precipitado obtenido es constante?

A partir del tubo 6, del tubo 7 al 11.

9. ¿Coincide el cambio de color con la altura del precipitado obtenido?

En teoría a menor altura de precipitado el pH debería ser neutro ya que reacciona todo el (K ¿¿2CO3)¿ que es la sal básica y solo queda sal neutra (CaCl¿¿2)¿, esto hasta el tubo 6 que es donde reaccionan por completo ambos reactivos y nuestro pH es neutro, después de este tubo y hasta el tubo 11 el pH debe de ser básico ya que nos queda en exceso sal básica (K ¿¿2CO3)¿, experimentalmente no obtuvimos los pH neutros indicados en los tubos 2 al 6, esto se debió tal vez a los recipientes donde realizamos las reacciones o algún material usado que estuviera contaminado.

10.- ¿Por qué después de este tubo (cambio de color), el color y el pH de la disolución que se observa, se mantienen constante para mayores volúmenes de reactivo B agregado?

Porque el reactivo A se mantiene constante y después de ese tubo comienza a ser nuestro reactivo limitante, por lo tanto aunque nosotros agreguemos más del reactivo B los moles que reaccionaran con A serán las mismas.

¿Sucederá lo mismo con la masa del precipitado obtenido?

Sí porque las moles obtenidas serán las mismas dentro de estos tubos.

16.- Por diferencia calcular la masa del sólido obtenido en cada tubo de ensaye y registrar la información obtenida en la tabla 2.

Tubo # 1 2 3 4 5 6Masa del

precipitado (g)--------

-- 0.124 0.179 0.23 0.28 0.30

Tubo # 7 8 9 10 11Masa del

precipitado (g) 0.32 0.282 0.277 0.295 0.267

17.- ¿Sucedió lo mismo con la masa del precipitado obtenido? ¿A partir de qué tubo la masa del precipitado se mantiene aproximadamente constante?

Sí, Del tubo 6 al 11

18.- ¿Coincide con tus observaciones sobre el cambio de color?

Sí

Cuestionario

19.- Localizar en una gráfica de papel milimétrico (abarcando toda la hoja), los datos de masa de precipitado obtenido en gramos (ordenadas, eje “Y”) en función del volumen en mililitros, de reactivo B agregado (abscisas, eje “X”). Con base en las respuestas de la pregunta 7 y 18 dividir en dos los puntos obtenidos, empleando como punto de referencia el número de tubo en el que se observan los cambios significativos, identificar las dos rectas que describen la tendencia en cada caso y trazarlas sobre el papel.

0 1 2 3 4 5 6 70

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

f(x) = 0.109 xR² = 0.994810525571512

Masa del precipitado vs Volumen de B

Volumen de B (mL)

Se llama “línea 1” al segmento que describe el comportamiento de la gráfica en los primeros valores de volumen de reactivo B agregado y “línea 2” a los restantes. Tomando en cuenta esta consideración, responder las siguientes preguntas:

20.- ¿Qué relación se observa entre el volumen de reactivo B agregado y la masa de precipitado (sólido) obtenido en la “línea 1”? Describir de qué forma varía.

A mayor cantidad de reactivo B que agreguemos, habrá una mayor cantidad de precipitado, son directamente proporcionales.

21.- ¿Qué valor de masa de sólido se obtiene para la ordenada al origen (volumen cero de reactivo B agregado)?

Teóricamente debería ser cero ya que al no agregar reactivo B no hay reacción, por tanto no precipita nada, aunque realizando la regresión lineal en la calculadora obtenemos un valor negativo en nuestra ordenada al origen.

22.- ¿Se justificaría qué éste valor sea diferente de cero? Explicar porque

Como se dice en la pregunta anterior el valor en la calculadora es diferente de cero, esto no tiene sentido físico aunque matemáticamente hablando por el ajuste de nuestros valores es ese el valor que en teoría debería haber de precipitado, que aunque sabemos que es imposible, no existen masas negativas.

23.- ¿En qué valor de volumen de reactivo B agregado se observa un cambio de pendiente? Localizar el punto de intersección de la “línea 1” con la “línea 2” y dar sus coordenadas.

Este punto de intersecación* se dado para el volumen del reactivo B en (3 ml) que de acuerdo a nuestras tablas es donde la reacción alcanza la estequiometría y a partir de este punto la masa de nuestro precipitado será constante, por tanto hay un cambio en la pendiente, las coordenadas de este punto son: (3, 0.3)

24.- ¿Qué relación hay entre el punto de intersección encontrado en la gráfica y el cambio de color del indicador?

Teóricamente podemos afirmar que después de este punto el pH será básico (color azul) ya que el reactivo que queda en exceso es una sal básica, antes de ese punto el pH debería ser neutro, ya que o bien el reactivo en exceso es neutro o bien ambos reactivos se consumen por completo y por tanto el pH permanece neutro ya que nuestros productos son neutros.

25.- ¿Qué relación se observa entre el volumen de reactivo B agregado y la masa del precipitado obtenida en la “línea2”?. Describir de qué forma varía

En la línea 2 podemos observar que la masa se mantiene más o menos constante, y sabemos que teóricamente esta debería mantenerse constante ya que nuestro reactivo limitante es el A y aunque agreguemos más de B no se formara más precipitado una vez acabado ese reactivo, por lo que permanece constante.

26.- ¿Qué valor de masa de sólido (precipitado) se obtiene en promedio para éste segmento de la gráfica?

En promedio se obtienen 0.3 g, los resultados son muy cercanos a este valor.

27.- ¿Por qué los cambios de masa en la línea 2” no son tan significativos que los observados en la “línea 1”?

Porque en esta parte ya no hay más reacción después de que se termina el reactivo A, el precipitado se mantiene constante, las pequeñas variaciones observadas son posibles errores al momento de extraer el precipitado o al momento de filtrarlo, aunque teóricamente debe ser el mismo.

28.- ¿Cuál de los reactivos (A o B) es el que impide que se forme más sólido en los tubos que comprenden la “línea 2”?

El reactivo A

29.- ¿Por qué?

Porque este es el reactivo limitante en esta área de la gráfica, entonces una vez que se acaba, ya no habrá reacción, y por tanto ya no se producirá mas precipitado.

30.- Con los datos experimentales de masa y sólido obtenido, calcular el número de mol de los reactivos empleados en cada tubo y el número de mol de sólido obtenido en cada caso. Colocar los valores en la tabla 3.

Tabla 3.

CaCl2 (ac )+K 2CO3 (ac )→CaCO3+2KCl(ac)Sólido obtenido, CaCO3 100.08

g/mol

Tubo # Reactivo A, CaCl2 (cantidad en mol)

Reactivo B, K 2CO3 (cantidad en mol)

Masa (gramos) del sólido obtenido

Cantidad (mol) del sólido obtenido.

1 0.003 0 0 02 0.003 0.001 0.124 0.001243 0.003 0.0015 0.179 0.001794 0.003 0.002 0.23 0.00235 0.003 0.0025 0.28 0.00286 0.003 0.003 0.3 0.0037 0.003 0.0035 0.32 0.00328 0.003 0.004 0.282 0.002829 0.003 0.0045 0.277 0.00277

10 0.003 0.005 0.295 0.0029511 0.003 0.006 0.267 0.00267

3mL solución×( 1molCaCl21000mL solución )=0.003molCaCl2

1mLsolución×( 1mol K2CO3

1000mLsolución )=0.001mol K2CO3

0.124 gCaCO3×( 1molCaCO3

1000 gCaCO3 )=0.00124molCaCO331. Trazar la gráfica: mol de precipitado obtenido (ordenadas, eje Y) en función de la cantidad en mol de reactivo B agregado (abscisas, eje X).

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.0070

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035

f(x) = − 0.154324324324324 x + 0.00359189189189189R² = 0.52740716536503

f(x) = 1.02428571428571 x + 0.000147857142857142R² = 0.983062884862726

Masa del precipitado vs Volumen de B

Reactivo B utilizado (mol)

Prec

ipita

do o

bten

ido

(mol

)

32. ¿Cómo se explica que esta gráfica conserve la misma forma que la anterior?

Esta gráfica conserva la misma forma porque conserva las mismas relaciones que en la gráfica anterior, solo que en esta gráfica las relaciones son con (mol), es decir, la reacción es la misma tanto en (mL – g) como en (mol), reaccionan de igual manera.

33. Estimar el valor de la pendiente en los puntos que comprenden el equivalente a la “línea 1” de la gráfica anterior (los puntos iniciales) ¿qué valor se obtiene?

1.0243 es el valor que Excel nos arroja para la pendiente en la “línea 1”.

34. Ajustar este valor al número entero más cercano y responder. ¿Por qué se obtiene este valor de pendiente y qué relación guarda con la ecuación balanceada de la reacción que se lleva a cabo?

Se obtendría el valor de uno, esto tiene mucho sentido ya que en la ecuación la relación es 1:1 es decir la relación es directamente proporcional, es decir por cada mol del reactivo A, reacciona una mol de reactivo B.

35. Estimar el valor de la pendiente en los puntos que comprenden el equivalente a la “línea 2” de la gráfica anterior (los puntos finales) ¿qué valor se obtiene?

-0.1543 es el valor que Excel nos arroja para la pendiente en la “línea 2”.

36. Ajustar este valor al número entero más cercano (incluido el cero) y responder. ¿Por qué se obtiene este valor de pendiente y qué información proporciona sobre la reacción que se lleva a cabo?

Se obtendría el valor de cero, esto tiene sentido ya que en esta parte de la gráfica se mantiene constante, es decir el precipitado ya no aumenta ya que la relación sigue siendo 1:1, es decir, por cada mol de reactivo A reaccionara una mol de reactivo B, pero al momento de que el reactivo se termina ya no habrá reacción por más reactivo B que se le agregue, por tanto el precipitado se mantendrá constante.

37. ¿Cuál es el número de mol promedio de precipitado que se obtiene en la parte correspondiente a la “línea 2”?

En promedio se obtienen 0.003 mol, los resultados son muy cercanos a este valor.

38. ¿Qué reactivo (A o B), determina la magnitud de este valor?

Reactivo A.

39. ¿Hay alguna relación entre este valor y el punto de intersección de las rectas que se observa en las gráficas trazadas? Explica brevemente.

Sí, el punto en donde se intersecan* las rectas es donde la reacción alcanza la estequiometría es decir donde reaccionan todas las moles de ambos reactivos, a partir de este aumentara el reactivo B pero el A se mantendrá constante entonces el precipitado se mantendrá constante a partir de aquí, por ello se da el cambio de la pendiente.

40. ¿Qué conclusión se obtiene al observar los valores correspondientes al número de moles de los reactivos A, B y precipitado, en el punto de intersección de las rectas?

Que las moles son las mismas tanto para el reactivo A, B y el precipitado, esto tiene lógica ya que en el punto de la estequiometría según la relación molar de la ecuación es 1:1, es decir reaccionaran todas las moles de A con todas las de B produciendo las mismas en el precipitado, esto por la relación molar.

41. ¿Qué especie limita la formación de CaCO3, en los primeros tubos que se prepararon?

Reactivo B (K 2CO3)

42. ¿Qué especie limita la formación de CaCO3, en los últimos tubos que se prepararon?

Reactivo A (CaCl2 ¿

43. ¿Cómo se define el concepto de “reactivo limitante”?

Es el reactivo que una reacción se termina primero, es decir reacciona todas las moles de este reactivo, limitando así la reacción, es decir que esta no pueda continuar ya que no hay más reactivo con el cual hacer reacción.

44. Considerando las propiedades ácido base de los reactivos empleados y la ecuación de la reacción balanceada, explicar el porqué de los valores de pH, antes y después del punto de intersección encontrado en la pregunta 24.

CaCl2(ac )+K2CO3(ac)→CaCO3(ac )↓+2KCl(ac )

Antes: Sabemos que el reactivo CaCl2es una sal neutra, en este caso es el que se encuentra en exceso antes del punto de estequiometría y que el reactivo K2CO3 es una sal básica, sabemos que este es el reactivo limitante antes del punto de estequiometria, tomando en cuenta estos parámetros podemos inferir que el pH será neutro ya que al final de la reacción no queda sal básica, ya que esta reacciona por completo.

Después: Tomando en cuenta las relaciones anteriores sabemos que ahora el reactivo que queda en exceso es la sal básica K2CO3 y el reactivo limitante es la sal neutra CaCl2, de acuerdo a estos parámetros podemos inferir que el pH será básico ya que esta sal será la que no reaccione por completo después del punto de estequiometría.

Cuestionario Adicional

Si la reacción que se lleva a cabo es la siguiente:

2KF(ac)+CaCl(ac )→CaF 2↓+2KCl(ac)

Reactivo A (1M )Reactivo B(1M )

45. ¿Cuál sería el valor de pendiente “m” para la “línea 1” en la gráfica: Cantidad en mol de CaF 2 = f (Cantidad en mol de reactivo B), para esta reacción?

Considerar que se emplean las mismas cantidades que se describen en la tabla 1.

La pendiente tiene el valor de 1 hasta la equivalencia de la reacción, ya que la relación entre las mol del cloruro y las mol del precipitado tienen una relación 1:1, entendiéndose también que son directamente proporcionales.

46. ¿En qué tubo se espera un cambio de pendiente para la gráfica anterior?

En el tubo 3 se espera ver un cambio en la pendiente, esto por la relación estequiométrica entre los reactivos, que es de 2 mol de A por cada mol de B, o bien. 2:1, esta relación se puede observar en ese tubo hay 3 ml de A y 1.5 de B (3/1.5 es 2/1, lo que resulta en la razón 2:1).

47. ¿Cuál sería la cantidad en mol de CaF2 que se espera obtener a partir de éste tubo en el experimento? Considerar que se emplean las mismas cantidades que se describen en la tabla 1.

A partir de ese punto se vuelve constante la cantidad de precipitado por más cantidad de B que se introduzca, ya que solo reaccionarán los 0.0015 mol mencionados en el tubo 3 (donde ocurre el equilibrio); como la relación dijimos era 1:1 entre B y el precipitado, se generan la misma cantidad de sustancia, es decir 0.0015 mol

Análisis de resultados

Se puede observar que, según lo esperado con la teoría, la cantidad de precipitado fue aumentando del tubo 1 al tubo 5 conforme se añadieron más mL de B, esto es porque el carbonato de calcio es el reactivo limitante en este intervalo (o sea que la cantidad de reactivo generado dependía de la cantidad de B); en el tubo número 6, nos encontramos con la equivalencia en la reacción, donde ambos reactivos se comportan como el limitante, donde también se genera la misma cantidad mol de productos que de reactivos. A partir de este punto, del tubo 7 en adelante, las moles de A son menores que las de B, por lo que el cloruro de calcio se convierte en el reactivo limitante de la reacción; en estos tubos, la cantidad de precipitado varió poco, pues se obtuvo por medio de los cálculos que, al ser constante la cantidad de reactivo limitante, la cantidad en mol de los productos generados es la misma.

El indicador universal se usó para poder cerciorarnos de dichas relaciones, esto entendiendo antes que el cloruro es una sal neutra y el carbonato de potasio es una sal de carácter básico, por lo que al principio se debía observar un pH neutro (ya sea amarillo o un poco verde), después, a partir del tubo 6 se esperaba ver un tono azul constante, pues el indicador nos mostraría el pH generado por el potasio que se convierte en reactivo en exceso. Sin embargo, en todos los tubos excluyendo al 1, se observó un color azul más intenso conforme más sal de carbonato se agregase, esto puede ser que ocurra porque no se dejó reposar el tiempo suficiente, o bien, que en los tubos se encontraba un contaminante que, pudiendo no participar en la reacción pudo modificar fácilmente el pH de nuestras muestras.

El otro camino y el que mejor resultado nos dio fue al filtrar el precipitado y dejarlo secar, para poder pesarlo y observar que también la cantidad de masa debía variar conforme la relación dada por el número de mol, claro que, pudiera ser el caso de que no se filtró correctamente el carbonato de calcio o que el papel filtro no estaba realmente seco en el momento de registrar más masas, aun así los datos obtenidos variaron de una forma aceptable tanto en la primer como en el segunda parte del experimento (observable la gráfica de Masa de precipitado vs volumen de B)

Conclusión

A pesar de los errores y factores que no se consideraron a lo largo de esta práctica, se pudo apreciar y comprobar el concepto de reactivo limitante, pues fuimos capaces de generar resultados cercanos a los obtenidos de forma teórica, donde al variar un reactivo y mantener constante el otro, nos damos cuenta que el ser reactivo limitante o reactivo en exceso depende de la cantidad de sustancia y de la estequiometria de la reacción.

Conocer que reactivo limita la reacción de gran importancia, ya que nos permite conocer la cantidad de materia de productos que se generan en una reacción, dando más control a nuestros diseños experimentales y facilitando los cálculos estequiométricos que se puedan presentar.

Tratamiento de residuos

Mezclar todas las disoluciones filtradas de los tubos 1 al 12, neutralizar (pH entre 6 y 7) y desechar en la tarja, el sólido obtenido, se junta, se disuelve con la mínima cantidad de HCl concentrado se neutraliza y desecha en la tarja.

Bibliografía

Brown, Theodore L., Química. La ciencia central, Pearson, 12va. Edición, México 2014, 1064 pp. Chang, Raymond, et al. Química, McGraw-Hill, 11va. Edición, China 2013. 1107 pp. Dingrando, Laurel, et. al. Química. Materia y cambio. McGraw-Hill, Primera edición. México

2010, 976 pp.