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El porcentaje de rendimiento, también llamado rendimiento porcentual, es una relación que nos indica qué cantidad de un producto de una reacción química se obtiene realmente al llevar a cabo dicha reacción por cada 100 partes que se esperaba obtener del producto en base a los cálculos estequiométricos. Dicho de otra forma, corresponde al porcentaje de la cantidad de producto que se esperaba obtener de una reacción química que realmente se obtiene.
Por ejemplo, si el rendimiento porcentual de una reacción es del 85%, esto quiere decir que por cada 100 gramos (o moles o toneladas métricas o miligramos, etc.) de producto que se esperaba obtener, en realidad se obtuvo, experimentalmente, solo 85 gramos (o moles, toneladas métricas, miligramos, u otros).
Por razones lógicas y por la ley de la conservación de la materia que indica que esta no se puede crear ni destruir sino solo transformar, el porcentaje de rendimiento nunca puede ser mayor que 100%. Si esto no fuera así, un rendimiento porcentual superior al 100% indicaría que se está obteniendo más producto del que es posible a partir de las cantidades de reactantes presentes. Esto sería equivalente a pretender obtener dos o más tortas teniendo los ingredientes para hacer solo una.
Fórmula del rendimiento porcentual
La fórmula del porcentaje de rendimiento (el cual se denota por %R) tiene la misa forma de cualquier otro porcentaje:
donde %R es el porcentaje de rendimiento, RR se refiere al rendimiento real y RT corresponde al rendimiento teórico.
En esta fórmula, ambos rendimientos de la fracción pueden indicarse en cualquier unidad que represente de alguna manera la cantidad de producto obtenido o que se esperaría obtener. La única condición es que ambas estén en las mismas unidades y que traten acerca de la misma sustancia. Por ejemplo, el rendimiento podría corresponder a la masa de un producto determinado, a su número de moles, a su volumen, etc.
Otro aspecto importante a notar es el hecho de que no necesariamente se debe calcular a partir de cantidades producidas de un producto. También se pueden calcular los rendimientos porcentuales a partir de las cantidades consumidas de un reactante que se consumieron durante la reacción.
Rendimiento teórico y experimental, ¿por qué difieren?
Siempre que mezclamos dos o más reactivos para llevar a cabo una reacción química podemos calcular por simple estequiometría la cantidad de producto que deberíamos obtener a partir de las cantidades conocidas de los reactantes que añadimos. Como esta cantidad de producto (a la cual se le denomina rendimiento) se calcula a partir de las proporciones estequiométricas de la reacción química, se le denomina rendimiento teórico.
Por otro lado, la cantidad de producto que realmente obtenemos cuando mezclamos las cantidades de reactivos y llevamos a cabo la reacción química, es lo que se conoce como rendimiento experimental, rendimiento práctico o rendimiento real.
En el caso ideal, obtendríamos exactamente la misma cantidad de producto que la que calculamos por estequiometría. En este caso, el rendimiento porcentual sería del 100%. Sin embargo, existe una gran variedad de factores que hace que el rendimiento experimental nunca sea igual al teórico. Algunos de estos factores son:
- Errores experimentales de medida tanto en las cantidades de reactivos mezclados como en el pesaje o la determinación de la cantidad de producto obtenido.
- La presencia de impurezas en los reactivos.
- La presencia de equilibrios químicos que evitan que la reacción progrese hasta completarse debido a que parte de los productos re vuelven a convertir en reactantes.
- La velocidad de reacción. Si la reacción es muy lenta y la detenemos antes de tiempo obtendremos menos producto del esperado.
- Pérdidas de reactivos y de productos durante los procesos de transferencia de las sustancias desde un recipiente a otro.
- La ocurrencia de reacciones químicas paralelas que comprometen parte de los reactivos, entre otras.
Muchos de estos factores se pueden controlar hasta cierto punto, pero la mayoría siempre estará presente.
Importancia del porcentaje de rendimiento
El rendimiento porcentual es un concepto esencial en la química ya que permite entender y comparar qué tan efectiva es una reacción química o una ruta sintética para producir un producto. Mientras mayor es el rendimiento, i.e. mientras más cercano esté al 100%, quiere decir que la reacción ha avanzado en mayor grado y que la mayor parte del producto se puedo recuperar y pesar.
Por otro lado, un rendimiento porcentual bajo indica que una buena parte de los reactivos que se hicieron reaccionar no se lograron transformar en el producto deseado. Esto tiene serias implicaciones desde el punto de vista económico ya que aumenta la cantidad de reactivos que se deben combinar para obtener una cantidad determinada de producto.
Ejemplos de cálculo de rendimiento porcentual
Ejemplo 1
Enunciado
Se mezclan cantidades adecuadas de ácido acético y etanol para sintetizar 20,00 kg de acetato de etilo. Al llevar a cabo la reacción, se obtuvieron 15,00 kg del acetato de etilo. Determine el porcentaje de rendimiento de la reacción.
Solución
Lo primero que se debe hacer en este caso es extraer los datos del enunciado. Como los 15,00 kg de acetato de etilo es la cantidad que realmente se obtiene, este corresponde al rendimiento real. Al mismo tiempo, la cantidad de acetato de etilo que se debería obtener, es decir, el rendimiento teórico, es de 20kg. Son esta información podemos aplicar la fórmula de porcentaje de rendimiento:
Respuesta
La reacción tiene un rendimiento porcentual del 75%.
Ejemplo 2
Enunciado
Se hacen reaccionar 100 moles de hidrógeno gaseoso con suficiente oxígeno para producir agua. La reacción involucrada es:
Al llevar a cabo la reacción química, se obtuvieron 900 g de agua. Determine el porcentaje de rendimiento de la reacción.
Solución
En este caso se proporciona el rendimiento experimental (el cual es 900 g de agua), pero no se proporciona el teórico. Sin embargo, sí conocemos la cantidad de uno de los reactantes que se utilizó para llevar a cabo la reacción (el hidrógeno), así que se puede calcular cuánta agua debería haberse obtenido utilizando un conjunto de relaciones estequiométricas:
Ahora que poseemos el rendimiento teórico, podemos calcular el porcentaje de rendimiento:
Respuesta:
La reacción tan solo tiene un rendimiento del 50%. Esto quiere decir que solo rinde la mitad de lo que podría rendir.
Referencias
- Brown, T. (2021). Química: La Ciencia Central (11ra ed.). Londres, Inglaterra: Pearson Education.
- Chang, R., Manzo, Á. R., López, P. S., & Herranz, Z. R. (2020). Química (10ma ed.). New York City, NY: MCGRAW-HILL.
- Flowers, P., Neth, E. J., Robinson, W. R., Theopold, K., & Langley, R. (2019). Chemistry: Atoms First 2e. Recuperado de https://openstax.org/books/chemistry-atoms-first-2e/pages/1-introduction
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