Supongamos la reacción de síntesis del explosivo trinitrotolueno a partir de tolueno (C7H8) y ácido nítrico (HNO3):
C7H8 + 3HNO3 → C7H5(NO2)3 + 3H2O
Como vemos en la reacción anterior (que está ajustada), para que reaccione completamente 1 mol de C7H8 se necesitan 3 moles de HNO3. Se dice que la relación que debe existir entre los moles de ambos reactivos para que (si la reacción es completa) no sobre ni falte de ninguno es 1 : 3.
Por lo tanto, si en el reactor hay 2 moles de tolueno necesitaremos 6 de nítrico (relación 2:6, que es equivalente a 1:3); si hay 3 de tolueno se requerirán 9 de nítrico (3:9, equivalente a 1:3), etc.
Pero si en el reactor hay solo medio mol de tolueno y 3 de nítrico, entonces necesitaríamos más tolueno (otro medio mol) para que ambos reactivos reacciones completamente entre sí y se agoten. Se dice entonces que el tolueno es el reactivo limitante porque, al agotarse, la reacción termina, aunque siga quedando nítrico en el reactor. Efectivamente, siguiendo la argumentación anterior, 0,5 moles de tolueno reaccionarán con 1,5 de nítrico (relación matemática 0,5:1,5, equivalente a 1:3) y sobrarán otros 1,5 de nítrico que se quedan en el medio de reacción sin reaccionar (se quedan mezclados con los productos de la reacción).
Pero si en el reactor tenemos 1 mol de tolueno y 2 de nítrico, en ese caso el reactivo limitante sería el nítrico, puesto que la relación existente es 1:2 y necesitamos que sea 1:3 para que la reacción se complete. Faltaría nítrico.
Un reactivo limitante es el primero que se agota en el transcurso de una reacción química. Se llama limitante porque, cuando se ha agotado, la reacción queda limitada, se detiene, ya que el otro reactivo, el que no es limitante, se queda sin moléculas con las que reaccionar. Es decir, el reactivo que no es limitante se queda en exceso. En un baile de tango, si hay menos mujeres que hombres, el reactivo limitante es la mujer porque quedarán hombres sin pareja. Y viceversa.
Un problema numérico
En los casos anteriores la identificación del reactivo limitante ha sido fácil. Veamos dos casos más complicados:
1) Tenemos en el reactor 27,5 moles de tolueno y 98,3 de nítrico. ¿Cuál es es el reactivo limitante?
(Antes de seguir leyendo, intente hacerlo usted.)
La relación de moles en este caso es:
27,5 : 98,3
En matemáticas, cualquier relación se puede transformar en otra equivalente multiplicando o dividiendo ambos términos de la relación por un mismo número. En estos casos, suele ser útil dividir ambos términos por uno de ellos de manera que uno de los términos de la relación equivalente que se obtiene sea 1. Dividiremos en este caso es 27,5. Si lo hacemos, la relación queda
1 : 3,57
Como en la reacción que estamos considerando la relación teórica de moles necesaria para que ni sobre ni falte ningún reactivo es 1: 3 y en este caso la relación obtenida es 1 : 3,57, está claro que hay más nítrico del necesario. Por lo tanto, el reactivo limitante es el tolueno.
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2) Supongamos que en el reactor hay ahora 0,00456 moles de tolueno y 0,00145 de nítrico. La relación de moles es, entonces:
0,00456 : 0,00145
Si dividimos por 0,00145 se transforma en:
3,14 : 1
Para poder comparar fácilmente esta relación con la teórica (1 : 3) es conveniente que tratemos de expresarla de modo que alguno de sus dos miembros sea igual que el mismo miembro en la relación teórica. Hay dos modos de hacerlo: o dividir ambos términos por 3,41 (y así el primero se convierte en 1) o multiplicar ambos por 3 (y así el segundo se convierte en 3). Los resultados serían:
1 : 0,29
10,2 : 3
De la primera relación se concluye que tenemos 1 mol de tolueno por cada 0,29 de nítrico. Como teóricamente se necesitan 3 de nítrico por cada mol de tolueno, está claro que falta nítrico; es el reactivo limitante en este caso. La misma conclusión, obviamente, se obtiene de la segunda relación: para 3 moles de nítrico necesitamos teóricamente 1 de tolueno. Sin embargo, en este caso tenemos 3 moles de nítrico y 10,2 de tolueno. Es decir, sobra tolueno. Por tanto, el nítrico es el limitante.
Una regla
Visto esto, hay que memorizar una regla: los cálculos estequiométricos hay que hacerlos siempre con los datos del reactivo limitante.
Mil gracias, he estado buscando por varias páginas para ver si me podían aclarar lo de los reactivos y nada, hasta que llegué hasta esta. Está super claro y muy bien explicado.
Me ha servido muchísiimo.