Reacciones acopladas

[Estequiometria] Sección 4. Conceptos clave. [Estequiometría de pureza] [Reacciones acopladas] Otros conceptos. [Grado de los reactivos] [Reacciones acopladas biológicas]

La estequiometría de reacciones encadenadas no presenta una gran complejidad desde el punto de vista de los cálculos en sí. Sin embargo, es fundamental resaltar que la estrategia más eficaz no se basa únicamente en el uso de notación algebraica, sino en una correcta interpretación de la notación química. Cuando trabajamos con un sistema de reacciones acopladas, es más claro y eficiente pensar en términos de ecuaciones químicas secuenciales, ya que estas reflejan de forma directa la transformación progresiva de los reactivos en productos a través de intermediarios.

Este enfoque permite visualizar cómo los productos de una etapa se convierten en reactivos de la siguiente, facilitando así el seguimiento de las sustancias a lo largo del proceso. De este modo, se puede analizar con mayor precisión el consumo neto de reactivos y la formación acumulada de productos finales. Además, la notación química proporciona un marco más intuitivo para identificar las relaciones molares clave y aplicar las leyes de conservación de la masa de manera sistemática.

Por lo tanto, aunque los cálculos algebraicos siguen siendo necesarios, el uso prioritario de la notación química garantiza una interpretación más robusta, especialmente en entornos industriales donde se requiere controlar con detalle la conversión de materia en cada etapa.

No obstante, el verdadero desafío en las reacciones encadenadas radica en calcular el rendimiento neto del proceso global. Surge entonces una pregunta clave: ¿cómo podemos determinar el rendimiento total de la reacción a partir de los rendimientos parciales de cada una de las etapas individuales? Para ello, aplicaremos el siguiente teorema, que permite integrar estos valores en una sola expresión coherente y representativa del sistema completo.

Figura 1. Rendimiento neto de reacciones acopladas. Demostración

Los ingenieros químicos desempeñan un papel crucial en el diseño de plantas de procesos industriales. Una de sus principales responsabilidades es garantizar que cada reactor esté optimizado para cumplir su función dentro de una cadena de reacciones acopladas. Los procesos industriales raramente se basan en una sola reacción química aislada; generalmente, las reacciones se suceden unas a otras, y los productos generados en una etapa se convierten en reactivos para la siguiente. Esto implica que el diseño de una planta debe considerar cómo cada etapa del proceso se conecta con la siguiente, creando un flujo continuo y eficiente de materiales. Para lograrlo, los ingenieros deben asegurar que las condiciones operativas de cada reactor estén ajustadas para maximizar su rendimiento, mientras mantienen la seguridad y rentabilidad.

En este contexto, optimizar cada paso individual no solo se refiere a mejorar el rendimiento de una reacción específica, sino también a minimizar las pérdidas de productos, optimizar el uso de reactivos y reducir el consumo de energía. Los ingenieros químicos también deben considerar el impacto de cada paso en el rendimiento general del proceso, es decir, cómo los rendimientos parciales de cada reactor afectarán el rendimiento neto del proceso completo. 

Figura 2. En la producción de detergentes, la eficiencia del reactor de saponificación es crucial, ya que impacta directamente en la producción de ácidos grasos, los cuales se convierten en sales activas. Un bajo rendimiento inicial reduce la eficacia global de la cadena de reacciones, afectando la calidad y cantidad del producto final.

Es crucial que, aunque un reactor esté funcionando a su máxima eficiencia, esto no conduzca a pérdidas o ineficiencias en las etapas posteriores del proceso. El diseño de la planta debe garantizar que cada reactor se conecte correctamente con el siguiente, de manera que se mantenga un equilibrio óptimo entre todas las fases de la producción.

Referencias

Baeza Baeza, J. J., & García Álvarez-Coque, M. C. (2014). Extent of reaction balances. A convenient tool to study chemical equilibria.

da Silva, D. J. (2017). The basis of the limiting reagent concept, its identification and applications. World Journal of Chemical Education, 5(1), 1-8.

García García, J. L. (2020). El álgebra de la estequiometría. Educación química, 31(1), 138-150.

García García, J. L. (2021). Hacia un equilibrio químico verdaderamente analítico. Educación química, 32(1), 133-146.

Garst, J. F. (1974). The extent of reaction as a unifying basis for stoichiometry in elementary chemistry. Journal of Chemical Education, 51(3), 194.

Llanes, J. L., de Cárdenas, L. Z., & Ones, O. P. (2016). Evaluación del proceso de producción de detergente en polvo a partir de la simulación. Revista Ingenierías Universidad de Medellín, 15(28), 241-260.

Moretti, G. (2015). The “extent of reaction”: a powerful concept to study chemical transformations at the first-year general chemistry courses. Foundations of Chemistry, 17(2), 107-115.

Mousavi, A. (2019). Stoichiometry of equations through the Inverse de Donder relation. Chemistry Teacher International, 1(1), 20180006.

Schmitz, G. (2005). What is a reaction rate?. Journal of chemical education, 82(7), 1091.

Smith, W. R., & Missen, R. W. (1979). What is chemical stoichiometry?. Chemical Engineering Education, 13(1), 26-32..