Química

Balance de Masa

Una de las leyes básicas de la física es la ley de la conservación de la masa. Esta ley, expresada en forma simple enuncia que la masa no puede crearse ni destruirse (excluyendo, por supuesto, las reaccione nucleares o atómicas). Por consiguiente, la masa (o el peso) total de todos los materiales que intervienen en el proceso debe ser igual a la de todos los materiales que salen del mismo, más la mas de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso.

Entradas = Salidas + Acumulación

En la mayoría de los casos no se presenta acumulación de materiales en el proceso, por lo que las Entradas son iguales a las Salidas. Expresado en otras palabras ``lo que entra debe salir''. A este tipo de sistema se le llama proceso en estado estacionario.

Entradas = Salidas

Balance de Energía

Para llevar a cabo los balances de materia se utiliza la ley de conservación de la masa, la cual indica que la masa que ingresa al sistema es igual a la que sale más la acumulada en el proceso. De manera similar se puede enunciar la ley de conservación de energía, la cual postula que toda la energía que entra a un proceso es igual a la que sale más la que queda en el proceso. La energía puede manifestarse de varias maneras. Algunas de sus formas más comunes son la Entalpía, Energía Eléctrica, la Energía química (en términos de la de la reacción), la Energía Cinética, la Energía Potencial, el Trabajo y el Flujo de Calor. Un tipo de balance de energía más útil para el flujo de fluidos, en especial de líquidos, es una modificación del balance total de energía que considera la energía mecánica. Casi siempre, a los ingenieros les interesa primordialmente este tipo especial de energía, llamado energía mecánica, que incluye el término de trabajo a la energía cinética, a la energía potencial y la parte de trabajo de flujo del término de Entalpía. La energía mecánica es una forma de energía que es, o bien un trabajo, o una forma que puede transformarse directamente en trabajo. La energía que se convierte en calor, o en energía interna, es trabajo perdido o una pérdida de energía mecánica causada por la resistencia friccional al flujo, dicha pérdida es la suma de todas las pérdidas por fricción por unidad de

masa ( ). Así, obtenemos el balance de Energía Mecánica:

Donde:

Proceso químico

Un proceso químico es un conjunto de operaciones químicas o físicas ordenadas a la transformación de unas materias iniciales en productos finales diferentes. Un producto es diferente de otro cuando tenga distinta composición, esté en un estado distinto o hayan cambiado sus condiciones.

En la descripción general de cualquier proceso químico existen diferentes operaciones involucradas. Unas llevan inherentes diversas reacciones químicas. En cambio otros pasos son meramente físicos, es decir, sin reacciones químicas presentes. Podemos decir que cualquier proceso químico que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas. Cada una de estas operaciones es una operación unitaria dentro del proceso global.

Ley de conservación de la materia

Cuando se enunció la ley de la conservación de la materia no se conocía el átomo, pero con los conocimientos actuales es obvio: puesto que en la reacción química no aparecen ni destruyen átomos, sino que sólo se forman o rompen enlaces, la masa no puede variar.

La ley de conservación de la masa o ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Se puede enunciar como «En una reacción química ordinaria la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos».1 Una salvedad que hay que tener en cuenta es la existencia de las reacciones nucleares, en las que la masa sí se modifica de forma sutil, en estos casos en la suma de masas hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y energía.2 Esta ley es fundamental para una adecuada comprensión de la química. Está detrás de la descripción habitual de las reacciones químicas mediante la ecuación química, y de los métodos gravimétricos de la química analítica.

LEY DE LAVOISIER Y CONSERVACION DE LA MASA

La ley de la conservación de la masa dice que en cualquier reacción química la masa se conserva, es decir, la masa y la materia ni se crea ni se destruye, sólo se transforma y permanece invariable.

EJ:

Cogemos 1,5 gramos de Ag NO 3 y lo disolvemos el agua, lo ponemos en contacto con cobre y se crea Ag, que pesa 0,88. Luego esta a esta plata se le añade HNO3 y se vuelve a crear Ag NO 3 que ahora debería pesar 1,5 g, pero al haber perdido un poco en los pasos anteriores, por ejemplo impregnada en la varilla oxidación que se haya caído del vaso, pesa 1,46g. Ahora este Ag NO 3 se mezcla con 1g Na Cl y se forma un sólido, se filtra y la disolución se deja evaporar, se pesan las dos sustancias y al sumarlas tiene que dar 2,5g, uno de Na Cl y 1,5 de Ag NO 3 pero al haber perdido otra vez sólo pesa 2,44g. Si la practica se hubiera realizado perfectamente pesaría mas, porque en los primeros pasos se ha arrastrado un poco de cobre.

2 Ag NO 3 + Cu ® 2Ag + Cu NO 3

Ag + HNO3 ® HNO2 + Ag NO 3

Ag NO 3 + Na Cl ® Ag Cl + Na NO 3 ?

3.-) CONSERVACION DE LA MATERIA

Lavoisier no elaboró está teoría, porque hace doscientos años aproximadamente no se conocía el concepto de materia, pero a partir de la ley de la conservación de la masa se elaboró esta.

Teniendo en cuenta la practica anteriormente citada vamos esta vez a calcular el número de moles de Ag que hay durante el proceso.

Inicialmente teníamos 1,5 gramos de Ag NO 3 que al dividirlo entre el peso molecular de este compuesto (169,9) obtenemos 0,0088 moles de Ag NO 3 que son los mismos que de Ag+. Luego obtenemos 0,88g que dividido por la masa molecular del Ag (107,8) da 0,0082. Del nitrato de plata obtenido después al añadir HNO3 1,46 g lo que nos da 0,0086 moles de plata. Y por último teníamos 1,26g que entre 143,2 (peso molecular)nos da 0.0088 moles que el número de moles inicial.

POLIMERIZACION

La polimerización es un proceso químico por el que los reactivos, monómeros (compuestos de bajo peso molecular) se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero, bien una cadena lineal o una macromolécula tridimensional.

Existen muchos tipos de polimerización y varios sistemas para categorizarlos. Las categorías principales son:

1. Polimerización por elasticidad y condensación. 2. Polimerización de crecimiento en cadena y en etapas.

Polimerización por adición y condensación

Una polimerización es por adición si la molécula de monómero pasa a formar parte del polímero con pérdida de átomos, es decir, la composición química de la cadena resultante es igual a la resta de las composiciones químicas de los monómeros que la conforman.

La polimerización es por condensación si la macromolecula de monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del monomero. Por lo general se pierde una molécula pequeña, como agua o TEG gaseoso.

La polimerización por condensación genera subproductos. La polimerización por adición no.

Polimerización por crecimiento en cadena y en etapas

En la polimerización por crecimiento en cadena los monómeros pasan a formar parte de la cadena de uno en uno. Primero se forman dímeros, después trímeros, a continuación tetrámeros, etc. La cadena se incrementa de uno en uno, monómero a monómero.

En la polimerización por crecimiento en etapas (o pasos) es posible que un oligómero reaccione con otros, por ejemplo un dímero con un trímero, un tetrámero con un dímero, etc., de forma que la cadena se incrementa en más de un monómero. En la polimerización por crecimiento en etapas, las cadenas en crecimiento pueden reaccionar entre sí para formar cadenas aún más largas. Esto es aplicable a cadenas de todos los tamaños. En una polimerización por crecimiento de cadena sólo los monómeros pueden reaccionar con cadenas en crecimiento.

Polimerización

Es un proceso químico por el cual, mediante calor, luz o un catalizador, se unen varias moléculas de un compuesto generalmente de carácter no saturado llamado monómero para formar una cadena de múltiples eslabones, moléculas de elevado peso molecular y de propiedades distintas, llamadas macromoléculas o polímeros.

Tipos de Reacciones de Polimerización

Hay dos reacciones generales de polimerización: la de adición y la condensación.

En las polimerizaciones de adición, todos los átomos de monómero se convierten en partes del polímero.

En las reacciones de condensación algunos de los átomos del monómero no forman parte del polímero, sino que son liberados como H2O, CO2, ROH, etc.

Algunos polímeros (ejemplo: polietilén glicol) pueden ser obtenidos por uno u otro tipo de reacción.

Polimerización por Adición

Las polimerizaciones por adición ocurren por un mecanismo en el que interviene la formación inicial de algunas especies reactivas, como radicales libres o iones. La adición de éstas especies reactivas a una molécula del monómero convierte a la molécula en un radical o Ion libre. Entonces procede la reacción en forma continua. Un ejemplo típico de polimerización por adición de un radical libre es la polimerización de cloruro de vinilo, H:C = CHCl, en cloruro de polivinilo (PVC).

1.1.2 Procesos químicos

Un proceso químico es un conjunto de operaciones químicas y/o físicas ordenadas a la transformación de unas materias iniciales en productos finales diferentes. Un producto es diferente de otro cuando tenga distinta composición, esté en un estado distinto o hayan cambiado sus condiciones.

En la descripción general de cualquier proceso químico existen diferentes operaciones involucradas. Unas llevan inherentes diversas reacciones químicas. En cambio otros pasos son meramente físicos, es decir,

sin reacciones químicas presentes. Podemos decir que cualquier proceso químico que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas. Cada una de estas operaciones es una operación unitaria dentro del proceso global.

1.1.3 Operaciones unitarias

Es cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o tranformación de las materias implicadas en un proceso químico.

Si tomamos como ejemplo una planta depuradora de aguas residuales, esquematizada en la Fig. 1.2, podemos observar como el proceso global consta de una mezcla tanto de procesos químicos (oxidación de materia orgánica) como físicos (decantación de fangos). También podemos identificar las distintas acciones llevadas a cabo para el transporte adecuación y transformación de las sustancias implicadas en el proceso.

En general un proceso químico puede descomponerse en la secuencia de diagramas de bloques de la Fig. 1.3. En el caso prático mencionado anteriormente podríamos establecer fácilmente relaciones entre las operaciones llevadas a cabo con su correspondiente bloque.

Los procesos químicos en general y cada operación unitaria en particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede realizarse por tres caminos:

- Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla, reacción química).

- Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, vaporización, aumento de presión, ...).

- Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección).

Los tres cambios mencionados anteriormente son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas:

- cantidad de materia y composición.

- energía total (interna, eléctrica, magnética, potencial, cinética).

- las componentes de velocidad de que está animado.

Este hecho experimental tiene su expresión matemática en tres leyes de conservación:

- ley de conservación de la materia.

- ley de conservación de la energía.

- ley de conservación de la cantidad de movimiento.

Las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo con las propiedad (materia, energía, cantidad de movimiento) que se transfiera en la operación y sea la más relevante en la misma. Aparecen así seis grandes grupos de operaciones, como se puede ver en la Fig. 1.4.

Las operaciones unitarias físicas se estudiarán en la signatura de OPERACIONES BÁSICAS.

La operación unitaria química será la REACCIÓN QUÍMICA y se estudiará en la signatura de PROCESOS QUÍMICOS

1.1.4 Las reacciones químicas

La reacción química es la operación unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los átomos de unas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan REACTORES QUÍMICOS.

1.3.3 Variables que afectan a la velocidad de reacción

La velocidad de una reacción química puede estar afectada por diversas variables. En los sistemas homogéneos las variables son la temperatura, la presión y la composición, mientras que en los sistemas heterogéneos, como está presente más de una fase, el problema será más complejo. En este tipo de sistemas la transmisión de calor y materia pueden jugar un papel muy importante en la determinación de la velocidad de reacción.

Si una reacción química consta de varias etapas en serie, la etapa más lenta de la serie es la que ejerce una mayor influencia, siendo la etapa controlante del proceso. Un problema importante será determinar qué variables afectan a cada una de las etapas y en qué grado. Solamente cuando conocemos la magnitud de cada factor tenemos una representación clara del efecto de estas variables sobre la velocidad de reacción. Cuando conocemos la magnitud de cada factor tenemos una representación clara del efecto de estas variables sobre la velocidad de reacción. Cuando dispongamos de esta información podremos extrapolar estas velocidades a condiciones nuevas y diferentes.

1.3.4 Definición de la velocidad de reacción

El siguiente paso será definir la velocidad de reacción de modo que sea significativa y útil. Si la velocidad de cambio en el número de moles de un componente i debido a la reación es:

entonces la velocidad de reacción en sus diferentes formas se define de los modos siguientes:

- Basada en la unidad de volumen del fluido reaccionante:

Ec. 1.30

- Basada en la unidad de volumen de reactor, si es diferente de la velocidad basada en la unidad de volumen de fluido:

Ec.1.31

- Basada en la unidad de masa de sólido en los sistemas sólido-fluido:

Ec.1.32

- Basada en la unidad de volumen de sólido en los sistemas gas-sólido:

Ec.1.33

En los sistemas homogéneos el volumen del fluido en el reactor es casi siempre idéntico al volumen del reactor, y en estos casos no hay distinción entre V y Vr, empleándose indistintamente la Ec. 1.30 y Ec. 1.31. Sin embargo en los sistemas heterogéneos resultan aplicables todas las definiciones anteriores de la velocidad de reacción y la elección de la forma de la ecuación cinética empleada en cada caso en particular es cuestión de conveniencia.

Las definiciones anteriores de velocidad están relacionadas de la siguiente manera:

Ec. 1.34

2.2.1 Métodos de integración

Este método se basa en el uso de las ecuaciones de velocidad integradas. Tenemos dos posibilidades de trabajo

i) Numérico.

Con datos experimentales de concentración y tiempo vamos a las ecuaciones integradas de velocidad. Para cada par de valores de x y t obtengo un valor de K. Si el dato obtenido de K es un valor constante podemos concluir que la reacción es del orden correspondiente a la ecuación integrada de velocidad. Si no es así habrá que ensayar otro tipo de ecuación hasta encontrar un valor constante de K.

ii) Gráfico

Supongamos que tenemos una ecuación de primer orden

si representamos la expresión

Ec. 2.40

se correspondería con una recta de pendiente K/2.303 que pasa por el origen de coordenadas; ver Fig. 2.15. Si los datos x,t (concentración-tiempo) se ajustan a una recta, la reacción es de primer orden. De lo contrario tendríamos que probar otra ecuación integrada de velocidad hasta encontrar el ajuste de los datos experimentales con una recta dada.

Fig. 2.15

Lo mismo que hemos realizado como ejemplo para un sistema de primer orden lo podemos hacer para cualquier ecuación integrada de velocidad. Así para el caso de una ecuación de segundo orden del tipo

representamos

Ec. 2.41

que corresponde a la ecuación de una recta de pendiente K (b-a)/2.303 y que pasa por el origen; ver Fig. 2.16. Lógicamente frente a un problema de este tipo siempre se comienza probando una cinética de primer orden y si es necesario se prueba con ordenes de reacción cada vez más elevados

.

Fig. 2.16

2.2.2 Métodos diferenciales

Los métodos diferenciales hacen uso de las ecuaciones de velocidad en la forma general

a, b, g son los órdenes de reacción respecto a cada uno de los reactivos. Cuando la reacción no ha transcurrido más de un 10%, la cantidad de producto obtenido es muy pequeña y se puede considerar como buena aproximación que x es aproximadamente cero. Por lo tanto podemos escribir

Si medimos en estas condiciones la velocidad de reacción manteniendo por ejemplo las concentraciones de b y c constantes, podemos escribir

Ahora podemos variar la concentración inicial del reactivo a y medir velocidades de reacción cuando la conversión de reacción sea inferior al 10 %. Si aplicamos logaritmos a la última expresión

Ec. 2.42

podemos representar entonces log KI frente a log a, ya que tendríamos una recta de pendiente a y ordenada en el origen log KI ; Fig. 2.17.

Fig. 2.17

De la misma forma que hemos calculado el orden de reacción respecto al reactivo a, podemos hacer lo mismo para el resto de los reactivos, manteniendo en cada caso la concentración de los mismos constante y trabajando a conversiones inferiores al 10 %. Este método de cálculo de ordenes de reacción es muy útil para aquellos casos en los que trabajamos con reacciones complejas en las que su ecuación de velocidad en forma diferencial presenta dificultades de integración.

Más información en:

http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00133.htm

1.2.- ESTEQUIOMETRIA

Es la parte de la química que estudia las relaciones matemáticas entre pesos y volúmenes de las sustancias participantes.

BALANCEO DE ECUACIONES QUÍMICAS

Existen dos tipos de balanceo de ecuaciones y son:

Método por tanteos

Método por oxidación - reducción

METODO POR TANTEOS

Este es utilizado para el balance de ecuaciones sencillas. La forma de realizar este balanceo es la siguiente:

Seleccionar un compuesto que contenga el átomo de un elemento que se repita en la mayoría de las sustancias que intervienen.

Asignar a la formula del compuesto seleccionado un coeficiente tal que logre igualar el numero de átomos del elemento en reactantes y en productos. Dicho coeficiente debe ser el menor posible y afecta a todos los elementos, incluso a los índices.

repetir el procedimiento anterior con los átomos de los otros elementos hasta que la ecuación este balanceada.

Durante el balanceo se pueden ensayar varios coeficientes, pero los subíndices de las formulas no pueden ser alterados.

NÚMERO DE OXIDACIÓN

Los términos de valencia y numero de oxidación se consideran sinónimos a si que definiremos cada uno.

Número de oxidación: Es la carga eléctrica asignada a un átomo cuando se combina con otro.

Valencia: Es la capacidad de combinación de los átomos.

Para determinar el numero de oxidación de un átomo se realiza lo siguiente:

El numero de oxidación de cualquier elemento libre es cero.

Los metales alcalinos (grupo IA) tiene numero de oxidación +1.

Los metales alcalinotérreos (grupo IIA) tienen numero de oxidación +2.

El numero de oxidación de hidrógeno en la mayor parte de los compuestos es +1, pero en los hidruros metálicos iónicos, su numero es -1.

El oxigeno tiene numero de oxidación -2, excepto en los peróxidos que tienen numero de oxidación -1.

Todos los metales tienen numero de oxidación positivo.

La suma algebraica de los números de oxidación de todos los átomos en un compuesto debe ser cero.

La suma algebraica de los números de oxidación de los átomos de un cation debe ser igual a la carga del anion.

METODO POR OXIDACIÓN - REDUCCIÓN (redox)

Este método es el que toma en cuenta la transferencia de electrones de un átomo a otro.

En este tipo de reacciones la oxidación y la reducción ocurren simultáneamente; depende una de la otra y el numero total de electrones perdidos por una especie química en la oxidación debe ser igual al numero de electrones ganados por la otra especie en la reducción.

Oxidación: Es un cambio químico en el que un átomo pierde electrones.

Reducción: Es un cambio químico en el que un átomo gana electrones.

La forma de balancear estas ecuaciones es la siguiente:

Se escribe la ecuación.

Se escriben todos los números de oxidación de todos los átomos que participan en la reacción.

Se identifican los elementos que cambian su numero de oxidación al efectuarse la reacción, y se determina el numero de oxidación del átomo oxidado y reducido. Para calcular el cambio en el numero de oxidación, conviene tomar en consideración la siguiente escala:

oxidación

-4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4

reducción

Indicar el numero total de electrones cedidos o aceptados.

Establecer la ecuación electrónica.

Se balancean las ecuaciones eléctricas, igualando el numero de electrones cedidos por el reductor con el numero de electrones aceptados para el oxidante, multiplicando por un factor que iguale la cantidad de electrones ganados y perdidos y se anota como coeficiente.

Se escriben los coeficientes de las ecuaciones electrónicas igualadas.

Se termina el ajuste de las ecuaciones, determinando el

valor de los otros coeficientes por tanteo.

Se comprueba que la ecuación esta balanceada.

POLIMEROS

Un polímero (del griego poly = muchos y mero = parte) es, entonces, un compuesto cuyas moléculas están formadas por muchas moléculas más simples denominadas monómeros.La unión de esta gran cantidad de moléculas pequeñas origina enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones, como las ramas de un árbol. Algunas se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales. El proceso por el cual se forma un polímero se denomina polimerización, que consiste en la unión de muchas moléculas pequeñas, los monómeros, para generar otras de mucho tamaño.Los monómeros (del griego mono = uno y mero = parte) son compuestos simples y pequeños que, a través de diferentes tipos de reacciones químicas, dan origen a los polímeros.

TIPOS DE POLIMERIZACION

1.- Polimerización a granel

- Los monómeros y el activador se mezclan en un reactor, calentándose o enfriándose según lo necesario.

- Se debe eliminar el exceso de calor al ser reacciones exotérmicas.

- Los polímeros solubles en sus monómeros líquidos causan incremento e n la viscosidad.

- Los polímeros no solubles en el monómero se precipita tras iniciar la polimerización.

2.- Polimerización en solución.

- Calor exotérmico demasiado grande para controlarlo.

- Monómero e iniciador se disuelven en un disolvente no reactivo para reducir la velocidad de reacción y controlar la cantidad de calor desprendido. - Concentración de polímero bajo para evitar gran viscosidad y peso molecular medio.

3.- Polimerización en suspensión.

- El monómero se suspende en agua mediante agitación y se agregan estabilizadores para estabilizar la suspensión y evitar que los glóbulos de monómeros se adhieran entre sí.

- Cada glóbulo de monómero se polimeriza como una perla de alto peso molecular.

4.- Polimerización en emulsión.

- El monómero se rompe en pequeñas gotitas que forman agregados (micelas).

- El monómero está en la micela y el iniciador en el agua, el cual se difunde en la micela para iniciar el crecimiento del polímero.

- Son reacciones muy rápidas y se realizan a temperaturas bajas, pudiéndose preparar polímeros de alto peso molecular.

- La fase acuosa absorbe el calor desprendido.

Balance de materia

Ley de conservación de la materia

Acumulación = Entradas – Salidas

Si no existe acumulación o consumo de materia dentro del sistema, se dice que estamos en estado estacionario o uniforme.

Entradas = Salidas

Si no existen flujos de entrada y salida, se reduce al concepto básico la conservación de la materia dentro de un sistema cerrado o aislado.Para todo balance de materia debe definirse un sistema, se entiende por este a cualquier porción arbitraria o total de un proceso.

El método general para resolver balances de masa (BM) es simple:1. Definir el sistema. Dibujar un diagrama de proceso.2. Colocar en el diagrama los datos disponibles.3. Observar cuales son las composiciones que se conocen, o que pueden calcularse fácilmente para cada corriente.4. Determinar las masas (pesos) que se conocen, o que pueden definirse fácilmente, para cada corriente. Una de estas masas puede usarse como base de cálculo.5. Seleccionar una base de cálculo adecuada. Cada adición o sustracción deberá hacerse tomando el material sobre la misma base.6. Asegurarse de que el sistema esté bien definido.