Balance en Procesos con y sin Rx Químicas PDF

UNIDAD 2: Balance en Procesos con y Sin Reacción Química Conceptos Fundamentales 1 REFERIDOS A LA MASA  Masa ¿Qué es la masa? Es una propiedad generada por las partículas fundamentales llamadas fermiones que siguen el principio de exclusión de Pauli. Al interactuar forman átom...

UNIDAD 2: Balance en Procesos con y Sin Reacción Química Conceptos Fundamentales 1 REFERIDOS A LA MASA  Masa ¿Qué es la masa? Es una propiedad generada por las partículas fundamentales llamadas fermiones que siguen el principio de exclusión de Pauli. Al interactuar forman átomos, moléculas cuerpos micro, cuerpos macro y generan su espacio propio (Volumen) Su unidad principal es el kilogramo (kg), la libra (lb) y sus equivalentes y múltiplos y submúltiplos (principalmente g, mg, ton) Masa molar Los átomos y moléculas son muy pequeñas, por lo que realizar cálculos de sus efectos individuales es complejo. La mol es una unidad creada para manejar un paquete adecuado de átomos o moléculas que permitan un adecuado entendimiento de las propiedades de la materia. El paquete se creó no arbitrariamente sino fundamentado en el # de Avogadro. Ej: si se toma 18 ml de agua, estaría tomando 18 g de agua o 1 mol de agua (algo entendible). Al contrario estaría tomando 6,23*10 e 23 moléculas de agua Peso molecular (PM) Indica la masa en g, kg o lb que tendría 1 mol de átomos o moléculas de una especie x. Su valor es experimental y está tabulado a partir de los valores de PM de los átomos de la Tabla periódica. Su unidad principal es el g/mol y sus equivalentes Para sacar el número de moles (n) basta con: Ej: ¿Cuántas moles hay en 180 g de H2O? Resp: 10 mol Densidad (p) Indica el Volumen que ocupa una cantidad de masa determinada de una especie x. Se calcula con: Su valor depende del estado físico de la materia (gas, líquido o sólido) y de la temperatura Para Gases ideales con R = 0,082 Para líquidos y sólidos son experimentales y están tabulados Ej: calcular la densidad del O2 a 25 C y 1 atm. Resp: 0,65 g/l Composición molar y másica La composición se da cuando existe una mezcla de especies, para una sustancia pura no tiene sentido. Es un valor que indica la cantidad de cada componente presente en la mezcla. Se pueden tener dos tipos de composiciones: Fracción molar (Xi) Fracción másica (wi) Éstas a su vez generan otros dos conceptos: %Molar (%V/V) %Másico (%W/W) Composición molar y másica Composición molar y másica La composición molar se usa en gases mientras la másica se usa para líquidos y sólidos. Sin embargo como no se puede superar el 100% de composición, en cualquiera de los casos debe cumplirse que: Ej: ¿Cuánto O2 hay en 100 moles de aire? Resp: 21 moles Ej: Si una pulpa tiene 80% pulpa de fresa y el resto agua, ¿cuánta agua habrá en 100 kg de pulpa? Resp: 20 kg de agua Flujo molar y másico Se da cuando una cantidad de masa fluye en el tiempo: Principio de conservación de la masa Un principio fundamental de la naturaleza, expresa que para un sistema sin Rx. Nucleares, no atadas a la relatividad general (E=mc2), debe cumplirse que: “La masa no se puede crear ni destruir y debe conservarse” Matemáticamente se expresa como: Sistemas sin Rx. Química y estacionarios: Sistemas con Rx. Química y estacionarios: Conceptos Fundamentales 1 REFERIDOS A LA ENERGÍA Temperatura Propiedad que indica el nivel de movimiento atómico de la materia ya que a este nivel existen 3 movimientos: Vibración Rotación Estiramiento Cuando el movimiento es más fuerte, mayor energía cinética atómica (similar a la cinética macro)tiene la materia y eso se visualiza a nivel macro en una T mayor y viceversa. Temperatura La temperatura se divide en dos tipos: Absoluta.- considera que existe un cero absoluto donde T=0 y el movimiento atómico cesa completamente, es imposible de alcanzar. (K,R) Relativa.- considera que el cero se puede tomar en un punto arbitrario en base a algún factor. (°C,°F). Las escalas usadas es la K,C en el sistema internacional sistema y la F,R en el sistema inglés Energía intrínseca de la materia La materia tiene de manera propia (por efecto de su existencia) tres tipos de energía: E. cinética (Ec).- debida a la velocidad de la materia E. potencial (Ep).- debido a la altura de la materia E. entálpica (H).- debida a la temperatura de la materia y a su capacidad de flujo, es la más importante de las tres a menos que la masa sea alta, tenga gran velocidad o una enorme altura. Ej: ¿Cuánta energía tiene 1 kg de agua a 50m/s, 50m de altura y 50°C, el Cp=4,18 KJ/kg*C? Resp. 1250 J, 490 J y 209 KJ Entalpía específica La energía térmica está relacionada con el “calor” y se le ha dado una denominación particular llamada entalpía (H): Pero si queremos la energía térmica por unidad de masa: Y para efectos prácticos con una Tref=0: Para calcularla se requiere conocer el valor de capacidad calorífica Cp y una Tref que generalmente es cero pero no siempre. Ej: ¿Cuál es la entalpía específica del agua a 20 C? Capacidad calorífica a presión constante Cp Indica la cantidad de calor que habría que dar o quitar a un kilogramo de sustancia para que eleve o baje su temperatura 1 grado a presión constante: El Cp depende de la Temperatura en forma crítica para los gases mientras que para líquidos y sólidos es relativamente estable a menos que sean temperaturas extremas o sustancia ´sensibles como las orgánicas, en cuyo caso debe usarse fórmulas o tablas de cálculo.  Potencia (Pot) Es la cantidad de energía por unidad de tiempo, se mide en watios: Ej: ¿Cuál es la potencia de a 1 kg/s de agua a 50 m/s, 50m de altura y 50 °C? Sabiendo la potencia de consumo y el tiempo de uso se puede calcular la energía consumida. Principio de conservación de energía Esta atado a la conservación de la materia y si la una se conserva la otra también, dicta que: “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de un tipo a otro pero se conserva” Matemáticamente se expresa como: Sistemas sin Rx. Química y estacionarios: Sistemas con Rx. Química y estacionarios: Conceptos Fundamentales 1 R E F E R I D O S A L A M AT E M ÁT I C A Ecuación Una ecuación es una relación matemática entre variables. Pueden existir ecuaciones lineales y no lineales: Lineal: 2*x + y = 2 No lineal: 2*x*y +z = 1 Para resolverlas se requieren un sistema de ecuaciones adecuado Sistema de ecuaciones Se da cuando se tiene n ecuaciones con n incógnitas que permiten o no su solución. Para poder resolver un sistema deben tenerse tantas ecuaciones como incógnitas existentes. Ej: resolver el siguiente sistema: X+y=1 2*x – y = 0 Resp. X=1/3 y Y=2/3 Matrices Es una herramienta matemática que permite manejar bloques de variables y ecuaciones lineales de manera conjunta y no una por una. Solo sirve para ecuaciones lineales. Ej: Resolver el sistema anterior usando matrices Se puede usar programas: https://matrixcalc.org/es/slu.html O la calculadora si se sabe usar Se puede usar programas o calculadora Redundancia Se da cuando en un sistema de ecuaciones, no todas son independientes, por lo que el sistema es inconsistente y no podrá resolverse, se debe por ende conseguir ecuaciones independientes una de otras para poder resolver. ANÁLISIS E N P R O C E S O S SIN REACCIÓN Son procesos de mezcla: Soluto + solvente= solución  Al efectuar balances de masa en estado estacionario, hay dos formas básicas de expresar los flujos que intervienen en el proceso como variables. Se pueden plantear balances de masa globales (BMG), que involucran las diferentes corrientes que entran o salen del sistema. O balances de masa particulares (BMP) para cada uno de los componentes del mismo. Por ejemplo, analicemos el sistema constituido por el evaporador supuesto en estado estacionario y sin reacción química.  Para este sistema se puede plantear: BMG (Balance de Masa Global): se debe designar el flujo másico de las corrientes que ingresan y egresan del evaporador con un símbolo tal como A, B, C. Para el ejemplo específico de la figura se verifica que: A= B + C BMP (Balance de Masa Particular): consiste en usar el producto de una medida de concentración y el flujo como (xi,A* A), donde xi,A es la fracción de masa del componente, y A es el flujo másico total entrante al evaporador es decir la masa. Fase sólida Fase líquida ANÁLISIS E N P R O C E S O S Son procesos de Rx donde hay un consumo y generación para un nuevo producto, se consumen reactivos y se CON REACCIÓN generan productos Con respecto a la presencia de reacciones químicas cabe recordar que en toda reacción química la masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos, de manera tal que en la reacción, por ejemplo, de producción de agua: Si se introducen 2 kg de hidrógeno, esto es 1 mol de hidrógeno, y 16 kg de oxígeno, o sea ½ mol de dicho elemento, se obtendrán 18 kg de agua, equivalente a 1mol de esa sustancia; en otras palabras: masa entrante = masa saliente En toda reacción química el número de átomos de un elemento debe ser igual al número de átomos salientes. En la ecuación de formación del agua entran dos átomos de hidrógeno y salen otros dos formando parte de la molécula de agua, también entra un átomo de oxígeno y sale otro. átomos entrantes = átomos salientes En las reacciones químicas los moles entrantes no son necesariamente iguales a los moles salientes. En el ejemplo señalado entran un mol y medio y sale un mol. moles entrantes ≠ moles salientes  Coeficiente estequiométrico Indica la proporción de cada especie involucrada (se puede considerar como el número de moléculas/átomos/iones o moles, es decir la cantidad de materia que se consume o se forma). E J E M P L OS CON RX QUÍMICAS : La fermentación de glucosa C6H12O6 produce alcohol etílico C2H5OH y CO2 ¿Cuántos gramos de etanol se puede producir a partir de 10g de glucosa? C6H12O6 2C2H5(OH)+2CO2 Datos: PM C6H12O6: 180.15g/mol PM C2H5(OH): 46,064g/mol  Una sustancia utilizada para fabricar fuegos artificiales es el clorato de potasio que en presencia de energía calorífica, lleva a cabo la siguiente Rx: 2KClO3 2KCl +3O2 Calcular la cantidad de litros de oxigeno que se producen al calentar 68g de clorato de potasio en condiciones PTN. Datos: 68gKClO3 O2=? LITROS PM KClO3= 122,5g Densidad O2= 1,429kg/m³ VO2=m/d= 32g/ 1,429g/L=22,4L Calcular los gramos de Oxido de Hierro que se prepararán a partir de 35 gramos de Hierro de acuerdo con la siguiente reacción: 4 Fe + 3O2 2Fe2O3 Datos: Fe=35g Fe2O3=? PM Fe= 55.845g PM Fe2O3= 160g/mol  GRACIAS Ing. Marcelo Cabrera J., MSc.