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El concepto de economía atómica y cómo se utiliza para medir la eficiencia de una reacción química. Se presentan ecuaciones químicas balanceadas y se analizan rutas de reacción química en términos de moles. Se utiliza el oxígeno y el peróxido de hidrógeno como agentes oxidantes, y se hidrata el petróleo crudo para eliminar azufre y nitrógeno. Se utiliza gas hidrógeno o agentes reductores fuertes como el borohidruro de sodio en procesos de hidrogenación. Se discuten polímeros sintéticos como nylon, poliéster, teflón, policarbonato y otros. Se presenta la ecuación de balance e = s y se discute la selectividad fraccionaria. Se describe cómo construir un manómetro en forma de u y cómo medir los gramos de reactivo en una balanza. Se realizan cálculos para determinar el número de moles de ácido acético y bicarbonato de sodio y se presentan tablas con los resultados.
Tipo: Ejercicios
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Fundamento Teórico
Economía del átomo: proporciona una rápida y simple medida de la eficiencia de una ruta
de reacción que convierte los reactivos en productos, se escriben las ecuaciones químicas
balanceadas y se analizan las rutas de reacción química en términos de moles en lugar de
masa, (kse, xi). Murphy, R., 2007).
E. A =
masa del producto deseado
masa total de reactivos
( ec. 1 ) Economia^ fraccional^ del^ átomo =^
V p
M p
−
V i
M i
( ec 2 )
Vp es el coeficiente estequiométrico,
Mp es la masa molar, para el producto deseado P
Vi es el coeficiente estequiométrico,
Mi es la masa molar del reactivo i
Reacciones químicas importantes para la industria
Oxidación. Existen dos tipos de oxidación,
La oxidación completa, los materiales que contienen carbono e hidrógeno proporciona calor
para cocinar y para calefacción. Los agentes oxidantes van del oxígeno al peróxido de
hidrógeno, muy utilizado para blanquear y desinfectar al nitrato de potasio, empleado en los
explosivos, (kse, xi). Murphy, R., 2007).
La oxidación parcial, permite la introducción de grupos de oxígenos en hidrocarburos
derivados de combustibles fósiles y es un paso importante en la producción de una serie
importante de compuestos químicos industriales, como los alcoholes y los ácidos orgánicos
Hidrogenación y deshidrogenación. Estas reacciones son de suma importancia en química
orgánica e inorgánica. Se hidrogena el petróleo crudo para eliminar azufre y nitrógeno, y de
esta forma evitar la liberación de gases ácidos dañinos durante la combustión de la gasolina
u otros combustibles, (kse, xi). Murphy, R., 2007).
La deshidrogenación de grasas en aceites cambia el material sólido a líquido de la misma
forma en que los enlaces sencillos del carbono-carbono se convierten en enlaces dobles.
La hidrogenación del nitrógeno produce amoniaco; el descubrimiento de esta ruta de
reacción produjo grandes incrementos en la producción agrícola. Por lo general, se usa gas
hidrógeno o agentes reductores fuertes, como el borohidruro de sodio, como reactivos en
los procesos de hidrogenación, (kse, xi). Murphy, R., 2007).
Polimerización. En las reacciones de polimerización se enlazan uno o dos tipos de
moléculas pequeñas con extremos reactivos para formar cadenas que pueden alcanzar pesos
moleculares en millones. El caucho, la celulosa, el almidón, las proteínas y el ADN son
polímeros que se presentan en la naturaleza. Nylon, poliéster, teflón, policarbonato y otros
polímeros sintéticos, (kse, xi). Murphy, R., 2007).
Hidrólisis y deshidratación. En las reacciones de hidrólisis se agrega agua a los compuestos
y se elimina en las reacciones de deshidratación. Con frecuencia, la hidrólisis produce el
rompimiento de moléculas más grandes en pequeñas; por ejemplo, la hidrólisis del almidón
produce azúcar, y es una reacción química importante en la biodegradación. Por otro lado,
la deshidratación muchas veces es una etapa crucial en las reacciones de polimerización,
(kse, xi). Murphy, R., 2007).
Halogenación y otras reacciones de sustitución. Los halógenos tienen fuerte poder de
extracción de electrones; en particular, se agrega cloro y flúor a los hidrocarburos para
afinar sus propiedades físico-químicas. Los hidrocarburos halogenados incluyen
refrigerantes, como los freones, y polímeros como el policloruro de vinilo (kse, xi). PVC). Por lo
general, son bastante resistentes a la degradación química y biológica, (kse, xi). Murphy, R., 2007).
Isomerización. Los isómeros son compuestos químicos con fórmulas moleculares idénticas
pero diferentes distribuciones espaciales de los elementos que los constituyen. Esta
distribución espacial puede alterar las propiedades de los isómeros de manera radical. La
glucosa y la fructosa son hidratos de carbono simples (kse, xi). C 6 H 12 O 6 ), pero la fructosa es mucho
más dulce que la glucosa. El n-octano y el isooctano (kse, xi). 2,2,4-trimetilpentano) son alcanos de
la misma fórmula molecular (kse, xi). C 8 H 18 ), pero actúan de forma muy diferente en los motores
automotrices, (kse, xi). Murphy, R., 2007).
Ρ= densidad del fluido, kg/m
3
g= gravedad
h= altura en metros
Rendimiento y selectividad:
Se define selectividad y rendimiento con base en el reactivo limitante o el reactivo más
costoso. Para mayor claridad, siempre se debe especificar el reactivo. Luego, se debe
considerar una relación que es casi igual que la selectividad y escribir esta relación con la
notación usual, (kse, xi). Murphy, R., 2007):
(kse, xi). Ec. 3.4) Selectividad^ fraccionaria =^
moles de reactive A convertido en el product deseado P
moles de reactive A consumido
(kse, xi). Ec. 3.5)
Rendimiento fraccionario =
moles de reactive A convertido en el product deseado P
moles de reactive A alimentado
( Ec. 3.6 ) Converción X =
n en
Procedimiento, materiales, instrumentos y reactivos.
Armar el manómetro en forma de U, se utilizando manguera transparente de ¼ de pulgada
se utiliza como base la madera para comienza a pegar la manguera en forma de U, con el
silicón, para evitar que se despegue mientras el silicón aún sigue caliente, se adhiere con
pedazos de cinta adhesiva blanca y negra marca Truper una vez hecho esto se debe
embonar con fuerza en uno de los extremos de la manguera la tapa de la botella del jabón
líquido axión cuando el sistema de manómetro este hecho, se vierten 20ml de agua del
grifo, con unas gotas de azul de metilo, marca Vetilab, con la jeringa de 10ml BD Plastik,
dentro de la manguera por una de las extremidades, cuidado de no derramar el agua ahora
se puede recargar en la pared y se pegar la base de madera con cinta TRUPER para evitar
que se derrame el líquido esto para el correcto funcionamiento del manómetro, como se
observa en la imagen 1. Los materiales a utilizar se muestran en la imagen 2, los cuales se
mencionaron con anterioridad.
Imagen 2: Armado del manómetro en forma de U con manguera de ¼ de pulgada por 3 m. de largo.
Imagen 2.: Materiales, reactivos, instrumentos a utilizar en la práctica, para el armado del manómetro y
para la determinación de resultados experimentales.
Marcar donde se encuentre el nivel de la manguera en equilibrio con el flexómetro de la
misma forma se marca hacia abajo en un extremo de la manguera y en el extremo contrario
se utilizará la cinta métrica, pero hacia arriba, ya que lo que baje es lo mismo que subirá el
agua, tomando como índice de referencia el equilibrio inicial del agua, el cual será 0, así
mismo se muestra en la imagen 3.
Para aplicar la formula anterior se toma un volumen determinado posteriormente se pesa en
la balanza CARAT SCALE ahora solo se sustituyen valores como se indica en la ecuación
5, una vez hecho esto se sustituyen los valores en la ecuación 6, pero con un volumen de
10ml.
masa = ρ ( volumen ) ( ec. 6 )
Para la obtención de los moles de CO2 producidos se utilizará la ecuación de los gases
ideales, ecuación 7, despejada respecto a los moles, la cual es la ecuación 8.
PV = RTn ( ec. 7 ) n =
PV
RT
( ec. 8 )
Obtención y manejo de datos experimentales
(kse, xi). Ec. 1 De balance) NaHCO 3(kse, xi). s)
COOH (kse, xi). L)
CH 3
COONa (kse, xi). s)
O (kse, xi). L)
Bicarbonato de sodio + Ácido acético Acetato de sodio + Agua + Dióxido de carbono
Los pesos moleculares de cada compuesto se muestran a continuación en la tabla 1.
Tabla 1
Nombre comun Compuesto Pm (g/mol)
Acido acetico CH 3 COOH 60.
Bicarbonato de sodio NaHCO 3 84
Agua H 2 O 18
Dioxido de carbono CO 2 44
Acetato de sodio CH 3 COONa 82.
En los cálculos siguientes, se utilizan los pesos moleculares de la tabla 1.
Se comienzan a realizar los cálculos para sacar el número de moles del ácido acético
(kse, xi). CH 3 COOH).
Pm(kse, xi). CH3COOH). = 60.052 g/mol
Para determinar la densidad se usará la ecuación 5 y sustituirá a como se muestra a
continuación de la misma manera esto se ve representado en la imagen 5
sustituyendo ec. 5 ¿
1.046 gr.
1 ml.
ρ =1.
gr
ml
sustituyendo ec. 6 ¿ masa =
(
gr
mol
)
( 10 ml )=10.46 gr. CH 3 COOH
sustituyendo ec. 4 ¿
10.46 gr.
60.052 gr / mol
=0.1741 mol CH 3 COOH
Imagen 5: Se muestra la forma en que se determina la densidad, tarando la balanza con el peso de la jeringa,
posteriormente Se toma una muestra del fluido a analizar, y se pesa el volumen extraído.
Así que por cada 10ml. De ácido acético (kse, xi). CH 3
COOH). Son 0.1741 moles (kse, xi). CH3COOH).
Ahora se comienzan a realizar los cálculos para bicarbonato de sodio (kse, xi). NaHCO 3 ).
Pm(kse, xi). NaHCO3). =84 g/mol
Se sustituye la ecuación 4 para cada variante como se muestra a continuación:
ρ =
1.16 gr
1 ml
=1.
gr
ml
∴ 1,160 kg / m
3
( ec. 5 )
(kse, xi). Ec. 3.3) …P, man (kse, xi). Pa) = ρghgghh sustituyendo (kse, xi). 1,160 kg/m
3
) (kse, xi). 9.81 m/s
2
) (kse, xi). 1.8 m) =
20, 483.28 Pa
n =
( 20, 483.28 Pa ) (7.5 x 10
− 4
m
3
)
Pa ∗ m
3
mol ∗ ° K
( 295 ° K )
=6.26 x 10
− 3
( ec. 8 )
Tabla 4
gr. NaHCO 3 mol. NaHCO 3 h, (cm) P. man, (Pa) No. Moles CO 2
5 0.05952381 193 21962.628 6.71E-
4.5 0.053571429 193 21962.628 6.71E-
4 0.047619048 193 21962.628 6.71E-
3.5 0.041666667 193 21962.628 6.71E-
3 0.035714286 193 21962.628 6.71E-
2.5 0.029761905 193 21962.628 6.71E-
2 0.023809524 193 21962.628 6.71E-
1.5 0.017857143 193 21962.628 6.71E-
1 0.011904762 193 21962.628 6.71E-
0.5 0.005952381 180 20483.28 6.26E-
0.4 0.004761905 134 15248.664 4.66E-
0.3 0.003571429 28 3186.288 9.74E-
0.2 0.002380952 21.5 2446.614 7.48E-
0.1 0.001190476 11.5 1308.654 4.00E-
Ahora de la ecuación 1 de balance, se comienzan a despejar los moles producidos para cada
sustancia faltante CH 3
COONa (kse, xi). s)
& H 2
O (kse, xi). L)
(kse, xi). Ec. 1 De balance) NaHCO3(kse, xi). s) + CH 3 COOH(kse, xi). L) CH 3 COONa(kse, xi). s) + H 2 O(kse, xi). L) + CO2(kse, xi). g)
Realizando el balance de materia pertinente a partir de la deducción de las ecuaciones de
moles de entrada y de salida de cada compuesto tenemos:
A ↔ n salida ( NaHCO 3 ( s ) )
= n entrada ( NaHCO 3 ( s ))
− ξ A ↔ 0 =0.0059− ξ A^ ↔^ ξ A
=0.
B↔ n salidaCH 3 COOH ( L )
= n entrada CH 3 COOH ( L )
− ξ (^) B↔ 0 =0.1741− ξ B↔ ξ B
=0.
E ↔ n salida C O 2
( g )
= n entradaC O 2
( g )
− 3
= 0 + ξ E^ ↔^ ξE =6.26^ x^^1
− 3
También se puede apreciar la ecuación 1 de balance como:
A + B C + D + E (kse, xi). Ec. 2 de balance)
Dónde:
A = NaHCO3(kse, xi). s)
B= CH 3 COOH(kse, xi). L)
C= CH 3 COONa(kse, xi). s)
D= H 2 O(kse, xi). L)
E= CO2(kse, xi). g)
Lo que se hace a continuación es dejar los términos expresados en función de D
D = A + B – C – E (kse, xi). Ec. 3 de balance)
Ahora en la ecuación 2 de balance, la D se sustituye por su igualdad dejando todo en
términos de C
C = A + B – C – A – B + C + E + E (kse, xi). Ec. 4 de balance)
C = 2E (kse, xi). Ec. 5 de balance)
Sustitución de la ecuación 5 de balance
2 (kse, xi). 6.26x
COONa (kse, xi). s)
Sustituyendo la ecuación 3 de balance:
D= 0.0059 + 0.1741 – 12.52x
= 0.16122 mol de H 2 O(kse, xi). L) En la tabla 8 se muestra el cálculo del reactivo limitante y en exceso con respecto a las
concentraciones en gramos del bicarbonato de sodio. Así mismo se usa la ecuación 9 para
calcularlo, se debe tomar en cuenta que el de menor concentración es el reactivo limitante.
R. limitante =
moles de entrada delreactivo
coeficiente estequiometrico
( ec .9)
sustitución Bicarmonato
1
=0.0059 limitante Acido acetico
1
=0.1741 exceso
A continuación, se sustituye la ecuación 1, economía del átomo para cada nivel de
concentración de bicarbonato de sodio en 0.5 gr, para sacar E.A del dióxido de carbono.
E. A =
C O 2
NaHC O 3
COOH
E. A =
0.00595+0.
x 100 =3.4768 %
Tabla 9
NaHCO 3
Gramos de A E.A. (%)
0.5 3.
0.4 2.
0.3 0.
0.2 0.
0.1 0.
Economía del átomo
Observaciones:
La concentración del dióxido de carbono debe de ser mínima la cual fue a 0.5 gr ya que de
1gr en adelante, la presión que se generaba en el sistema era demasiada ya que inclusive el
agua dentro del manómetro se desborda lo cual hacia prácticamente indeterminable la
presión generada por tanto de 5gr a 1gr se consideró una altura de 1.97 m. al disminuir la
concentración del dióxido de carbono la cual se tomó desde 0.5 gr donde se puedo
determinar la presión manométrica de manera efectiva.
Conclusiones:
En cuanto a la concentración del bicarbonato de sodio es directamente proporcional a la
presión manométrica ya que esta se ve reflejada por la generación del dióxido de carbono,
en cuanto a la generación se observó que entre la generación del dióxido de carbono, la
presión manométrica son dependientes del reactivo limitante por lo menos en este caso en
particular debido a que se mantuvo constante el volumen empleado del vinagre, el cual fue
el reactivo en exceso, sin embrago este también es determinante en la generación del
dióxido de carbono.
De la misma manera se puede decir que por medio de las ecuaciones de balance se pudo
obtener de forma teórica los moles generados de productos como el agua y acetato de sodio,
con respecto a los moles consumido de ácido acético y bicarbonato de sodio