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En este documento se presenta un ejemplo práctico de cómo calcular los moles de entrada y salida en una reacción química, utilizando el ejemplo de la hidrólisis de bicarbonato de sodio con ácido acético. Se explica el concepto de economía del átomo y se aplican ecuaciones de balance de materia para determinar los moles de reactantes y productos involucrados en la reacción.
Tipo: Ejercicios
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Índice
Objetivo general…………………………………………
Objetivo específico………………………………………
Introducción……………………………………………...
Fundamento teórico………………………………………
Procedimiento, materiales, instrumentos y reactivos……
Obtención y manejo de datos experimentales………...…
Conclusión ……………………………………………..
Referencias……………………………………………..
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, (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, (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, (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, (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,
(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 (PVC). Por lo
general, son bastante resistentes a la degradación química y biológica, (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 (C6H12O6), pero la fructosa es
mucho más dulce que la glucosa. El n-octano y el isooctano (2,2,4-trimetilpentano) son
alcanos de la misma fórmula molecular (C8H18), pero actúan de forma muy diferente en
los motores automotrices, (Murphy, R., 2007).
Apertura de anillos/cierre de anillos. Constituyentes clave de tintes y fármacos. El benceno
(un cíclico aromático) y el ciclohexano (un cicloalcano) son ejemplos de compuestos
cíclicos que sirven como materias primas para la síntesis de una gran diversidad de
compuestos, síntesis de polímeros, (Murphy, R., 2007).
Ecuación del balance de materia:
Existirán siempre materiales que entran y materiales que salen. Para obtener la ecuación de
diseño se utiliza la ecuación de conservación de la materia. Sea el reactivo clave, se tiene
que, (Himmelblau, D. M., & Huerta, J. L. R. 1988):
E + G – S – C = A (Ec. 3)
Otra forma de verlo:
E – S = A (Ec. 3.1)
Puede simplificarse aún más:
E = S (Ec. 3.2)
Dónde:
E es la cantidad de materia que entra al sistema
G es lo que se genera si en el proceso ocurre una reacción química (como en un reactor)
S es lo que sale del sistema
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 gorma 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 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
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.
Ahora se pesarán los gramos de reactivo en la balanza CARAT SCALE el cual será el
bicarbonato de sodio (NaHCO 3 ), este se tomará como variable de concentración en gramos
los cuales posteriormente se convertirán a número de moles con la ecuación 4
n =
masa
peso molecular
( ec. 4 )
Así mismo se medirán 10 mililitros de ácido acético (CH 3
COOH) por cada solución que se
realice, esta medida de reactivo será constante y de la misma manera se convertirá a moles
con la usando la ecuación 5.
ρ =
masa
volumen
( ec. 5 )
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
(Ec. 1 De balance) NaHCO 3(s)
COOH (L)
CH 3
COONa (s)
O (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
(CH 3 COOH).
Los datos de la tabla 3 se determinan midiendo la temperatura del vinagre, además de usar
el volumen del recipiente que contiene la mezcla como referencia para los cálculos.
Para la tabla 4, se usan los datos que salen al usar las diferentes concentraciones de la tabla
2, los centímetros recorridos por la presión ejercida con la ecuación 3.3 determinamos la
presión manométrica y el número de moles CO 2 generados de la reacción con la ecuación 8;
dichos resultados se registran en la tabla antes mencionada, con sus relaciones
correspondiente, las ecuaciones se sustituyen de la siguiente forma, para 0.5 gr de dióxido
de carbono.
Se determina la densidad del fluido el cual está contenido en el manómetro con pintura
usando la ecuación 5, convirtiendo a kg/m
3
ρ =
1.16 gr
1 ml
=1.
gr
ml
∴ 1,160 kg / m
3
( ec. 5 )
(Ec. 3.3) …P, man (Pa) = ρghgghh sustituyendo (1,160 kg/m
3
) (9.81 m/s
2
) (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(s) & H 2 O(L)
(Ec. 1 De balance) NaHCO3(s) + CH 3 COOH(L) CH 3 COONa(s) + H 2 O(L) + CO2(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 (Ec. 2 de balance)
Compuesto n. moles Compuesto n. moles
CH 3 COOH 0.1741 CH 3 COONa 1.25E-
NaHCO 3 0.00595238 H 2 O 1.61E-
CO 2 6.26E-
Σ Total = 0.18 0.
Entrada Salida
Tabla 5
Todos los cálculos anteriores se repiten para cada concentración de bicarbonato de sodio,
los datos obtenidos se registran en la tabla 6.
Tabla 6
NaHCO 3 NaHCO 3 CH 3 COOH CH 3 COONa H 2 O CO 2
Gramos de A A B C D E
Mol. T. entradaMol. T. sal.
0.5 5.95E-03 0.1741 1.25E-02 1.61E-01 6.26E-03 0.18005238 0.
0.4 4.76E-03 0.1741 9.32E-03 1.65E-01 4.66E-03 0.1788619 0.
0.3 3.57E-03 0.1741 1.95E-03 1.75E-01 9.74E-04 0.17767143 0.
0.2 2.38E-03 0.1741 1.50E-03 1.74E-01 7.48E-04 0.17648095 0.
0.1 1.19E-03 0.1741 8.00E-04 1.74E-01 4.00E-04 0.17529048 0.
Moles de entrada Moles de salida
El rendimiento se calcula con la ecuación 3.5, como se muestra a continuación en la
sustitución, se calcula con respecto al CO2.
6.26 x 10
− 3
6.26 x 10
− 3
+.
=0.03470( ec. 3.5)
El rendimiento dado es a una concentración de 5gr de dióxido de carbono, en la tabla 7,
podemos ver los resultados de rendimiento obtenido del CO 2 dependiendo de las
concentraciones del bicarbonato de sodio
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
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
