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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA N°5 BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA CON REACCION QUIMICA EN COMPUTADORA 1. OBJETIVO  Resolver mediante el uso de computadoras y Excel o paquetes de programación, problemas de balance con reacción química  Comprender el concepto de reactivo limitante y de exceso en una reacción química.  Realizar una reacción química midiendo las cantidades de reactivos introducidos al sistema y de productos formados, para diferentes cantidades de reactivo. 2. FUNDAMENTO TEORICO La aparición de una reacción química en un proceso acarrea varias complicaciones en los procedimientos de balance de masa. La ecuación estequiometria de la reacción impone restricciones respecto de las cantidades relativas de reactivos y productos en las corrientes de entrada y salida. Reactivo limitante y reactivo en exceso

 

Si la cantidad relativa de reactivos es distinta a la relación estequiometrica, el reactivo presente en menor proporción que la estequiométrica es el reactivo limitante y el que está presente en mayor proporción que la estequiométrica es el reactivo en exceso. Se define SELECTIVIDAD: Moles formados de producto deseado / Moles formados de producto no deseado. Se define RENDIMIENTO: Moles formados de producto deseado / Moles formados sin reacciones laterales y con consumo completo de reactivo limitante Moles formados de producto deseado / Moles de reactivo alimentados Moles formados de producto deseado / Moles de reactivo consumidos en el reactor. El balance de materia tiene la forma: SALIDA – ENTRADA + ACUMULACION = GENERACION

EN UN BALANCE INTERMITENTE LA ACUMULACION ES NULA.

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Rendimiento de una reacción. Cuando se efectúa una reacción química en el laboratorio o en la industria, muy pocas veces se utilizan las cantidades exactamente estequiometrias de reactivos. Por lo general se trabaja con un exceso de un reaccionante, esperando de esta manera convertir completamente en productos aquel reactivo o reactivos que puedan resultar más costosos o más difíciles de obtener. Rendimiento teórico. El rendimiento teórico de una reacción se puede definir de la siguiente manera: LA CANTIDAD MAXIMA DE PRODUCTO QUE PUEDE OBTENERSE EN UNA REACCION QUIMICA TOMANDO COMO BASE DE CÁLCULO EL REACTIVO LIMITANTE. Denominándose reactivo limitante a AQUEL REACTIVO QUE; POR SU NATURALEZA PARTICULAR SE ENCUENTRA EN MENOR PROPORCION EQUIMOLECULAR. Rendimiento real. En toda reacción química por lo general la cantidad de producto obtenido es menor que la cantidad esperada o teórica; existen muchas razones para que la cantidad realmente obtenida sea menor a la teórica, debido a:  Puede que la reacción no llegue a completarse totalmente, debido principalmente a la reversibilidad de la reacción, estableciéndose por consiguiente un equilibrio de carácter dinámico.  La posibilidad de que se efectúen reacciones secundarias.  Debido a que parte del producto obtenido se pierde en las etapas posteriores al proceso de reacción química. Así, el rendimiento de una reacción química se puede medir en RENDIMIENTO EN PORCENTAJE; definido matemáticamente de la siguiente manera:

% 

Rendimiento real *100 Rendimiento teórico

3. MATERIALES Y REACTIVOS     

Computadora personal Hoja de cálculo Excel Información de factores de conversión Tablas de resolución de derivadas e integrales Datos de la practica N° 3

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4. PROCEDIMIENTO PRIMER PARTE  Preparemos una hoja de cálculo que nos sirva para poder determinar automáticamente cual es el reactivo limitante en una reacción, asimismo poder determinar cuál es el rendimiento de las reacciones en un proceso determinado, lo cual podríamos determinar de acuerdo a la velocidad de reacción y producto de solubilidad.  Aplicada aquellas funciones que nos faciliten la construcción de esta hoja.

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SEGUNDA PARTE  Procederemos a resolver la práctica N°3, principalmente en lo que respecta como resolver el balance de materia para cada uno de los casos que se fabricaron. Para esto se preparara un software que nos permita para todos los casos.

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5. NORMAS DE SEGURIDAD E HIGIENE Tener su archivo en constante grabación para evitar perdida de datos o información por una posible colgada del computador 6. RESULTADOS Y DISCUCIONES  Los resultados obtenidos en el laboratorio tiene errores sistemáticos, que se presenta en el rendimiento de cada sustancia.  Los gastos obtenidos en el laboratorio en su mayoría son datos confiables para resolver dicha práctica.  Uno de los problemas para desarrollar esta práctica fue el desarrollo del programa en visual Basic, ya que lo tuve que preparar en Windows XP. (y no en Windows 7) 7. CONCLUSIONES  Determinamos las cantidades estequiometrias de los reactivos que se requieren para producir una determinada cantidad de productos.  Hemos determinado el rendimiento porcentual de una reacción química.  Concluimos la preparación de los balances de materia correspondiente a cada reacción.  El balance para una sustancia reactiva no es E=S ya que debe contener P y C. 8. RECOMENDACIONES  Tener su archivo en constante grabación para evitar perdida de datos o información por una posible colgada del computador.  Ordenar toda la información del laboratorio N°3, para realizar sin ningún problema la practica en Excel. 9. CUESTIONARIO 9.1. Preparar una hoja de cálculo para balancear automáticamente reacciones químicas en un proceso de combustión completa donde se combustionan hidrocarburos de simple, doble y triple enlace hasta de 12 carbones. 9.2. Preparar una hoja de cálculo para hacer el balance de materia para el segundo caso preparado en la práctica considerando el porcentaje de rendimiento. 9.3. Preparar un programa en Visual Basic para determinar el reactivo limitante de la reacción de HCl y NaOH cuando se le suministre la composición de cada una de estas soluciones.

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9.4. El benceno reacciona con cloro para formar clorobenceno y ácido clorhídrico en un proceso intermitente: 120 kg de benceno y 20% de exceso de cloro se encuentran presentes inicialmente, quedando 30 kg de benceno una vez terminada la reacción a) Cuantos kg de cloro se encuentran presentes inicialmente b) Cual es la conversión fraccionaria del benceno c) cual es la composición molar del producto.

Reacción química: C6 H6 + Cl2 C6 H5 Cl + HCl a) Kilogramos de Cloro inicialmente: 𝟏𝑲𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 (𝟏𝟐𝟎𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 ) ( ) = 𝟏𝟓𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝟕𝟖𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝟏𝑲𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝟕𝟏𝒌𝒈 𝑪𝒍𝟐 (𝟏𝟓𝟒𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 ) ( )( ) = 𝟏𝟎𝟗. 𝟑𝟒 𝒌𝒈 𝑪𝒍𝟐 𝟏𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝟏𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝒍𝟐 𝑪𝒍𝟐(𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍) (𝟏𝟎𝟗. 𝟑𝟒)(𝟏𝟐𝟎) = 𝟏𝟑𝟏. 𝟐𝟏 𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝒍𝟐 b) Conversión fraccionaria del Benceno: 𝟏𝟐𝟎 − 𝟑𝟎 ( 𝟕𝟖 ) 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒊𝒅𝒂𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝒇= = = 𝟎. 𝟕𝟓 𝟑𝟎 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 𝒂𝒍𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒅𝒂𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 (𝟕𝟖) c) Composición molar del producto: 𝟏𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 (𝟑𝟎𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 ) ( ) 𝟕𝟖𝒌𝒈 𝑪𝟔 𝑯𝟔 = 𝟎. 𝟑𝟖𝟗 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝐬𝐢𝐧 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒄𝒊𝒐𝒏𝒂𝒓 𝟏𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝟏𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒍𝟐 (𝟗𝟎𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝟔 𝑯𝟔 ) ( )( ) 𝟕𝟖𝒌𝒈 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝟏𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 = 𝟏. 𝟏𝟓𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒍𝟐 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒊𝒅𝒐𝒔 𝟏𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒍𝟐 (𝟏𝟑𝟏. 𝟐 𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝒍𝟐 ) ( ) 𝟕𝟏𝒌𝒈 𝑪𝒍𝟐 = 𝟏. 𝟖𝟒𝟖 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒍𝟐 𝒂𝒍𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒅𝒐 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝒍𝟐 𝒏𝒐 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒊𝒅𝒐𝒔: 𝟏. 𝟖𝟒𝟖 − 𝟏. 𝟏𝟓𝟒 = 𝟎. 𝟔𝟗𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝒍𝟐 𝟏𝒌𝒈 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟓 𝑪𝒍 (𝟏. 𝟏𝟓𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 ) ( ) 𝟏 𝒌𝒈 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 = 𝟏. 𝟏𝟓𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝑪𝒍 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒊𝒅𝒐𝒔 𝟏𝒌𝒈 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝑪𝒍 (𝟏. 𝟏𝟓𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 ) ( ) = 𝟏. 𝟏𝟓𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝑪𝑳 𝟏 𝒌𝒈 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟔 𝑳𝒐𝒔 𝒇𝒍𝒖𝒋𝒐𝒔 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝒔𝒐𝒏: 𝑪𝟔 𝑯𝟔 : 𝟎. 𝟑𝟖𝟓 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒍𝟐 : 𝟎. 𝟔𝟗𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔 𝑯𝟓 𝑪𝒍: 𝟏. 𝟏𝟓𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝑪𝑳: 𝟏. 𝟐𝟓𝟒 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍 𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳: 𝟑. 𝟑𝟖𝟕 𝒌𝒈 − 𝒎𝒐𝒍

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9.5. H2SO4 + 2NaOH  Na2SO4 + 2H2O a) Se mezclan 5 lb de una solución de Naoh al 73,33% y 10 lb de H2SO4 al 80% ¿Qué cantidad de NaSO4 se forma? b) Cuál es el reactivo limitante c) Cuál es el reactivo en exceso d) Porque el rendimiento de esta reacción puede ser completa

2𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝐻2 𝑆𝑂4 −> 𝑁𝑎𝑆𝑂4 + 2𝐻2 𝑂 73.3 𝑙𝑏 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑙𝑏 𝑚𝑜𝑙 5 𝑙𝑏 ( )( ) = 0.09163 𝑙𝑏 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 100 𝑙𝑏 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 40 𝑙𝑏 𝑁𝑎𝑂𝐻 𝟖𝟎 𝒍𝒃 𝑯 𝑺𝑶

𝟏 𝒍𝒃 𝒎𝒐𝒍

𝟐 𝟒 𝟏𝟎 𝒍𝒃 (𝟏𝟎𝟎 𝒍𝒃 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒄𝒊ó𝒏 ) (𝟗𝟖 𝒍𝒃 𝑯

𝟐 𝑺𝑶𝟒

) = 𝟎. 𝟎𝟖𝟏𝟒𝟑 𝒍𝒃 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐 𝑺𝑶𝟒

𝑺𝒆𝒈𝒖𝒏 𝒍𝒂 𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 𝒆𝒔𝒕𝒆𝒒𝒖𝒊𝒐𝒎𝒆𝒕𝒓𝒊𝒄𝒂:

2𝑁𝑎𝑂𝐻 + 1𝐻2 𝑆𝑂4 −> 1𝑁𝑎𝑆𝑂4 + 2𝐻2 𝑂 𝑇𝑒𝑛𝑒𝑚𝑜𝑠: 𝑁𝑎𝑂𝐻



0.09163 𝑙𝑏 𝑚𝑜𝑙



0.08143 𝑙𝑏 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑆𝑂4

2

= 0.0458 0.0458 < 0.08143

𝒂) 𝑵𝒐 𝒉𝒂𝒚 𝒔𝒖𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑵𝒂𝑶𝑯 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒄𝒊𝒐𝒏𝒂𝒓 𝒄𝒐𝒏 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒆𝒍 𝒂𝒄𝒊𝒅𝒐 𝒔𝒖𝒍𝒇𝒖𝒓𝒊𝒄𝒐 𝒃)𝑹𝒆𝒂𝒄𝒕𝒊𝒗𝒐 𝑳𝑰𝑴𝑰𝑻𝑨𝑵𝑻𝑬: 𝑵𝒂𝑶𝑯 𝒄) 𝑹𝒆𝒂𝒄𝒕𝒊𝒗𝒐 𝒆𝒏 𝑬𝑿𝑪𝑬𝑺𝑶: 𝑯𝟐 𝑺𝑶𝟒 𝒅) 𝑬𝒔 𝒄𝒐𝒎𝒑𝒍𝒆𝒕𝒂 𝒑𝒐𝒓𝒒𝒖𝒆 𝒆𝒍 𝑵𝒂𝑶𝑯 𝒆𝒔 𝒖𝒏𝒂 𝒃𝒂𝒔𝒆 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒕𝒆 𝒚 𝒆𝒍 𝑯𝑪𝑳 𝒆𝒔 𝒖𝒏 𝒂𝒄𝒊𝒅𝒐 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒕𝒆 10. BIBLIOGRAFIA    

RICHARD FELDER, principios básicos de balance de los procesos químicos. Apuntes de laboratorio de balance de materia y energía. Separada del curso - ING. ROLANDO BASURCO MONTECINOS, EDGAR - MONTECINOS. JOSÉ. Química Curso Preuniversitario (1988)

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