• Author / Uploaded
• liliana

Citation preview

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

APRENDIZAJE PRÁCTICO BALANCE MASICO Y ENERGETICO EN PROBLEMAS AMBIENTALES

DIRECTOR DEL CURSO JANETH BIBIANA GARCÍA

TUTOR DE PRÁCTICA LUIS EDUARDO FORERO CÁRDENAS

ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE (ECAPMA) UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

1

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

OBJETIVO GENERAL

Fortalecer los conocimientos básicos para entender y hacer un Balance de Materia, por medio de 3 prácticas de laboratorio como lo son: Alcohol etílico con agua, Reducción de permanganato de potasio y por ultimo una reacción exotérmica.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Aprender a Identificar las propiedades físicas de sustancias puras y mezclas, por medio de las prácticas de laboratorio.  Aprendiendo haciendo balances de materia sin reacción química, con la dirección o tutoría del docente a cargo de la práctica.  Comprobar por medio de las prácticas la ley de la conservación de la materia.  Estudiar los cambios que ocurren en un proceso químico en el cual dos sustancias o más, por la acción de un factor energético, se convierten en otras sustancias llamadas productos  Reconocer propiedades como la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, entre otras, de reactivos y productos de diferentes reacciones químicas.  Clasificar los productos de los procesos químicos, según los cambios ocurridos en cada sistema. 

Aprender a realizar balance de materia con reacción química.

 Experimentar los cambios que ocurren en un conjunto de operaciones a que se somete una cosa para elaborarla o transformarla. con consumo o generación de energía.

2

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

MARCO TEÓRICO O DE REFERENCIA Dado que la mira central de este análisis estará puesta en 3 actividades de laboratorio como práctica del curso Balance Másico y Energético, será necesario plantear algunos parámetros que sirvan de ejes conceptuales sobre los que apoyar la lectura interpretativa de las actividades a desarrollar en laboratorio. Para empezar, entenderemos el concepto de propiedades físicas de sustancias puras y mezclas, reacción química, elementos y ley de la conservación de la materia, los cuales son fundamentales para realizar la práctica. Se entiende entonces como propiedades físicas de sustancias puras, aquellas sustancias que están unidas entre sí pero que no han perdido sus propiedades individuales. Dicho de otra manera una sustancia pura tiene siempre la misma estructura y los mismos átomos. Y entendemos como Elementos, se conocen como sustancias simples, y esta es una sustancia pura en la que los átomos son iguales (con la salvedad de que puedan existir isotopos), y tienen el mismo número atómico. Son sustancias que no se pueden transformar en otras sustancias químicas. Se conocen 114 elementos actualmente. En resumen es una sustancia pura constituida por una sola clase de átomos. Importante también entender que una Reacción química es un proceso químico en el que dos sustancias o más, llamados reactivos, por la acción de un factor energético, se convierten en otras sustancias conocidas como productos. Para entender mejor esto hay que saber que el factor energético en química es cuando en los procesos químicos ocurren adsorciones de energía del sistema al medio, las sustancias o elementos tienen dentro energía almacenada, entonces la diferencia entre la energía almacenada y la energía que se absorbe del sistema al medio , es la que entra en la reacción química. Y la cantidad de energía que cada sustancia tenga dentro almacenada se le denomina Entalpía o contenido energético, y la escriben como H. Y las Propiedades físicas de las mezclas se dice que es cuando dos o más sustancias puras se mezclan y no se combinan químicamente, hay dos calces de mezclas son homogéneas y heterogéneas. Las mezclas homogéneas tienen una composición unificada o igual, mientras que las mezclas heterogéneas no tienen una composición uniforme. También es indispensable que para realizar estas prácticas debemos saber que la Ley de la conservación de materia dice: la masa presente en los reactivos es igual a la masa presente en los productos.

3

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

El número de átomos en los reactivos debe ser igual al número de átomos en los productos. El ajuste de la ecuación se logra colocando índices estequiométricos delante de cada molécula. El índice estequiométrico es un número multiplica a los átomos de la sustancia delante de la cual está colocado. Según Ley de la conservación de la materia. Conceptos fundamentales En las reacciones químicas podemos observar que la energía varia, y se manifiesta sea luminosa, eléctrica, mecánica, y calorífica. Para entender un proceso químico desde el punto de vista energético, hay que considerar el conjunto de las sustancias que se transforman como un SISTEMA, y el resto se denomina ENTORNO. Según esto del sistema se puede transferir energía al medio o viceversa. Ejemplo: el planeta tierra es el sistema y el sol es energía en forma de calor, este hace que la tierra se caliente produciéndose una transferencia de vapor de agua, similar al que sale de una olla con agua caliente, este causa efectos adversos en el clima, el medio etc. Para eso es este estudio, la idea es aplicarlo a nuestra carrera de ingeniería ambiental entendiendo los fenómenos exotérmicos y endotérmicos que ocurren a nuestro alrededor y que son la clave para buscar una solución. Ese mismo principio lo aplicamos a una laguna, un tramo de un río, etc. Ahora miremos otros conceptos fundamentales para este curso, como por ejemplo, que es Reducción, diremos que es Transferencia o cambio de electrones, un ejemplo claro es la oxidación, cuando algo se oxida se reducen electrones. Y esto se puede observar cuando el permanganato oxida algo, la otra sustancia oxidada pierde electrones.

4

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

MATERIALES Y REACTIVOS



Alcohol Etílico



Agua Destilada



Ácido Sulfúrico



Fenolftaleína



Cobre



Ferrocianuro de Potasio



Amoniaco



Clorato de Potasio



Color



Hidróxido de Sodio



Cloruro de Bario



Ácido Clorhídrico



Nitrato de Plata



Cloruro Férrico



Sulfato de Cobre



Ácido Acético



Tubo de Ensayo



Vaso de Precipitados



Probeta



Pesa

5

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

DIAGRAMAS DE FLUJO DETALLADO DE LAS PRÁCTICAS

MEZCLA DE ALCOHOL ETÍLICO CON AGUA

Se vierten 25 ml de agua destilada añadir 20 ml de alcohol etílico, al mismo tiempo que se determinan sus

Se vierten 25 ml de agua destilada añadir 20 ml de alcohol etílico, al mismo tiempo que se determinan sus masas

Se mezclan las soluciones y tras esto se determina la masa, el volumen y la densidad de dicho producto.

Observar los cambios tras la reacción de la solución, analizar y registrar las observaciones sobre dicho reacción.

6

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

REACCIONES EXOTÉRMICAS

Se prepara una solución de dos molar en hidróxido de sodio en agua, a partir de hidróxido de sodio sólido.

Observar los cambios tras la reacción de la solución, analizar y registrar las observaciones sobre dicha reacción.

se mezclan 20 ml de hidróxido de sodio 2 molar, con 10 ml de azul de metileno.

se deben mezclar 20 ml de ácido acético 2 molar con 10 ml de azul de metileno, observar las reacciones.

Se mezclan lentamente las dos soluciones y observar su reacción

Se pasa a medir la temperatura de la solución resultante.

Se deben repetir los pasos anteriores, tomando como solución A, hidróxido de sodio 2 molar, y adicionar tres gotas de fenolftaleína y como solución B, utilizar ácido sulfúrico.

7

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

REDUCCIÓN DE PERMANGANATO DE POTASIO

MEDIO FUERTEMENTE ÁCIDO

MEDIO NEUTRO

MEDIO FUERTEMENTE ACALINO

Reacción donde un ácido que se disocia casi por completo en solución acuosa para ganar electrones.

El ácido y la base dejan de serlo cuando reaccionan entre sí, pero no significa, necesariamente, que el pH de la disolución resultante sea neutro.

Acción de un líquido que contenga álcalis.

PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTO

En 20 ml de agua destilada se disuelven 2ml de acido sulfúrico En 20 ml de agua destilada se concentrado, y en esta solución disuelven 0,6 g de oxalato de se agregaron 0,6 g de oxalato de sodio, se calentó dicha solución sodio, se calentó dicha solución a 60°C, a determinada a 60°C, a determinada sustancia sustancia con la anterior con la anterior temperatura se le temperatura se le agrega 1 ml agrega 1 ml de permanganato de de permanganato de potasio. potasio.

En 20 ml de agua destilada se disuelven 2g de hidróxido de sodio, y en esta solución se agregaron 0,6 g de oxalato de sodio, se calentó dicha solución a 60°C, a determinada sustancia con la anterior temperatura se le agrega 1 ml de permanganato de potasio.

Observar los cambios tras la reacción de la solución, analizar y registrar las observaciones sobre dicho reacción.

8

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

METODOLOGÍA

Durante el tiempo de práctica se realizaron tres actividades, que corresponden a lo visto en el curso, para este caso se ejecutaron las siguientes prácticas: TEMA 1. BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA: 

Practica a. MEZCLA DE ALCOHOL ETÍLICO CON AGUA. En la elaboración de esta práctica, se utilizará agua destilada y alcohol etílico, para identificar y determinar el balance de masa, el volumen y la densidad de dichas sustancias puras y mezclas, sin que se dé una reacción química.

TEMA 2. BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA: 

Práctica a. REDUCCIÓN DE PERMANGANATO DE POTASIO. En esta práctica a parte de otras sustancias, se utilizó el permanganato de potasio, para clasificar los cambios ocurridos de éste en medio ácido, neutro y alcalino, por medio de una reacción química.

TEMA 3. BALANCE DE ENERGÍA: 

Práctica b. REACCIONES EXOTÉRMICAS. Reacción donde se libera calor, esto significa que la energía de las moléculas de las sustancias es menor que la energía de las moléculas de las reacciones. En las reacciones químicas exotérmicas se desprende calor, significa que la energía de los productos es menor que la energía de los reactivos.

9

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

TEMA 1. BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA

Practica a. MEZCLA DE ALCOHOL ETÍLICO CON AGUA

1. En una probeta graduada de 100 ml, colocar 25 ml de agua destilada. Determine la masa de agua (solución A) 2. En otra probeta graduada de 50 ml, colocar 10 ml de alcohol etílico. Determinar la masa de alcohol (solución B) 3. Mezclar las soluciones A y B; determinar la masa, el volumen y la densidad de la solución resultante (solución C) 4. En otra probeta graduada de 100 ml, verter 25 ml de agua destilada. Determinar la masa de agua destilada (solución D) 5. En una probeta graduada de 50 ml, añadir 20 ml de alcohol etílico. Determinar la masa de alcohol (solución E) 6. Mezclar las soluciones D y E, determinar la masa, el volumen y la densidad de esta mezcla resultante (solución F) 7. Mezclar las soluciones C y F (solución G), determinar la masa el volumen y la densidad de la solución G.

10

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

RESULTADOS Y CÁLCULOS. 1. (Solución A - Agua Destilada). Peso de la probeta vacía Peso de la Probeta más agua destilada

109,8 g 131,21 g

M = 131,21 g - 109,8 g = 21,41 g V = 25 ml D=

21,41 𝑔 25 𝑚𝑙

= 0,85 𝑔/𝑚𝑙

2. (Solución B - Alcohol Etílico) Peso de la probeta vacía Peso de la Probeta más Alcohol Etílico

109,8 g 116,3 g

M = 116,3 g - 109,8 g = 6,5 g V = 10 ml D=

6,5 𝑔 10 𝑚𝑙

= 0,65 𝑔/𝑚𝑙

3. (Solución A+B = C - Agua Destilada + Alcohol Etílico) Peso de la probeta vacía Peso de la Probeta más solución A+B

109,8 g 141,27 g

M = 141,27 g - 109,8 g = 31,47 g V = 33 ml D=

31,47 𝑔 33 𝑚𝑙

= 0,95 𝑔/𝑚𝑙

11

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

4. (Solución D - Agua Destilada). Peso de la probeta vacía Peso de la Probeta más agua destilada

109,8 g 133,4 g

M = 133,4 g - 109,8 g = 23,6 g V = 25 ml D=

23,6 𝑔 25 𝑚𝑙

= 0,94 𝑔/𝑚𝑙

5. (Solución E - Alcohol Etílico) Peso de la probeta vacía Peso de la Probeta más Alcohol Etílico

109,8 g 125,75 g

M = 125,75 g - 109,8 g = 15,95 g V = 20 ml D=

15,95 𝑔 20 𝑚𝑙

= 0,79 𝑔/𝑚𝑙

6. (Solución D + E = F - Agua Destilada + Alcohol Etílico) Peso de la probeta vacía Peso de la Probeta más solución A+B

109,8 g 149 g

M = 149 g - 109,8 g = 39,2 g V = 44 ml D=

39,2 𝑔 44 𝑚𝑙

= 0,89 𝑔/𝑚𝑙

12

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

7. (Solución C + F = G) Peso de la probeta vacía Peso de la Probeta más solución A+B

109,8 g 180,4 g

M = 180,4 g - 109,8 g = 70,6 g V = 75 ml D=

70,6 𝑔 75 𝑚𝑙

= 0,94 𝑔/𝑚𝑙

Se realizaron estos cálculos utilizando el peso de la mezcla (utilizando la pesa); omitiendo la suma del peso inicial de cada sustancia. Se realizaron estos cálculos utilizando el volumen de la mezcla (utilizando la probeta graduada); omitiendo la suma del volumen inicial de cada sustancia.

Nos damos cuenta que si mayor es el volumen de la sustancia o la mezcla, menor es su Densidad.

13

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

TEMA 2. BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA

Practica a. REDUCCIÓN DE PERMANGANATO DE POTASIO

i) MEDIO FUERTEMENTE ACIDO 1. Vierta en un vaso de 100 ml, 20 ml de agua destilada 2. Vierta en la solución anterior 2 ml de ácido sulfúrico concentrado. 3. Disuelva en la solución anterior 0.6 g de oxalato de sodio (Na 2C2O4) ó 0.8 g de oxalato de potasio. 4. Calentar la solución ácida de oxalato de sodio a 60 ºC. 5. Añadir a la solución caliente 1 ml de una solución de permanganato de potasio. 6. Registrar sus observaciones.

ii) MEDIO NEUTRO 1. 2. 3. 4. 5.

Vierta en un vaso de 100 ml, 20 ml de agua destilada. Disuelva en 0.6 g de oxalato de sodio (Na 2C2O4) ó 0.8 g de oxalato de potasio. Calentar la solución de oxalato de sodio a 60 ºC. Añadir a la solución caliente 1 ml de una solución de permanganato de potasio. Registrar sus observaciones.

iii) MEDIO FUERTEMENTE ALCALINO 1. Disuelva 2 g de hidróxido de sodio1 en 20 ml de agua destilada en un vaso de 100 ml. 2. Disuelva en la solución anterior 0.6 g de oxalato de sodio (Na 2C2O4) ó 0.8 g de oxalato de potasio. 3. Calentar la solución alcalina de oxalato de sodio a 60 ºC. 4. Añadir a la solución caliente 1 ml de una solución de permanganato de potasio. 5. Registrar sus observaciones.

14

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

RESULTADOS Y CÁLCULOS

EN MEDIO FUERTEMENTE ÁCIDO: Se genera vapor porque se calienta, quiere decir que es una mezcla exotérmica, Se disolvió rápidamente el oxalato de sodio T= 60°C Se siente olor, el Permanganato reacciona y la mezcla sigue siendo incolora ¿Qué paso? Al reaccionar el permanganato de potasio con el sulfuro de potasio y ácido sulfúrico, dan como resultado sulfato de manganeso + sulfato de potasio de agua, porque el permanganato de potasio actúa como oxidante por lo que reduce su número de oxidación de 7+ a 2+. Formando sulfato de manganeso tomando un color transparente característico de este estado de oxidación. El bisulfito se oxido transformándose en sulfito. 4𝐾𝑀𝑛𝑂4 + 5𝐾2 𝑆2 𝑂5 + 𝐻2 𝑆𝑂4 → 4𝑀𝑛𝑆𝑂4 + 7𝐾1 𝑆𝑂4 + 𝐻2 𝑂

EN MEDIO NEUTRO:

El oxalato de sodio tarda más en disolverse Se conserva el color ¿Qué paso? El permanganato reacciona con el bisulfito y agua dando como resultado dióxido de manganeso, más sulfato de potasio y ácido sulfúrico. En este caso el permanganato es reducido pasando de su número de oxidación 7+ a 4+, formándose dióxido de manganeso de color café. El bisulfito se oxido transformándose en sulfato. 4𝐾𝑀𝑛𝑂4 + 3𝐾2 𝑆2 𝑂5 + 𝐻2 𝑂 → 4𝐾𝑀𝑛𝑂2 + 5𝐾2 𝑆𝑂4 + 𝐻2 𝑆𝐶4

15

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

EN MEDIO FUERTEMENTE ALCALINO:

Luego de agregar el permanganato va tornando un color verde jade o agua marina. Se redujo

¿Qué paso? En este caso el permanganato reacciona con el bisulfito e hidróxido de potasio formando permanganato de potasio + sulfato de potasio y agua. En este caso el permanganato reduce de su número atómico +7 a +6, tomando un nuevo color verde, por la formación de manganato de potasio.

4𝐾𝑀𝑛𝑂4 + 𝐾2 𝑆2 𝑂5 + 6𝑘𝑜𝐻 → 4𝑘2 𝑀𝑛𝑂4 + 2𝐾2 𝑆𝑂4 + 3𝐻2 𝑂

RESUMEN: Acido

=

Incoloro

Neutro

=

conservo el color violeta

Alcalino

=

Verde agua

16

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

TEMA 3. BALANCE DE ENERGIA

Práctica b. REACCIONES EXOTÉRMICAS

ACTIVIDADES

1. Prepare una solución 2 molar de hidróxido de sodio en agua a partir de hidróxido de sodio sólido. ¿Qué observa? 2. En un vaso de precipitados mezcle 20 ml de hidróxido de sodio 2 molar con 10 ml de azul de metileno. (solución A). Determine la temperatura de la solución. 3. En otro vaso de precipitados mezcle 20 ml de ácido acético 2 molar con 10 ml de azul de metileno. (solución B). Determine la temperatura de la solución. 4. Mezcle lentamente las soluciones A y B. ¿Qué observa? 5. Mida la temperatura de la solución resultante. ¿Qué puede decir de este tipo de reacciones? ¿Cuál o cuáles son los productos de la reacción? 6. Repita los pasos 2 a 5 tomando como solución A, hidróxido de sodio 2 molar con 3 gotas de fenolftaleína y como solución B ácido sulfúrico 2 molar.

17

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

RESULTADOS Y CÁLCULOS

1. Solución A - Hidróxido de sodio + azul de metileno Se tomó la temperatura inicial 31.2°C, cuando se le incorpora el azul de metileno la temperatura baja a 30°c Debido a que la temperatura baja, la reacción es endotérmica. 2. Solución B - Ácido acético + azul de metileno La temperatura inicial 25.7°C luego esta baja hasta los 23 °C No hay reacción química debido a que el azul de metileno es un indicador.

3. Solución A + Solución B La temperatura aumenta hasta 34,2 °C Se puede deducir que es una reacción exotérmica, es decir que libera energía en forma de calor.

4. La temperatura queda por encima de la temperatura ambiente (en la cual se efectúa la reacción) 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝑁𝑎𝑂𝐻 ⇒ 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎 + 𝐻2 𝑂 |

Se produce acetato de sodio y agua, debido a que la reacción es de neutralización, por lo que forma una sal a partir de un ácido y una base. 5. La reacción libera más calor, aumenta más de temperatura hasta alcanzar los 122 °C, la mezcla va subiendo de un tono amarillo hasta anaranjado, debido a su oxidación.

Cuando se realizan esta clase de prácticas, se tiene en cuenta que siempre debe ser el ácido sobre el agua, porque de lo contrario se produce una explosión.

18

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

CONCLUSIONES.

Por medio de los métodos empleados en el desarrollo de las prácticas en el laboratorio, se pueden comprobar varios conceptos básicos sobre el Balance de Materia y Energía, cumpliéndose dichos balances en cada reacción.

Nos damos cuenta que si mayor es el volumen de la sustancia o la mezcla, menor se hace su Densidad, y como las sustancias y mezclas tienen su proceso de reacción para conseguir identificar sus propiedades físicas y químicas.

19

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 358081 - Balance másico y energético de problemas ambientales

BIBLIOGRAFÍA:

 (octubre, 2015). Práctica de laboratorio Balance Másico y Energético en Problemas ambientales  (s.a) (s.f). Reacciones Exotérmicas y Endotérmicas, recuperado http://prepa8.unam.mx/academia/colegios/quimica/infocab/unidad114.html

en:

 Curso Balance Másico y Energético en Problemas ambientales, Protocolo componente práctico en: http://campus02.unad.edu.co/ecapma01/mod/url/view.php?id=13116&redirect=1  Curso Balance Másico y Energético en Problemas ambientales, Contenido del curso. Unidad dos. Cálculos de balance de Materia en: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358081/contenido_/IPQ_Balance_de_materia_pr ocesos_no_reactivos.pdf

20