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• Hipatia de Alejandría

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NEUTRALIZACION Teoría Arrhenius Un acido es un compuesto que en disolución acuosa produce protones y la base es toda aquella sustancia que en medio acuoso se disocia dando aniones hidroxilo.

𝑯𝑨 ↔ 𝑨− + 𝑯−

𝑨𝒄𝒊𝒅𝒐

𝑩𝑶𝑯 ↔ 𝑩+ + 𝑶𝑯−

𝑩𝒂𝒔𝒆

La neutralización es una reacción entre un ácido y una base, generalmente en las reacciones acuosas ácido-base se forma agua y una sal. Consecuentemente una base neutraliza es decir elimina o reduce las propiedades de un ácido y se ajusta, en términos generales, a una ecuación química del tipo: á𝒄𝒊𝒅𝒐 + 𝒃𝒂𝒔𝒆 ↔ 𝒔𝒂𝒍 + 𝒂𝒈𝒖𝒂

Así, por ejemplo, al añadir lentejas de sosa a una disolución de ácido clorhídrico: 𝐇𝐂𝐥(𝐚𝐪) + 𝐍𝐚𝐎𝐇(𝐬) ↔ 𝐍𝐚𝐂𝐥(𝐚𝐪) + 𝐇𝟐 𝐎 De acuerdo con la teoría de Arrhenius, la neutralización es la unión de los protones cedidos por el ácido con los hidroxilos cedidos por la base para dar agua. 𝐇 + + 𝐎𝐇 − ↔ 𝐇𝟐 𝐎 Si la concentración de base es suficiente, todos los iones H + procedentes del ácido serán neutralizados por los OH - procedentes de la base. Un exceso de base otorgará a la disolución resultante un carácter básico. Por el contrario, la existencia de iones H + no neutralizados, debido a un exceso de ácido, dará lugar a que la disolución tenga carácter ácido. Esta teoría sólo es válida en medio acuoso. Las reacciones que ocurren durante un proceso pueden ser endotérmicas, si absorben calor, o exotérmicas, si desprenden calor. Los cambios endotérmicos se expresan con signo positivo, y los cambios exotérmicos con signo negativo, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica. pH

La presencia de un ácido en disolución dará lugar a un aumento de la concentración de iones H+, mientras que la presencia de una base dará lugar a su disminución, lo que hará aumentar la concentración de iones OH-. Así, definió el pH como el logaritmo decimal cambiado de signo de la concentración de protones: pH = -log [H+] Paralelamente definió el concepto de pOH como el logaritmo decimal cambiado de signo de la concentración de hidroxilos: pOH = -log [OH-] Para calificar las disoluciones atendiendo a esta relación se emplean los términos: a) Neutra: [H+] = [OH-] = 10-7: pH = pOH = 7 b) Acida: [H+]> [OH-]: pH < 7. pOH > 7 c) Básica o alcalina: [OH-] > [H+], [H+] < 10-7: pH > 7, pOH < 7 TERMODINÁMICA DE LA REACCIÓN DE NEUTRALIZACIÓN El calor de neutralización es definido como el calor producido cuando un equivalente gramo de ácido es neutralizado por una base. El calor de neutralización tiene un valor aproximadamente constante, en la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte, ya que en esta reacción se obtiene como producto en todos los casos un mol de agua, que es formada por la reacción: 𝐇 + + 𝐎𝐇 − → 𝐇𝟐 𝐎 ó 𝐇𝟑 𝐎+ + 𝐎𝐇 − → 𝟐𝐇𝟐 𝐎 La cantidad de calor asociada a las reacciones químicas y a los cambios físicos se establece midiendo los cambios de temperatura de la disolución. Los cambios térmicos pueden ocurrir a presión constante o a volumen constante y se expresan con las siguientes ecuaciones: ∆𝑯 = 𝒒𝒗 = 𝟎;

∆𝑬 = 𝒒𝒗 = 𝟎

Donde ΔH representa el cambio de entalpía y ΔE el cambio de energía. La ΔH se puede determinar experimentalmente midiendo el flujo de calor que acompaña a una reacción a presión constante, y la ΔE a volumen constante El cambio de entalpía ocurrido en la reacción directa es exactamente opuesto en la reacción inversa. Este efecto térmico es el mismo sin importar si la reacción ocurre en una o varias etapas. La magnitud del cambio depende de la constitución, el estado físico de reactivos y productos y de la expresión estequiometrica. En cada una de las reacciones anteriores se obtienen 13,7 kcal. El calorímetro Cuando se lleva a cabo una reacción exotérmica en un calorímetro el calor liberado en la reacción es absorbido parte por el agua (elevándose su temperatura) y parte por las paredes del calorímetro. La cantidad de calor que absorbe el calorímetro se expresa como su capacidad calorífica o equivalente de agua, eqc. Esto se refiere a la cantidad de agua que absorbería la misma cantidad de calor que el calorímetro por el cambio en un grado de temperatura.

Figura. Calorímetro para medir el flujo de calor a presión constante El calor ganado por las paredes del calorímetro viene dado por: 𝒒𝒈𝒂𝒏𝒂𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒍𝒐𝒓𝒊𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 = 𝒒𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒂𝒈𝒖𝒂𝒄𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 − 𝒒𝒈𝒂𝒏𝒂𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒂𝒈𝒖𝒂 𝒇𝒓𝒊𝒂 Los calores de neutralización pueden determinarse por mediciones calorimétricas directas, a partir de mediciones en serie efectuadas sobre soluciones de concentraciones finitas que progresivamente se van diluyendo y extrapolando a dilución infinita. La cantidad de calor transferida se expresa en función de la cantidad de agua, m, el cambio de temperatura, ΔT y el calor específico del agua, c. El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de dicha sustancia en 1K (o en 1°C).

Se expresa en J/K·g o en cal/K·g. Para el agua, cagua = 1 cal/g·K = 4,184 J/g·K. Por tanto, 𝒒𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 𝒂𝒈𝒖𝒂 𝒄𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝒎𝒂𝒈𝒖𝒂 𝒄𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑪𝒂𝒈𝒖𝒂 (𝑻𝒂𝒈𝒖𝒂 𝒄𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 − 𝑻𝒐 ) 𝒒𝒈𝒂𝒏𝒂 𝒂𝒈𝒖𝒂 𝒇𝒓𝒊𝒂 = 𝒎𝒂𝒈𝒖𝒂 𝒇𝒓𝒊𝒂 𝑪𝒂𝒈𝒖𝒂 (𝑻𝑶 − 𝒕𝒂𝒈𝒖𝒂 𝒇𝒓𝒊𝒂 ) De donde la capacidad calorífica del calorímetro, o equivalente calorífico en agua del calorímetro viene dado por: 𝐪𝐠𝐚𝐧𝐚𝐝𝐨 𝐩𝐨𝐫 𝐞𝐥 𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫𝐢𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨 𝐂 = 𝐞𝐪𝐜 = 𝐓𝐨 − 𝐓𝐚𝐠𝐮𝐚 𝐟𝐫𝐢𝐚 Cuando se lleva a cabo una reacción de neutralización en un calorímetro mezclando una disolución de un ácido con otra de una base, el calor liberado en la reacción de neutralización es absorbido por el agua (que aumenta su temperatura) y por las paredes del calorímetro. 𝐪𝐫 = ∆𝐇 = (𝐂𝐚𝐧𝐭𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐝𝐞 𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫 𝐪𝐮𝐞 𝐠𝐚𝐧𝐚 𝐞𝐥 𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫𝐢𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨) + (𝐂𝐚𝐧𝐭𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐝𝐞 𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫 𝐪𝐮𝐞 𝐠𝐚𝐧𝐚 𝐞𝐥 𝐚𝐠𝐮𝐚) 𝒒𝒓 = ∆𝑯 = 𝒆𝒒𝒄 ∆𝑻 + 𝒎𝑪∆𝑻 La neutralización de una solución acuosa de Cl2 con una solución de NaOH puede ser representada por la siguiente ecuación: 𝑯𝑪𝒍𝟐(𝒂𝒄) + 𝑵𝒂𝑶𝑯(𝒂𝒄) → 𝑵𝒂𝑶𝑪𝒍(𝒂𝒄) + 𝑵𝒂𝑪𝒍(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐 𝑶(𝒍) El calor de reacción ΔHº 25°C puede calcularse a partir de los respectivos calores de formación ΔHºf, a saber: ∆𝐻 𝑜 𝑓 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑐) 𝑜

∆𝐻 𝑓 𝐶𝑙(𝑎𝑐) 𝑜

−112,236 𝑘𝑐𝑎𝑙 −40,023 𝑘𝑐𝑎𝑙

∆𝐻 𝑓 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑎𝑐)

−97,302 𝑘𝑐𝑎𝑙

∆𝐻 𝑜 𝑓 𝐻2 𝑂(𝑙)

−683,17 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑜

∆𝐻 𝑓 𝑁𝑎𝑂𝐶𝑙(𝑎𝑐) Según la ecuación ΔH = H final - H inicial, el calor standard de reacción para la ecuación será: ∆𝐻 𝑜 25𝑜 𝐶 = [(−97,302) + (−68,317)] − [(−112,236) + (−40,023)] = −13,680 𝑘𝑐𝑎𝑙

En la neutralización de soluciones diluidas de ácidos débiles y bases débiles, el calor desprendido es menor que 13,680 Kcal, debido a la absorción de calor que tiene lugar en el proceso de disociación del acido o base débiles. La reacción de neutralización puede ser en fase homogénea o heterogénea dependiendo del agente neutralizante que se utilice y por lo general se realiza a presión atmosférica. Los agentes neutralizantes comúnmente utilizados son la soda cáustica (NaOH) y el carbonato de sodio (Na2CO3), siendo menos comunes la solución amoniacal (NH3), la monoetanolamina, dietanolamina y trietanolamina. Debido al carácter de base fuerte de la soda cáustica, el calor de neutralización es mayor al obtenido con los otros agentes, dependiendo también de la concentración de la solución utilizada. FOMULACION TECNOLOGICA Un reactor químico se refiere a cualquier equipo utilizado para llevar a cabo la transformación molecular de uno o varios compuestos. Existen diversos criterios que establecen la clasificación de los reactores, bien sea por la naturaleza de los reactivos o por las condiciones del proceso como tal. Los reactores químicos constituyen básicamente el corazón de las plantas de manufactura de los diversos productos utilizados en la vida cotidiana e incluso para el control de emanaciones y desechos de elementos perjudiciales para el medio ambiente. El control del pH resulta esencial para la obtención de un producto de excelente calidad.  Fases de los fluidos presentes Indica básicamente si la reacción se realiza con una mezcla homogénea o heterogénea. Las reacciones homogéneas son en fase gaseosa o líquida únicamente. Para las reacciones heterogéneas o multifásicas corresponde a los sistemas con configuraciones permuta entre las fases gaseosa, líquida y solida.  Tipo de proceso Se refiere esencialmente al modo de operación de los reactores, los cuales pueden ser por lotes (batch) o de forma continua. En los procesos tipo batch, los reactivos son cargados dentro del reactor donde ocurre la transformación química. El tiempo el cual ocurra la reacción determinará la residencia de los compuestos dentro del reactor. En un proceso continuo, los reactores operan con un flujo interno que comienza en el punto de alimentación y culmina en el punto de descarga. Reactor de neutralización

El reactor de neutralización es un flujo pistón modificado, es decir, en vez de tener un solo tubo tiene un banco de tubos, además dichos tubos no son tubos vacios sino mezcladores estáticos que aumentan la eficiencia del reactor, ya que permiten un mejor mezclado de los reactivos y una mayor transferencia de calor al agua suavizada que se usa como refrigerante.

Figura. Reactor de neutralización pH-Metro Es un instrumento tiene un sensor el cual es utilizado para medir el PH de una disolución. Esto se da por medio de la membrana de vidrio que tiene el pH metro la cual obtiene la sensibilidad y selectividad de las dos soluciones de concentración.

Si se quiere conocer de forma aproximada el pH de una disolución, se utiliza el indicador universal, que es una mezcla en volúmenes iguales de rojo de metilo, timolftaleina, fenolftaleina, a-nalftolftaleina y azul de bromotinol, que da un color rojo a pH = 4 pasando a violeta para pH = 11.

BALANCE DE MASA Y ENERGIA Se realizará el balance de masa del proceso tomando en cuenta los porcentajes másicos planteados en la formulación y el balance de energía en el equipo donde la transferencia de calor juegue un papel importante tales como: el reactor de neutralización dicho balance toma en cuenta las propiedades de los compuestos implicados en cada una de las etapas del proceso. Para el desarrollo cinético de los reactores adiabáticos es necesario conocer el comportamiento de la velocidad de reacción con temperatura variable, esto se puede modelar a partir de la ecuación postulada por Arrhenius, expresada en términos logarítmicos como se observa en la siguiente ecuación: ln 𝐾 = ln 𝐴 −

𝐸 1 ( ) 𝑅 𝑇

Donde: A= Factor de frecuencia E= Energia de activación, KJ/mol o cal/mol R=Constante de los gases = 8.314 J/mol.K T= Temperatura Absoluta, K DIAGRAMA DE OPERACIONES Se puede observar un diagrama integrado de los equipos más importantes dentro de la planta de producción de detergente líquido.

Figura. Diagrama integral del proceso

Se realizó el diagrama tecnológico basada del diagrama integral del proceso a través del programa Día que es una aplicación informática para la creación de diagramas; se utilizó la pestaña de motor químico donde se encuentra todos los equipos necesarios para realizar el proceso de fabricación del detergente liquido con los distintos reactores químicos y agua.

Figura. Diagrama tecnológico del detergente liquido

Bibliografía Atkins, P.; de Paula, J. Atkins Química Física. 8ª ed. Capítulo 2. Editorial Médica Panamericana, 2008. • Reboiras, M.D. Química. La Ciencia Básica. Capítulo 7. Ed. Thomson, 2006.