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FUNDAMENTOS DE PROCESOS PRODUCTIVOS
(Clase 3)
Prof. Alejandro Reyes S.
Constitución de la materia
La teoría atómica de Dalton considera los siguientes aspectos relativos
a la constitución de la materia:

Toda la materia se compone de partículas extremadamente pequeñas
llamadas átomos

Todos los átomos de un elemento dado son iguales, pero los átomos de un
elemento difieren de los átomos de cualquier otro elemento

Se forman compuestos cuando se combinan átomos de distintos elementos
en proporciones fijas

Las reacciones químicas implican reordenamientos de átomos. Ningún
átomo se crea ni se destruye en una reacción química.
Una molécula es un grupo de átomos unidos químicamente
entre sí.
Las moléculas se representan por medio de fórmulas químicas.
Por ejemplo, el símbolo H representa al hidrógeno; la formula
H2 representa una molécula de hidrógeno.
La fórmula H2O
representa una molécula de agua.
Modelo atómico de Rutherford
Rutherford propuso que el átomo debería tener las siguientes características:
 La mayor parte de la masa del átomo y toda su carga positiva (protones) se
concentran en una región muy pequeña a la que llamó núcleo.
 Los electrones (carga negativa) están moviéndose constantemente alrededor
del núcleo.
 La mayor parte del átomo es espacio vacío
Posteriormente se descubrió que el núcleo estaba constituido por dos tipos de
partículas llamadas nucleones: el protón y el neutrón. El protón tiene 1836 veces
más masa que el electrón y su carga positiva neutraliza exactamente la carga
negativa del electrón. El neutrón tiene la misma masa que el protón, pero es
eléctricamente neutro.
El número atómico de un elemento indica el número de protones que hay en el
núcleo. En un átomo neutro, el número de protones es igual al número de electrones.
Los átomos que tienen el mismo número atómico (por lo tanto son del mismo
elemento), pero diferente número de masa se llaman isótopos.
Dado que los átomos tienen masas muy pequeñas, los
científicos definieron un número adecuado, llamado número de
Avogadro, que representa a un gran número de átomos, igual a
6,022 x1023.
La definición de mol representa a un conjunto de 6,022 x1023
átomos, moléculas, cationes o aniones.
Catión: átomo que ha perdido algún electrón; tiene carga positiva.
Anión: átomo que ha ganado algún electrón; tiene carga negativa.
Representaciones de un átomo
Tabla periódica
Antecedentes
El descubrimiento de un gran número de elementos y el estudio de sus propiedades
puso de manifiesto entre algunos de ellos ciertas semejanzas. Esto indujo a buscar
una clasificación de los elementos con objeto de facilitar su conocimiento y su
descripción. Desde 1817 se propusieron diversas tentativas para clasificar los
elementos.
La actual tabla periódica explica en forma detallada y actualizada las propiedades de
los elementos químicos, tomando como base a su estructura atómica. Este
ordenamiento de los elementos fue propuesto por el químico ruso Dmitry Ivanovich
Mendeléiev (1834-1907).
De la tabla periódica se obtiene información necesaria del elemento químico, en
cuanto se refiere a su estructura interna y propiedades, ya sean físicas o químicas.
Según sus propiedades químicas, los elementos se clasifican en metales y no
metales. Cuando Mendeléiev hizo esta clasificación, se desconocían muchos
elementos; los siguientes descubrimientos completaron la tabla.
El sistema periódico agrupa los elementos en orden creciente de su número
atómico. En la tabla periódica hay 7 filas horizontales, llamadas períodos y 18
columnas denominadas grupos o familias. La mayoría son metales- izquierda y
centro- y la minoría son no metales- derecha arriba-. Por facilidad de representación,
aparecen dos filas horizontales fuera de la tabla que corresponden a elementos que
deberían ir en el sexto y séptimo periodo, tras el tercer elemento del periodo.
Los metales son buenos conductores de la electricidad, del calor, tienen brillo, son
dúctiles(hilos) y maleables(láminas), son sólidos a temperatura ambiente y suelen
tener elevados puntos de fusión Los no metales no poseen las características
anteriores.
Cada elemento posee un nº de electrones propio. Los electrones dentro de un átomo
se distribuyen por capas. En la primera caben 2, en la segunda caben 8, y así
sucesivamente.
Salvo el tecnecio y el prometio, todos los elementos de la tabla periódica hasta el
uranio, se encuentran en la naturaleza. Los elementos transuránidos, así como el
tecnecio y el prometio, son elementos artificiales, que no se hallan en la naturaleza,
y han sido obtenidos por el hombre. Cuando se descubrió la ordenación periódica de
los elementos, se realizó de forma que elementos con propiedades químicas
similares cayeran en la misma vertical, en el mismo grupo, de forma que algunas
propiedades, que dependen más o menos directamente del tamaño del átomo,
aumentaran o decrecieran regularmente al bajar en el grupo (afinidad electrónica,
potencial de ionización, electronegatividad, radio atómico o volumen atómico). De
esta forma, conocer la tabla periódica significa conocer las propiedades de los
elementos y sus compuestos: valencia, óxidos que forma, propiedades de los óxidos,
carácter metálico, etc.
Si bien es cierto existen ciertas variaciones en la información entregada en la
Tabla Periódica, en general, para cada elemento se presenta lo siguiente:
Número
atómico
Peso
atómico
(M)
Símbolo químico
Configuración
electrónica
Cada elemento tiene una masa característica que llamaremos peso atómico (M), el
cual corresponde al peso de un mol de dicho elemento. Luego, el cálculo del número
de moles se obtiene con la expresión:
# de moles 
masa del elemento( kg ) masa del elemento( g )

Peso atomico ( kg / mol )
M ( g / mol )
Si se debe calcular el número de moles de un compuesto, el cálculo es similar,
solo que en vez del peso atómico se utiliza el peso molecular.
# de moles 
masa del compuesto ( kg ) masa del elemento( kg )

Peso molecular ( kg / mol )
M ( kg / mol )
Elementos y compuestos
Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos. Los elementos son
unidades fundamentales que no se pueden descomponer por medios químicos en
sustancias más sencillas. Por ejemplo, el azufre, el cobre, el carbono y el hierro son
algunos elementos, mientras que el dióxido de azufre, el sulfato de cobre, el dióxido
de carbono y el óxido de hierro son compuestos.
Cada elemento se representa por medio de un símbolo químico formado por una o
dos letras derivadas del nombre del elemento (en algunos casos, del latín). La
primera letra del símbolo se escribe siempre con mayúscula y la segunda con
minúscula. Por ejemplo, Co es el cobalto, mientras que el CO es el monóxido de
carbono.
Leyes de los gases ideales
Para la resolución de la mayoría de los problemas que involucran gases, se requiere
de una expresión que vincule el volumen con la temperatura y presión, de manera
que si se conoce alguna de estas dos cantidades pueda calcularse la tercera. Una
ecuación que relacione la cantidad (masa o moles) y el volumen de un gas a su
temperatura y presión se denomina ecuación de estado. La ecuación más sencilla y
de empleo más difundido es la ley de los gases ideales, que resulta adecuada para
diversos cálculos de ingeniería en procesos que involucran el manejo de gases. Sin
embargo, debe tenerse presente que a presiones elevadas y/o bajas temperaturas, los
gases se alejan de su comportamiento ideal.
La ley de los gases ideales puede obtenerse a partir de la teoría cinética de los
gases, suponiendo que las moléculas poseen un volumen despreciable, no
ejercen fuerzas entre sí y chocan en forma elástica con las paredes del
recipiente que las contiene. La ley de los gases ideales se expresa como :
PV=nRT
R
Donde R es una constante, de valor:

 at L
0,0821 
 mol  K




n corresponde al número de moles del gas, donde: n = masa de gas/M, siendo M el
peso molecular del gas.
T corresponde a la temperatura del gas en °K
Conceptos de Balances
Previo a plantear cualquier tipo de balance, debe especificarse el
sistema al cual se le aplicará dicho balance. Un sistema puede ser una masa de
materia contenida dentro de un equipo y completamente aislada de los alrededores, o
puede incluir toda la masa y energía comprendida en un proceso químico complejo
contenido en muchos estanques y conductos que los unen y en asociación con los
alrededores.
Límite
(frontera)
SISTEMA
Los contornos (“limite”) del sistema pueden ser:
a)
Sistema abierto (se permite la entrada y salida de energía y masa)
Sistema
agua
+
b)
-
Sistema cerrado (se permite solo la entrada y salida de energía)
Sistema
c) Sistema aislado (no se permite la entrada ni salida de energía ni masa)
En un sistema aislado los límites del sistema están definidos por una cantidad
determinada de materia y su contenido en energía está completamente separado de
toda la otra materia y energía. Dentro de un sistema aislado la masa del sistema
permanece constante, independiente de los cambios que tengan lugar dentro del
sistema (situación de un termo).
Sistema
En conclusión, un sistema se refiere a un material o grupo de materiales bajo
consideración y un proceso a los cambios que tienen lugar dentro del sistema.
Se puede expresar un balance (o inventario) de un material en un sistema
(un equipo de proceso, varias unidades, o un proceso completo), en la siguiente
forma general:
Entrada
[Entra
a través
Acumulación
de los límites
del sistema]
+
Generación
[Producido
dentro del
sistema en una
reacción
química]
–
Salida
[Sale a través
de los límites
del sistema]
–
Consumo
=
[Consumido
dentro del sistema
en una reacción
química]
Esta ecuación general de balance puede formularse para cualquier material
que entra o sale de un sistema de proceso.
Los términos de generación y consumo de una ecuación de balance
resultan nulos si la cantidad sobre la cual se efectúa el balance no es un reactivo
ni un producto de la reacción. Estos términos siempre son nulos si la cantidad
sometida a balance es la masa total, ya que la masa no puede crearse o destruirse
(ignorando las reacciones nucleares).
[Acumulación
dentro del
sistema]
Balances sobre procesos continuos en régimen permanente
En sistemas continuos, en estado permanente (estado estacionario), la
ecuación de balance a aplicar será:
Entrada
+
[Entra a través
de los límites
del sistema]
Generación
=
[Producido
dentro del
sistema debido
a reacciones
químicas]
Salida
–
Consumo
[Sale a través
de los límites
del sistema]
[Consumido
dentro del
sistema por las
reacciones
químicas]
La ecuación de balance puede ser aplicada a cualquier propiedad extensiva
(unidades contables, masa, energía, etc.) y no puede ser aplicada a propiedades
intensivas (presión, color, dureza, temperatura, etc.).
Los balance de materia y energía son una contabilidad de entradas y salidas de
materiales y energía de un proceso o parte de éste. Estos balances son importantes
para el diseño de equipos, para calcular su costo y para programar la producción. En
plantas que están funcionando, los balances permiten evaluar la eficiencia de los
procesos.
Los balances de materia y energía se basan en las leyes de la
conservación de la masa y la energía. Estas leyes indican que la masa y energía
son constantes y que por lo tanto la masa y la energía entrante a un proceso, deben
ser iguales a la masa y energía salientes, a menos que se produzca una acumulación
dentro del proceso.
Aunque la teoría de los balances es sencilla, su aplicación
puede ser compleja.
En balances de masa, sin reacción química, debe considerarse que
lo que se conserva es la masa, mientras que en sistemas con reacción
química, se conservan los átomos de cada especie, independiente del
compuesto o molécula que forman parte.
EJERCICIOS
1.- Calcular el peso molecular (M) de los siguientes compuestos: H2O; NH3;
CuSO4 ; HCl ; H2SO4
Aproxime sus cálculos considerando los siguientes pesos atómicos: H= 1; O= 16 ;
N= 14; Cu= 63,5 ; S = 32 ; Cl= 35,5 ;
2.- En un recipiente cerrado de 5 L (litros) se introducen 3 gramos de CH4 a 92 °C.
¿Cuál será la presión de este gas en atmósferas?
El peso molecular del metano es 16 (gr/gramo mol) = 16 (kg/kilo mol),
luego:
P 
n RT
V

(masa
M
) R (t  273)
V

 at L
(3 gramos
) 0,0821
16 gr / grmol
 mol  K
5L

 (92  273)


 1,124 atm
3.- Si en el mismo recipiente anterior, en vez de metano, se introducen 3 gramos de
gas butano (C4H10), Cual será la presión en atmósferas?. M = 58,12 (gr/gr mol):
P 
n RT
V

(masa
M
) R (t  273)
V
(3 gramos

 at L
) 0,0821
 mol K
5L
58,12 gr / grmol

 (92  273)


 0,309 atm
4.- De las expresiones siguientes ¿Cuáles representan elementos y cuales
representan compuestos?
Hg ;
NO ;
Cu2S
KI
;
BN
; In
; He
; CuO
5.- Determine el peso molecular (M) de los siguientes compuestos
3.a) Calcopirita (CuFeS2)
3.b) Monóxido de carbono (CO)
3.c) Oxido férrico (Fe2O3)
6. Calcule a cuantos moles corresponden 10 kilos de:
4.a) Cobre (Cu)
4.b) Cuprita (Cu2O)
4.c) Oxígeno (O2)
; No;
7.- Para concentrar el jugo de naranja se parte de un extracto que contiene 12.5% de
sólidos. El jugo se pasa a un evaporador que trabaja al vacío, saliendo con una
concentración al 58% de sólidos. Con el fin de mejorar el sabor del jugo, ya que
durante la evaporación se pierden ciertos saborizantes volátiles, se mezcla con el
extracto inicial, para entregar el producto final, con una concentración de 42% de
sólidos. Dibuje el diagrama de flujo del proceso y plantee balances en diversas
zonas.