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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.