BALANCE DE MATERIA CON REACCION QUIMICA

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus
Guanajuato
“La Técnica al Servicio de la Patria”
INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA
UA: Laboratorio de Bioingeniería | 4BM1
Docentes:
Juan Manuel Salgado Román
María Lourdes Mejía Farfán
Reporte Práctica 4. Balance de Materia con Reacción Química
Equipo 4:
Castro Rodríguez Guillermo Zahid
Gallegos Olmos Ingrid Monserrat
Mascareño Ramírez Regina
Moreno Bravo Nadia Carolina
Mosqueda Rogelio Mariana
Rojas Suárez Andrea
Fecha de entrega:
21/Abril/2021
ÍNDICE:
I. Resumen………………………………………………………………………………
II. Objetivos……………………………………………………………………………....
III. Introducción y Marco Teórico………………………………………………………...
IV. Descripción del sistema………………………………………………………………
V. Materiales y equipo…………………………………………………………………....
VI. Metodología…………………………………………………………………………...
VII. Resultados y discusión……………………………………………………………….
VIII. Conclusiones…………………………………………………………………………
IX. Cuestionario Post-laboratorio………………………………………………………...
X. Referencias…………………………………………………………………………...
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Práctica 4. Balance de Materia con Reacción Química.
I. Resumen.
El balance de materia y energía con reacción química es un concepto importante al momento
de analizar un proceso esto debido a los conceptos que estos involucran. El poder conocer
teóricamente la cantidad de productos y residuos obtenidos tras una reacción nos permite un
mejor manejo de estos y optimizar las condiciones de las reacciones.
En esta práctica se hará una análisis teórico y práctico del ciclo del cobre realizando balances
de materia con reacción comprobando así la efectividad del proceso real dado por la cantidad
de cobre recuperada terminada las diferentes reacciones a las que se le someterá.
II. Objetivos.
● Objetivo general:
Demostrar el principio de conservación de la materia realizando cálculos
estequiométricos de una secuencia de reacciones, a fin de interpretar de manera
experimental y teórica el proceso químico.
● Objetivos particulares:
1. Determinar la presencia de reactivo limitante y reactivo en exceso del ciclo del cobre.
2. Obtener la eficiencia del ciclo del cobre.
3. Realizar el balance de materia por reacción química para determinar la recuperación
del cobre.
III. Introducción y Marco Teórico.
Balances de materia y energía
Este principio se expresa como: “el cambio neto (aumento o disminución) de la energía total
del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la
energía total que sale del sistema durante el proceso”. esto hace referencia a que:
𝐸
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
− 𝐸
𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
= ∆𝐸
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
Esta relación se llama balance de materia y energía y se aplica a cualquier tipo de sistema
sometido a cualquier tipo de proceso. El éxito de esta relación en la resolución de problemas
de ingeniería depende de Comprender varias formas de energía y reconocer patrones. Cómo
se transfiere esto (Cengel y Boles, 2012).
Reacción química
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Una reacción química es un cambio químico en el que una o más sustancias se transforman
en otra u otras diferentes.
Las sustancias iniciales se llaman reactivos, porque son las que reaccionan, y las sustancias
finales se llaman productos, por ser las que se obtienen.
𝐴 + 𝐵 → 𝐶 + 𝐷
Una reacción química lleva asociada una reorganización de los átomos de los reactivos para
formar los productos (Felder y Rousseau, 2000).
Estequiometría
La estequiometría es el cálculo para una ecuación química balanceada que determinará las
proporciones entre reactivos y productos en una reacción química.
El balance en la ecuación química obedece a los principios de conservación, por ejemplo, la
Ley de conservación de masa que estipula que:
la masa de los reactivos = la masa de los productos
Leyes ponderales
● Ley de la conservación de la masa de Lavoisier
En toda reacción química se conserva la masa, es decir, la masa total de los reactivos es igual
a la masa total de los productos resultantes. Se puede enunciar de la siguiente manera: en
cualquier reacción química se conserva la masa. Es decir: la materia no se crea, ni se
destruye, solo se transforma. "En una reacción química, la suma de las masas de las
sustancias reaccionantes es igual a la suma de las masas de los productos de la reacción".
● Ley de Proust o de las proporciones constantes
Esta ley afirma que cuando varias sustancias se unen para formar un compuesto, lo hacen
siempre en una relación constante de masa.
Esta ley tiene implicaciones importantes. Por ejemplo, a la hora de determinar la fórmula
molecular de un compuesto, podemos asegurarnos que los subíndices de cada elemento son
fijos.
● Ley de Dalton o de las proporciones múltiples
Dalton concluyó que los pesos de uno de los elementos combinados con un mismo peso del
otro guardan una relación expresable por lo general mediante un cociente de números enteros
pequeños. Define que cuando 2 elementos químicos se combinan para formar 1 compuesto,
existe relación de números enteros entre las diversas masas de un elemento que se combinan
con una masa constante de otro elemento en el compuesto.
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REACTIVO LIMITANTE Y EN EXCESO
Dos reactivos, A y B, están presentes en proporciones estequiométricas cuando la relación:
(moles de A presentes) /(moles de B presentes)
es igual a la relación estequiométrica obtenida de la ecuación balanceada de la reacción.
REACTIVO LIMITANTE: Es el reactivo que se agota cuando una reacción procede hasta
completarse. Está presente en una proporción menor a la estequiométrica en relación con los
demás reactivos.
REACTIVO EN EXCESO: Es el reactivo que no se agota por completo durante la reacción
(Felder, 2018).
BALANCEO DE REACCIONES
Atómico
Este es el único balance en el que al analizar el proceso la ecuación toma la forma de .𝐸 = 𝑆
Esto debido a que no hay consumo de especies atómicas ni tampoco generación,cosa
contraria a las especies moleculares (Felder, 2018).
Avance de reacción
Es posible realizar un análisis dejando expresado los valores de generación y consumo con un
factor de avance de reacción ligado al coeficiente estequiométrico de la especie molecular
analizada, dicho valor es útil debido a que es el mismo para todas las especies moleculares en
la reacción permitiendo generar correlaciones entre varias reacciones (Felder, 2018).
Molecular
Para este tipo de balance es indispensable incluir en la ecuación los términos generación y
consumo de la especie molecular a analizar. Este análisis se realiza basándose en una especie
molecular y cómo cambia esta durante un proceso (Felder, 2018).
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IV. Descripción del sistema.
Figura x. Esquema de los materiales utilizados durante la práctica.
Para realizar el experimento, las reacciones químicas se realizan en un vaso de precipitados
de 250 mL. Para adicionar los ácidos se debe realizar dentro de la campana de extracción de
gases. Para agregar calor al sistema se debe emplear una parrilla de calentamiento.
❖ Parrilla con agitación magnética: Contiene perillas para temperatura y agitación.
Permite la agitación.
❖ Vidrio de reloj: Lámina de vidrio circular y cóncava mayormente utilizada para pesar
sustancias químicas.
❖ Espátula de acero inoxidable: Se utiliza para tomar pequeñas cantidades de
sustancias químicas, en su mayoría polvo.
❖ Vaso de precipitado: Vaso graduado de vidrio resistente a choque térmico.
❖ Pipeta: Tubo de vidrio, graduado, se utiliza para medir volúmenes de líquidos.
❖ Propipeta: Una jeringa con un tubo de hule, se utiliza para succionar líquidos al
momento de pipetear.
❖ Piseta: Frasco de plástico con una manguera y una tapa en la parte superior. Contiene
agua destilada. Se utiliza para enjuagar material o vaciar agua destilada.
❖ Balanza analítica: Con precisión de miligramos, con botón para tarar y barrera
protectora que minimiza los cambios de medición.
❖ Varilla de vidrio: Varilla hecha de vidrio, se utiliza para agitar soluciones o mezclas.
❖ Campana de extracción de gases: Con luz ultravioleta, puerta de vidrio y con unsistema de ventilación que permite la extracción de gases tóxicos.
❖ Probeta: Graduada, material de vidrio con pico vertedor y base de plástico.
Limitaciones:
★ Para adicionar los ácidos se debe realizar dentro de la campana de extracción de
gases, porque puede existir desprendimiento de gases, ya que de no emplearse, podría
ocasionar accidentes.
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★ Calentar sin llegar a la ebullición, de lo contrario pueden existir problemas a la hora
de obtener los compuestos.
★ En la adición de la solución de hidróxido de sodio a la solución ácida, puede haber
proyecciones.
V. Materiales y equipo.
Materiales:
● 1 Vidrio de reloj.
● 1 Espátula de acero inoxidable.
● 2 Vaso de precipitado de 250 mL.
● 2 Vaso de precipitado de 400 mL.
● 2 Pipeta graduada de 10 mL.
● 1 Propipeta o perilla de succión.
● 1 Pizeta.
● 2 Matraz volumétrico 250 mL.
● 1 Probeta graduada de 100 mL.
● 1 Agitador de vidrio.
● Balanza analítica.
● Parrilla de calentamiento.
● Campana de extracción de gases.
Reactivos:
● Cobre metálico.
● Ácido Nítrico concentrado 98%.
● Agua destilada.
● Hidróxido de sodio (Lenteja).
● Ácido sulfúrico concentrado.
● Zinc granalla.
● Ácido clorhídrico diluido.
VI. Metodología.
a) Transformación del cobre en nitrato de cobre (II)
cobre + ácido nítrico → nitrato de cobre (II) + óxido de nitrógeno (IV) + agua
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b) Transformación del nitrato de cobre (II) en hidróxido de cobre (II)
ácido nítrico + hidróxido de sodio → nitrato de sodio + agua
nitrato de cobre (II) + hidróxido de sodio → nitrato de sodio + hidróxido de cobre (II)
c) Transformación del hidróxido de cobre (II) en óxido de cobre (II)
hidróxido de cobre (II) →óxido de cobre (II) + agua
d) Transformación del óxido de cobre (II) en sulfato de cobre (II)
óxido de cobre (II) + ácido sulfúrico → sulfato de cobre (II) + agua
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e) Transformación del sulfato de cobre (II) en cobre
sulfato de cobre (II) + zinc → cobre + sulfato de zinc
zinc + ácido clorhídrico → cloruro de zinc + hidrógeno
VII. Resultados y discusión.
Resultados:
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Discusión:
En esta práctica del ciclo de cobre fue posible realizar una transformación, por medio de
cinco reacciones, empleando distintos compuestos de cobre para poder obtener el cobre en
estado metálico. Por ello, consiste en reacciones químicas tipo REDOX, en donde se oxida el
cobre en ácido nítrico y se disuelve para posteriormente recuperarlo. Es necesario emplear
diferentes ácidos, bases y metales, para que sea posible obtener las reacciones de óxido
reducción y recuperar el cobre metálico. A su vez, fue posible determinar el rendimiento para
valorar qué tan eficiente fue el experimento realizado.
En la primera reacción (Transformación del cobre en nitrato de cobre (ll)), se tiene que el
ácido nítrico es un oxidante muy fuerte, el cual permitió que se oxidara el cobre y de esta
forma se redujera a dióxido de nitrógeno. La reacción entre el cobre y el ácido nítrico es una
reacción exotérmica, por ello es importante realizarla de manera adecuada, ya que es una
reacción muy violenta. Cuando reacciona el ácido nítrico con el cobre, se generará un gas de
color rojizo y a su vez, el cobre se disuelve generando una solución de tonalidad verdosa
(García, 2010).
En la segunda reacción (Transformación de nitrato de cobre (ll) a hidróxido de cobre (ll)),
requiere emplear calor para poder asegurar que el nitrato de cobre pueda reaccionar con el
hidróxido de sodio y por lo tanto, sea posible que se consuma por completo, dando así un
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precipitado de tonalidad muy oscura (hidróxido de cobre II) y se obtenga la mayor cantidad
posible (Toro, 2021).
En la tercera reacción (Transformación de hidróxido de cobre (ll) a óxido de cobre (ll)),
requiere emplear nuevamente calor, para el hidróxido de cobre (ll) y esto permita que se
deshidrate el precipitado (se obtiene óxido de cobre), ya que se rompen enlaces. La reacción
producirá un precipitado de tonalidad negra (óxido cúprico), ya que se descompone el
hidróxido de cobre (López, 2010).
Para la cuarta reacción (Transformación de óxido de cobre (ll) a sulfato de cobre (ll)), es
necesario agregar ácido sulfúrico al óxido de cobre (ll), para poder disolver el óxido en el
ácido, obteniendo así una solución acuosa de sulfato de cobre (ll). Es una reacción de doble
sustitución y es exotérmica, por lo que la solución tendrá un tono azul claro, ya que se forman
sales de sulfato de cobre (II) con colores de verde azulado (López, 2010).
En la última reacción (Transformación de sulfato de cobre (ll) a cobre), es una reacción
REDOX, ya que el zinc se oxida y se reduce el sulfato de cobre (ll) a cobre metálico. El
reactivo limitante será el sulfato de cobre (II) y el reactivo en exceso es el zinc, por ello,
cuando ya no queda sulfato para reaccionar aún queda zinc. Derivando en la precipitación del
cobre metálico (CENBA, 2018).
En la ley de la conservación de materia según Whitten (2010), señala que no habrá cambio
observable en la cantidad de materia durante una reacción química, por lo que se obtuvieron
900 mg (0.9 g) de Cobre, empleando primeramente 1 g de Cobre, por lo que se obtuvo un
rendimiento del 90.2165%.
El cobre puede ser sometido a una serie de reacciones específicas y aun así poder ser
recuperado casi en su totalidad (Riaño, 2012).
Los metales que por lo general se utilizan para la reducción del cobre son el magnesio y el
zinc, dado que son los que menos energía consumen. Si el cambio de energía es mayormente
negativo, por lo tanto será menor la efectividad que va a tener en la reacción. En la práctica se
empleó el zinc, ya que el magnesio es extremadamente inflamable.
Al adicionar el ácido clorhídrico se necesita eliminar el zinc que no reaccionó con el sulfato
de cobre, cuando el ácido se agrega a una solución con zinc formará cloruro de zinc, si el
cloruro de zinc no es retirado de correctamente, al momento del secado puede haber también
la presencia de esta sal, ocasionando errores en la cuantificación final (López, 2012).
Si el rendimiento es más cercano al 100%, es posible tener una transformación más eficiente.
Pero en la práctica diaria se considera imposible obtener un porcentaje del 100% para
cualquier reacción química, ya que pueden existir errores debidos a la experimentación (mal
manejo del equipo, de los materiales o a la cuantificación). Por ello, los rendimientos son
inferiores al 100% debido a las pérdidas mecánicas por manipulación de reactivos, formación
de productos no esperados por reacciones secundarias, la pérdida de capacidad de los
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reactivos para reaccionar y por la generación de reactivos a partir de productos cuando se
trabaja con reacciones reversibles (CK-12, 2021).
VIII. Conclusiones.
● Conclusiones individuales:
Castro Rodriguez Guillermo Zahid:
Gallegos Olmos Ingrid Monserrat:
Mascareño Ramírez Regina:
Moreno Bravo Nadia Carolina:
Mosqueda Rogelio Mariana:
Rojas Suárez Andrea:
● Conclusión general:
IX. Cuestionario Post-laboratorio.
1. ¿Cuál es la importancia de conocer la estequiometría del conjunto de reacciones químicas
en el ciclo del cobre?
2. ¿Qué importancia tiene conocer la pureza de los reactivos en los balances de masa?
3. ¿Qué función tiene adicionar ácido clorhídrico diluido al finalizar el ciclo?
4. Desarrolle las ecuaciones químicas con todos los signos auxiliares, la descripción de la
reacción y el balance de masa de cada una de las reacciones.
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5.-Describa las características de cada uno de los diferentes compuestos de cobre que se
obtienen durante el ciclo.
6. El reactivo limitante y en exceso de cada una de las reacciones, calculando la cantidad en
exceso que se adiciona.
7. Calcule el rendimiento del ciclo.
X. Referencias.
● Cengel, Y.A. Boles, M.A. (2012). Termodinámica, 7ma Edición. México: McGraw
Hill.
● Felder y Rousseau. (2000). Principios elementales de los procesos químicos.
(Segunda edición.). Addison Wesley
● Gay-Lussac, Joseph Louis (1809). «Memoire sur la combinaison des substances
gazeuses, les unes avec les autres». Mémoires de la Société d'Arcueil2: 207.
Rcuperado de: https://journals.openedition.org/bibnum/452
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XI. Anexos.
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https://journals.openedition.org/bibnum/452