LABORATORIO APLICACIÓN DE PROCESOS

QUÍMICOS INDUSTRIALES

PRACTICA No. 8

estequiometría

SECUENCIA: 3NMC

• CONSIDERACIONES TEÓRICAS

OBJETIVO:

• Calcular el costo de producción de una reacción química con base en costo de las materias primas

• Efectuar cálculos estequiometricos para determinar el rendimiento de una reacción química a partir de datos experimentales.

INTRODUCCIÓN

La estequiometría es la parte de la química que se refiere a la determinación de las masas de combinación de las substancias en una reacción química.

Esta cuantificación tiene como base la ley de la conservación de la masa establecida por Lavoisier que establece lo siguiente

“La suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos”

Para efectuar cálculos estequiometricos es necesario representar la reacción química por medio de una ecuación balanceada de la que a su vez es posible obtener información relacionada con el tipo de sustancias que participan en el proceso, propiedades físicas de las mismas, dirección o sentido de la reacción, absorción o desprendimiento de energía calorífica, etc.

Ejemplo:

De esta ecuación que representa la producción de amoniaco a partir de hidrogeno y nitrógeno, se puede decir que se trata de una reacción de síntesis, reversible, exotérmica, homogénea, cabalizada y en la que 6 unidades de masa de hidrogeno se combinan con veintiocho unidades de nitrógeno, para producir treinta y cuatro unidades de masa de amoniaco. El amoniaco se emplea para producir fertilizantes.

Estas unidades de masa pueden ser en gramos, kilogramos, toneladas, etc.

Si la unida de masa se refiere específicamente al PESO MOLECULAR GRAMO, entonces se expresará en gramos, por que el peso molecular es la suma de los pesos atómicos de los átomos representados en la formula de la sustancia.

En el caso anterior, el peso molecular de amoniaco es 17 y se encuentra representado dos veces según el balance de la ecuación.

Pesos atómicos

Peso molecular

En un proceso industrial en el que ocurre una ecuación química es necesario hacer uso de la estequiometria con el fin de establecer un balance de materias, mismo que conlleva un balance económico al considerar el costo de las materias primas en las cantidades requeridas para una producción preestablecida

La estequiometría permite resolver problemas inherentes al calculo de las cantidades de reactivos para obtener un producto o bien al calculo estequiometrico son

• PUREZA DE UN REACTIVO

• RENDIMIENTO DE UNA REACCIÓN

La pureza de un reactivo: es la relación en la que se encuentra una sustancia en especie dentro de una muestra.

El rendimiento de una reacción química indica en que medida, un reactivo se convierte en producto o bien en que cantidad se obtiene un producto con respecto a una cantidad teórica o ideal esperada.

Finalmente, con objeto de asegurarse que se consuma totalmente un reactivo se agrega otro en mayor proporción estequiometrica. Al principio se llama REACTIVO LIMITANTE y al segundo se la llama REACTIVO EN EXCESO.

Ejemplo. Sea el proceso

Se pregunta ¿Qué cantidad de amoniaco se podrá obtener a partir de 100
de hidrogeno cuya pureza es del 99%, y nitrógeno en exceso, si la eficiencia de la reacción es del 80% ?

Solución. Los pesos moleculares representan las proporciones definidas en las que se combinan la sustancias, por lo que para cualquier otra cantidad de reactivo, habrá una cantidad proporcional de producto

El resultado “real” se obtiene cuando se consideran los factores de pureza y rendimiento.

Como se ve la cantidad real de producto disminuye con respecto al cálculo ideal por los factores antes mencionados

• material empleado

• vaso de precipitados de 100
  .

• vaso de precipitados de 250
  

• soporte universal con anillo y tela de asbesto

• embudo tallo largo para filtración simple

• mechero Bunsen

• agitador de vidrio

• pinzas para crisol

• vidrio de reloj

• espátula chica

• hoja de papel filtro de 10*10 cm.

• estufa con termómetro

• desecador

• balanza electrónica

• sustancias empleadas

• Limadura de hierro (Fe) de 98.5% de pureza

• Sulfato cuprico hidratado
  (cristales)

• Agua destilada

• Procedimiento

Masa de producto = (masa final de vidrio + papel + residuo) - (masa de vidrio + papel)

CONCLUSIÓN

La estequiometría nos sirve para calcular y conocer la cantidad de materia de los productos que se forma a partir de los reactivos.

En el caso de esta práctica, partimos que los reactivos son 5 gr. de CuSO4 y 1 gr. De Fe2 98.5 % de pureza. Durante la práctica, el reactivo limitante es el Fe2 ya que, durante la reacción química es el que se agota primero. Al hacer cálculos estequiométricos indicados en la pregunta 4 del cuestionario, obtenemos la cantidad de cobre esperada; esto porque debemos partir de la ley “la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma” en otras palabras, todo lo que entra debe salir. Es por eso que la ecuación química debe estar balanceada. Esta reacción es de sustitución simple y es endotérmica, ya que para efectuarse requerimos de energía calorífica. También se calcula la eficacia de nuestro experimento.CUESTIONARIO

2CuSO4 (ac) + Fe2 (s) 2FeSO4 + Cu2

Donde:

CuSO4 Sulfato cúprico

Fe2 Limadura de Hierro

FeSO4 Sulfato ferroso

Cu2 Cobre

Es endotérmico ya que para que se lleve acabo la reacción química necesito de energía calorífica, es irreversible porque la flecha indica una sola dirección y es de sustitución simple.

Se obtiene cobre. La industria de transformación de los alimentos utiliza una cantidad importante de aleaciones de cobre y esto se debe a su elevada conductividad térmica, buena resistencia a la corrosión y fácil manejo. En la industria de los alimentos, el cobre es usado en pailas para la producción de mermelada y refinación de azúcar. Recipientes similares son usados en la fabricación de dulces y pastillas para propósitos médicos. El cobre también es utilizado en el manejo de alimentos líquidos. En la fabricación de cerveza, la fermentación se produce en calderas de cobre y el proceso de purificación del mismo se lleva a cabo en un equipo de destilación de cobre.

En la industria química muchos recipientes de reacción y filtros son de cobre o aleaciones así como en diversos tipos de cambiadores de calor, esenciales en los procesos químicos, Tanques metálicos fabricados a base de cobre son usados para el almacenamiento de ácidos y otros productos químicos. En una refinería de petróleo, las columnas de destilación y torres para producir cloro etano (un solvente de grasas) son fabricadas con una aleación de bronce al silicio.

Datos.

5 gr. de CuSO4

1 gr. De Fe2 98.5 % de pureza

2CuSO4 + Fe2 2FeSO4 + Cu2

nFe2 = m / P. m. = 1 g/111.68 g/mol = 0.008954154 mol.

1 mol de Fe2 1 mol de Cu2

0.008954154 mol. de Fe2 0.008954154 mol de Cu2

m Cu2 = n * P. m. = 0.008954154 mol * 127.08 g/mol = 1.13789389 gr. de Cu2 (ideal)

m Cu2 = 1.13789389 gr. de Cu2 (ideal) * (0.985) = 1.120825482 gr. de Cu2 (real)

El peso obtenido experimentalmente de Cu2 fue de 0.9 gr y el teórico es de 1.120825482 gr . Esto es porque durante el procedimiento del experimento pudo haberse medido mal o pudimos haber perdido materia en cada uno de los aparatos utilizados.

Datos.

5 gr. de CuSO4

100 gr. De Fe2 99% de pureza

80.29% de rendimiento

2CuSO4 + Fe2 2FeSO4 + Cu2

nFe2 = m / P. m. = 100 g/111.68 g/mol = 0.895 mol.

1 mol de Fe2 1 mol de Cu2

0.895 mol. de Fe2 0.895 mol de Cu2

m Cu2 = n * P. m. = 0.895 mol * 127.08 g/mol = 113.7366 gr. de Cu2 (ideal)

m Cu2 = 113.7366 gr. de Cu2 (ideal) * (0.99) * (.8029) = 90.4059 gr. de Cu2 (real)

Nota: deberá hacer una cotización, por lo menos, con dos proveedores diferentes.

Como ingeniero en informática, representa información que podría ser necesaria para hacer un programa que calcule la materia necesaria para obtener una cantidad específica de cobre. A demás significan gastos para la empresa que se dedique a esta actividad.

La estequiometría nos sirve para calcular y conocer la cantidad de materia de los productos que se forma a partir de los reactivos.

En el caso de esta práctica, partimos que los reactivos son 5 gr. de CuSO4 y 1 gr. De Fe2 98.5 % de pureza. Durante la práctica, el reactivo limitante es el Fe2 ya que, durante la reacción química es el que se agota primero. Al hacer cálculos estequiométricos indicados en la pregunta 4 del cuestionario, obtenemos la cantidad de cobre esperada; esto porque debemos partir de la ley “la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma” en otras palabras, todo lo que entra debe salir. Es por eso que la ecuación química debe estar balanceada. Esta reacción es de sustitución simple y es endotérmica, ya que para efectuarse requerimos de energía calorífica. También se calcula la eficacia de nuestro experimento.

BIBLIOGRAFÍA

Raymond Chang,

Química

Ed. Mc Graw Hill

7a Edición, Pág. 47

Diccionario Enciclopédico

Ed. Océano, Edición 1995

H. D. Crock Ford, Samuel B. Knight

Fundamentos De Físico-Química

E.D. Continental S. A. De C. D.

México, Pag. 19 - 21

David P. Shoemaker, Carl W. Garland

Experimentos De Físico-Química

E. D. Hispano Americana

Pag. 168, 583.

Paul E. Tippens

Física, Conceptos Y Aplicaciones

Ed. Mc Graw Hill, 5a Edición

México 1996, Pág. 310-312.

Smoo Robertt, Price Jack.

Química: Un curso moderno

Ed. CECSA, 12a Edición

México 1990, Pág. 348-349.

Paul Ander, Anthony J. Sonsea

Principios de Química. Introducción a los conceptos básicos.

Ed. Limusa, Pág. 413

Guillermo Garzón G

Fundamentos de Química General

Ed. Mc. Graw Hill, Pág. 144

DAUB William G., SEESE William S.

“Quimica”

Ed. Prentice-Hall Hispanoamericana S. A. 320-321.

http://www.lafacu.com/apuntes/quimica/esta_mate/default.htm

Nota: para efectos de cálculo, solo se considera al reactivo limitante, no al exceso.

111.68 g/mol

2(159.54) g/mol

2(151.84) g/mol

127.08 g/mol

Pesos Atómicos.

Cu = 63.54 g/mol

S = 32 g/mol

O = 16 g/mol

Fe = 55.84 g/mol

111.68 g/mol

2(159.54) g/mol

2(151.84) g/mol

127.08 g/mol

Pesos Atómicos.

Cu = 63.54 g/mol

S = 32 g/mol

O = 16 g/mol

Fe = 55.84 g/mol

Productos

Reactivos