UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
INFORME
PRACTICA DE LABORATORIO
BALANCES MASICOS Y ENERGETICOS DE PROBLEMAS AMBIENTALES
Presentado por:
MARIA EUGENIA OSSA LOPEZ Cód. 66.833.153
HELMER CAICEDO CUERO Cód.10.388.556
JUAN CARLOS HINESTROZA Cód. 10.386.776
OSCAR SUAREZ Cód.
Tutora componente práctico
LILIANA ROCIO BELTRAN ACEVEDO
Tutora virtual
JANET BIBIANA GARCIA
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
OCTUBRE DE 2014
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
MARCO TEORICO
Cuando se tienen transformaciones de materia y de materia en energía se habla de procesos complejos en los que es necesario realizar balances de masa energía. Para procesos tales como la destilación, evaporación, filtración y otros se requiere efectuar balance de materia como una forma de controlar el proceso realizado.
El balance de materia de una reacción química se basa en la ley de la conservación de la materia, la cual fue enunciada por Antoinne Lavoisssier. “La suma de las masas de las sustancias reaccionantes es igual a la suma de las masas de los productos”. La materia no se crea ni se destruye, sólo puede ser transformada.
Dalton, Gay-Lussac y Avogadro proporcionan la base lógica para la aceptación de la existencia de átomos en trabajos efectuados con datos experimentales reunidos en postulados relativos a su naturaleza, mismo que consistían en relaciones cuantitativas basadas en el preso (considerando como una propiedad inherente al átomo), demostrando que:
• Existen átomos indivisibles.• Átomos de distintos elementos poseen distinto peso.• Los átomos se combinan según distintas relaciones de número enteros (pequeños) para formar compuestos.• Estos postulados, que no eran completamente ciertos sentaron bases para el estudio de la estequiometria.
En 1905, Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial que la masa y la energía son equivalentes. Como consecuencia, las leyes de conservación de la masa y de la energía se formularon de modo más general como ley de conservación de la energía y masa totales. La Ley de Conservación de la masa puede considerarse válida en las reacciones químicas (donde los cambios de masa correspondientes a la energía producida o absorbida no son mesurables), pero no se cumple en las reacciones nucleares, donde la cantidad de materia que se convierte energía es mucho mayor.
CONSERVACIÓN DE LA MATERIA
Una de las leyes básicas de la física es la ley de la conservación de la masa. Esta expresa en forma simple que la masa no puede crearse ni destruirse solo transformarse, por consiguiente la masa total de todos los materiales que entran en un proceso debe ser igual a la masa total de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso.
Entradas = Salidas + Acumulación
Expresado en otras palabras, “lo que entra debe de salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso de estado estable.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAPRACTICA No. 1
BALANCE DE MATERIA SIN REACCION QUIMICA
BALANCE MACROSCOPICO DE MATERIA EN REGIMEN NO ESTACIONARIO.
Un reactor continuo de tanque agitado es, básicamente, un recipiente por el que circula un caudal de fluido m, y en cuyo seno el fluido se encuentra perfectamente agitado de manera que, en un momento dado, todos los puntos del mismo poseen idénticas propiedades, variando estas con el tiempo.
MATERIALES Y REACTIVOS
Materiales
ITEM MATERIAL CARACTERÍSTICA CANTIDAD1 Probeta 100 ml 12 Probeta 50 ml 13 Tanque Agitado 14 Entrada de Fluido 15 Llave de Paso salida de
Fluido1
6 Llave de vaciado 17 Vaso de precipitado 25 ml 18 Agitador Magnético 19 Electrodo de
conductímetro1
10 Conductímetro 111 Imán
Reactivos
ITEM REACTIVO CARACTERÍSTICA FORMULA1 Cloruro de sodio Sal común, solido incoloro,
cristalino, soluble en agua y muy poco soluble en etanol. Está formado por un átomo de sodio y un átomo de cloro
NaCl
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAMetodología:
1. Se debe diseñar un reactor continuo de tanque agitado cuyo volumen sea de 400 ml, con los materiales con que cuenta el laboratorio. Sobre el reactor debe circular un caudal constante de agua.
2. Preparar curva de calibración de conductividad (cond) vs. Concentración ( C ) de NaCl.
3. Preparar un litro de solución para cada una de las siguientes concentraciones de cloruro de sodio: 90 g/l. 180 g/l
4. Colocar 3 litros de la primera solución en el tanque y comenzar a agitar. Realizar la lectura de conductividad.
5. Hacer fluir agua destilada a través del tanque agitado y tomar lecturas de conductividad cada minuto hasta que la conductividad sea estable.
6. Elaborar una tabla que recoja la variación de la concentración de sal con tiempo.
Entrada de fluidoLlave de paso salid de
Fluido
Tanque agitado
Imán
Agitador magnético
Llave de Vaciado
Vaso de precipitado de 25 ml Conductímetro
Electrodo del conductímetro
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DIAGRAMA DE FLUJO
Graficar –ln C sal Vs. T. Explicación
Análisis de fuentes de error
Calibración de Conductividad
Vs. Concentración
Hacer una tabla sobre la variación de concentración de sal con el tiempo
Lecturas de conductividad us/cmRepetir las dos concentraciones que faltan y
del proceso del cuadro 5.
Lecturas de conductividad us/cmRepetir el proceso cambiando el caudal del agua en una misma concentración del NaCl
Lecturas de conductividad us/cmFluir agua destilada al tanque agitado y
realizar lecturas cada 60 segundos, llegar a una conductividad estable
Primera lectura de conductividad us/cmAdicionar ml a la primera solución en el tanque y agitar
1 L de solución para concentraciones de cloruro de sodio NaCl x 90 g/l; 180 g/l.
Caudal de entrada y salida
BALANCE MACROSCÓPICO DE MATERIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO
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Tabla 1
MUESTRA DE 90 gr.TIEMPO CONDUCTIVIDAD Us/cm
0 504011 320532 177883 115144 88145 58366 48217 35168 17739 1448
10 1236,611 840,712 563,913 469,714 42615 307,716 252,617 225,218 195,519 181,520 169,421 15722 148,7
Tabla 2
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAMUESTRA DE 180 gr.
TIEMPO CONDUCTIVIDAD Us/cm0 672071 510672 353123 252184 198035 144236 86057 66778 55269 4081
10 295611 205012 149013 115014 859,515 638,516 49817 381,718 320,419 263,420 227,921 202,522 183,823 171,224 160,425 153,626 148,3
Conductividad del agua 135,3
7. Graficar – In C sal vs t. Explicar el valor de la pendiente y el intercepto.
Grafica 1.
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 230
10000
20000
30000
40000
50000
60000
In C 90 g/l sal vs. t.
TIEMPO CONDUCTIVIDAD Us/cm
Grafica 2
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 270
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
In C 180 g/l sal vs. t
TIEMPOCONDUCTIVIDAD Us/cm
TIEMPO
CON
DUCT
IVID
AD -
CON
CEN
TRAC
ION
DE
SAL
8. Analizar las fuentes de error en la experimentación.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAa. Una de las posible es fuentes de error está en que el caudal de agua al ingresar
no es igual al que sale.b. La entrada del tanque no es igual a la salida.c. La agitación en el primer proceso no tiene la misma constante que la primerad. Agentes externos intervienen en el proceso de agitación
Registro Fotográfico
PRACTICA No. 2 BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA
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CLASIFICACION DE REACCIONES QUIMICAS
MATERIALES Y REACTIVOS
Material característica Cantidad
Tubo de ensayo De 1 ml resistente al calor
7
Gotero manual 7
Mechero ________________ 1
pinzas ________________ 1
Ácido sulfúrico 95- 98% 5 gotas
Fenolftaleína Revelador 1 gota
Hierro 25% 0.1 g
Cobre solido 0.1 g
Ferrocianuro de potasio
37% 3 gotas
Amoniaco 25% 3 gotas
Clorato de potasio
42% 4 gotas
Hidróxido de sodio
32% 3 gotas
Hidróxido de sodio
32% 3 gotas
Cloruro de bario 95.98% 5 gotas
Ácido clorhídrico 25% 4 gotas
Nitrato de plata ________________ 0.1 g
Cloruro férrico _______________ 0.1g
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIASulfato de cobre solido 0.1 g
Metodología:
Tomamos 7 tubos de ensayo, rotulamos y en cada uno de ellos vamos a verter cada uno de los reactivos según indica la tabla.
REACCION REACTIVO A REACTIVO B
RESULTADO DE LA REACCION
1 Ácido Sulfúrico + 1 Gota de Fenolftaleína
Hidróxido de Sodio
La fenolftaleína es un indicador de p H que en disoluciones ácidas permanece incoloro, pero en presencia de bases toma un color rosado con un punto de viraje entre pH=8,0 (incoloro) a pH=9,8 (magenta o rosado).
2 Solución Anterior ( Ácido Sulfúrico )
Cloruro de Bario
Si se agrega ácido sulfúrico con cloruro de bario se obtiene sulfato de bario y ácido clorhídrico. Es una reacción de doble desplazamiento. H2SO4 (ac) + BaCl2 (ac) ---> BaSO4 (s) + 2 HCl (ac) ácido + sal ----> sal + ácido El sulfato de bario (BaSO4) es insoluble. (ac) = solución acuosa (s) = sólido
3 Hierro Ácido Clorhídrico
La sustancia burbujea y desprende hidrogeno, en menor escala no se nota casi el proceso.
4 Cobre Nitrato de Plata
No se trata de una reacción de sustitución sino de una reacción de oxidacion-reducion donde se produce un cambio de electrones entre la plata y el cobre, por lo que si es verdad, que la varilla de cobre se recubriría de iones plata. El nitrado de plata en disolución se comporta como un electrolito: AgNO3 ---> Ag+ + NO3- Cu(solido) + 2e ----> Cu2+ 2* (Ag+ ---> Ag(solido) +1e) _+______________________________ 2Ag+ + Cu(solido) --->Cu2+ + Ag(solido) 2AgNO3 + Cu ---> Cu(2+) + Ag(solido) La coloración azul de la disolución, esta
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAproporcionada por el ion Cu2+ que se encuentra en disolución. Y la plata en forma solida es la que se deposita en la varilla.
5 Ferrocianuro de Potasio
Cloruro Férrico
Forma compuestos ferrosos en los que actúa con valencia +2 y férricos en los que tiene valencia +3. Los compuestos ferrosos se oxidan fácilmente a férricos. El más importante compuesto ferroso el es sulfato ferroso (FeSO4), llamado vitriolo verde; normalmente se presenta en cristales de color verde pálido hidratados con siete moléculas de agua y se usa como un mordiente en el teñido, como medicina en tónicos y en la fabricación de tinta y pigmentos. El óxido férrico, un polvo rojo amorfo, se obtiene por tratamiento de sales férricas con una base o por oxidación de la pirita. Se usa como pigmento, conocido como rojo hierro o rojo Veneciano; como un abrasivo para pulir y como medio magnetizable sobre discos y cintas magnéticas. El cloruro férrico, cristales brillantes de color verde oscuro, se obtiene calentando hierro en cloro, se usa en la medicina como una solución alcohólica llamada tintura de hierro. Los iones ferroso y férrico se combinan con el cianuro para formar compuestos complejos de cianuro. El ferrocianuro férrico (Fe4 [Fe (CN)6]3), azul oscuro, sólido amorfo formado por la reacción de ferrocianuro de potasio con una sal férrica, se llama azul Prusia. Se usa como pigmento en la pintura y en lavandería para corregir el matiz amarillento que dejan las sales ferrosas enel agua. El ferrocianuro de potasio (K3Fe(CN)6), se obtiene a partir del ferrocianuro ferroso (Fe3 [Fe(CN)6]2) y se usa en procesar papel de copia. El hierro también experimenta reacciones fisicoquímicas con el carbono que son esenciales en la formación de acero.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA6 Amoniaco Sulfatado de
CobreEl precipitado verde azulado claro que se obtiene es la sal básica del sulfato de cobre.
Al continuar añadiendo amoníaco se forma el ion complejo 2Cu(NH3)4
2+ que da lugar al color azul muy intenso.
7 Clorato de Potasio + Calor
Al aplicar calor al clorato de potasio (KClO3, la molécula se descompone en otras moléculas más sencillas, obteniendo oxígeno gaseoso (O2 y cloruro de potasio sólido (KCl).
La sustancia se vuelve liquida a alta temperatura, cuando regresa a temperatura ambiente toma su forma original.
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PRACTICA No. 3
BALANCE DE ENERGIA
MATERIALES
ITEM MATERIAL CARACTERÍSTICA CANTIDAD1 Vaso de Precipitado 12 Recipiente resisten al
calorMetálico 1
3 Mechero 14 Termómetro 15 Balanza 1
COMBUSTIBLE
Gasolina 5 grDiesel 5 grEtanol 5 gr
VALORES A DETERMINAR
Peso del Vaso de PrecipitadoPeso del aguaTemperatura ambiente del aguaTemperatura después de proceso de calentamientoTiempo evaporación del combustibleCantidad de sustancia evaporada
Se debe realizar el balance de masa y energía Se debe calcular la masa de agua perdida por evaporación
Etanol
Peso del vaso 59,58 gr
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAAgua 50 gr
Peso total 109,58 gr
Masa del agua 109,15 – 59,58 = 49,57
CombustibleEtanol 5grTempera agua antes de proceso 23ºC
Temperatura del agua después de proceso 36ºCTiempo de evaporación Etanol 1’ 44”
Agua evaporada 0,43 gr
Gasolina
Peso del vaso 48,04 grAgua 50 gr
Peso total 98,04gr
Masa del agua 97,67 – 48,04 = 49,63
CombustibleGasolina 5grTemperatura del agua antes del proceso 23ºCTemperatura del agua después del proceso 38ºCTiempo evaporación del agua 4’ 59”
Agua Evaporada 0,37gr
Diesel
Peso del vaso 59,51 grAgua 50 gr
Peso total 109,51gr
Masa del agua 107 – 59,51 = 47,49
CombustibleDiesel 5gr
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIATemperatura del agua antes del proceso 23ºCTemperatura del agua después del proceso 65ºCTiempo evaporación del agua 7’ 55”
Agua Evaporada 2,51gr
Registro Fotográfico
CONCLUSIONES
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIALa cantidad de alcohol quemado depende mucho de la longitud de la mecha. En la superficie de la mecha de algodón se evapora el alcohol y este alcohol evaporado es el que se quema.
La mecha está impregnada en alcohol que enfría la mecha al evaporarse y ésta apenas se quema.
A mayor longitud de mecha mayor evaporación y mayor calor obtenido la densidad del agua y el aumento de temperatura, podremos calcular el calor de combustión del etanol y a partir de él la entalpía molar de combustión
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BIBLIOGRAFÍA
Jiménez, O. (2013). Balance Másico y Energético en Problemáticas Ambientales. Módulo didáctico. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.
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