Detallada descripción de los conceptos claves de estequiometría aplicados a los balances de materia con reacción química. Ejercicios propuestos.

1. GUÍA 6 A DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA – Curso Intersemestral
Profesor JUAN ANDRÉS SANDOVAL HERRERA
F.U.A. 2014
REPASO DE ESTEQUIOMETRÍA
2SO2 + O2 → 2SO3 Indica que por cada dos moléculas de
dióxido de azufre que reaccionan con 1 molécula de
oxígeno, se producen 2 moléculas de trióxido de azufre.
También se puede expresar como que entran al proceso 2
átomos de azufre y 6 (2X2 + 2) átomos de oxígeno, y salen
también 2 de azufre y 6 (2X3) átomos de oxígeno. Los
números antes de las moléculas, se llaman “coeficientes
estequiométricos”. La relación entre esos números se llama
“relación estequiométrica”, ejemplo: relación
estequiométrica de SO2 a O2: 2/1. Indica que se necesita el
doble de SO2 con respecto a O2. Estas relaciones se dan
cuando la ecuación está balanceada. En el siguiente caso no
está balanceada: SO2 + O2 → SO3, porque indicaría que
entran 4 átomos de oxígeno pero salen 3.
Ejercicio: para la siguiente ecuación responda las preguntas
abajo. C4H8 + O2 → CO2 + H2O
(A) ¿Está balanceada la ecuación? Si no, por favor
balancéela.
(B) En la ecuación balanceada, ¿Cuántas moléculas de O2 se
requieren por cada molécula de butano? ¿Cuántos kg-
mol de O2 se requieren para formar 400 kg-mol de CO2?
Reactivo limitante: Cuando en una reacción, uno de los
reactivos esté en menor cantidad de la requerida
teóricamente, se dice que es reactivo limitante, porque si se
gasta éste, se acaba la reacción y será el que se termine
primero. También se puede ver por comparación de las
relaciones estequiométricas de los reactivos. Ejemplo: en la
reacción C2H2 + 2H2 → C2H6 Si entran 20 kmol de acetileno y
50 kmol de hidrógeno al reactor, entonces, como la relación
estequiométrica teórica C2H2/H2 es ½ = 0.5, pero la relación
real es 20/50 = 0.4; entonces la relación real es menor a la
teórica, el reactivo limitante es el C2H2. Por la forma
tradicional se analiza la diferencia entre las moles reales y
las teóricas de cada uno. Así, se necesitan 1 kmol de
acetileno por cada 2 moles de hidrógeno y hay 50 kmoles de
hidrógeno, luego deberían haber 50/2 = 25 kmol de
acetileno, teóricamente; pero hay sólo 20 kmol, entonces
hay menos del que se requiere, luego ese es el reactivo
limitante.
Reactivo en exceso: Es el otro, o los otros. Así de sencillo.
No hay forma de calcularlo, pero lo que se mira es “cuánto
porcentaje hay en exceso”, es decir, qué tanto sobra con
respecto a lo que requiere la reacción. Por ejemplo, para la
reacción anterior, la del acetileno con el hidrógeno, el
porcentaje de exceso de hidrógeno es lo que entra menos lo
que se requiere, sobre lo que se requiere, por 100. En este
caso daría: (50-40/40)*100% = 20%. El 40 sale porque como
hay 20 kmol de reactivo limitante y dice la ecuación
balanceada que por cada mol de acetileno se necesitan el
doble de hidrógeno, luego el doble de 20 es 40. Eso es lo
teórico, mientras que lo real de hidrógeno es 50, es decir
que sobran 10. Y ese 10 corresponde a un 20% de exceso. A
veces puede dar porcentajes superiores a 100%, claro que
sí. Porque por ejemplo, si en ese caso entrara, unos 100
kmol de H2, sería: [(100 – 40) / 40] *100% = 150 % de
exceso.
Porcentaje de conversión: Si se alimentan 100 moles de un
reactivo a un proceso y reaccionan 80 moles de ese
reactivo, corresponde a un 80% de conversión, es decir el
80% de ese reactivo se convirtió a producto. El otro 20%, o
sea las otras 20 moles, no reaccionaron. Entonces, como no
pueden desaparecer, salen también como “productos” en la
salida, pero en realidad son reactivos sin reaccionar. Un
reactivo limitante también puede salir del proceso, sin
reaccionar, porque por ejemplo en la ecuación del acetileno
más el hidrógeno, si la conversión es de 80% se ve que
saldrían 20 – (20*0.8)= 20 – 16 = 4 kmol de C2H2 como
reactivo limitante sin reaccionar. Del otro, en este caso H2,
obviamente saldrán más, porque además de que está en
exceso, tampoco reaccionan al 100%, sino al mismo 80%, en
otras palabras, saldrían: 50 – (20*2*0.8) = 50 – 32 = 18 kmol
de H2, como reactivo en exceso sin reaccionar.
Grado de avance de una reacción: Este es el famoso “chi”:
. Este símbolo (letra griega) tan raro, corresponde a lo que
ha reaccionado en determinado momento de cada reactivo,
o lo que se ha generado de cada producto, involucrados en
una reacción determinada. Lo usé antes, en los cálculos de
reactivo limitante sin reaccionar y de reactivo en exceso sin
reaccionar, solo que no expresé la fórmula. Es momento de
expresarla:
𝑛𝑖 = 𝑛𝑖0 + 𝜈𝑖 𝜉 𝑜 𝑛̇ 𝑖 = 𝑛̇ 𝑖0 + 𝜈𝑖 𝜉
Donde 𝑛𝑖 son las moles de un componente que salen del
proceso (reactor) en un determinado tiempo; 𝑛𝑖0 son las
moles de ese componente que son alimentadas al proceso;
y 𝜈𝑖 es el coeficiente estequiométrico de ese componente,
que va a tener signo positivo si es un producto, porque se
está formando, pero signo negativo para los reactivos,
porque se consumen.
EJERCICIOS (Son una muestra, busquen más en en el
Dropbox)
1. La reacción de 6.8 g de H2S con exceso de SO2, según la
siguiente reacción, produce 8.2 g de S. ¿Cual es el
porcentaje de conversión? H2S + SO2 → S + H2O (Rta: 85,4%)
2. Se mezclan 2 L de cloro gas medidos a 97 °C y 3 atm con
3,45 g de sodio metal y se dejan reaccionar hasta completar
la reacción para formar NaCl. Calcular: a) masa de cloruro
de sodio obtenida. B) masa de reactivos no consumida. (Rta:
8.9 g de NaCl; 8.7 g de cloro).
3. ¿Qué volumen de oxígeno medido a 25 °C y 700 mmHg se
necesita para quemar 10 litros de butano (C4H10) a
la misma temperatura y presión de 1 atm? (Rta: 69 L)
4. Si 4 g de H2 reaccionan con 40 g de O2 para formar H2O,
¿Cuál es el reactivo en exceso y cuánto es el porcentaje de
exceso? (Rta: 20% de exceso de…)
5. Suponga la oxidación de etileno para producir óxido de
etileno. Balancée la ecuación. La alimentación a un reactor
donde ocurre esta reacción es de 100 kmol de O2 y 100 kmol
de C2H2. Si la reacción ocurre hasta que quedan 60 kmol de
O2, ¿Cuál es el porcentaje de conversión del etileno y cuál es
el grado de avance de la reacción? (Rta: 80% Y 40 kmol)