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apuntes de quimica...

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BALANCE DE MATERIA

PRÁCTICA Nº 3

BALANCE DE MATERIA 3.1 OBJETIVO GENERAL 

Comprobar la ley de conservación de la materia de Lavoisier, tanto en sistemas sin reacción química como en sistemas con reacción química.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS      

Preparar una solución saturada Determinar la cantidad de soluto que no se disuelve Determinar la solubilidad de varias sustancias en agua Realizar operaciones de filtración y secado Realizar una reacción química midiendo las cantidades de reactivos introducidos al sistema y de productos formados, para diferentes cantidades de reactivo. Determinar el rendimiento de la reacción.

3.3 FUNDAMENTO TEÓRICO 3.3.1 Ley de Lavoisier La ley de conservación de la materia fue enunciada por ANTOINE LAURENT LAVOISIER en 1774 de la siguiente manera: LA MASA DE UN SISTEMA PERMANECE INVARIABLE ANTE CUALQUIER TRANSFORMACION QUE OCURRA DENTRO DE ÉL. También se la puede enunciar indicando: LA SUMA DE LA MASA DE LAS SUSTANCIAS REACCIONANTES ES IGUAL A LA SUMA DE LA MASA DE LAS SUSTANCIAS RESULTANTES O PRODUCTOS. La expresión matemática de esta ley es la siguiente:

m

ri

i



m

pj

j

La ley de Lavoisier de una manera mucho más sencilla se la puede expresar de la siguiente manera: EN LA NATURALEZA, LA MATERIA NO SE CREA NI SE DETRUYE, UNICAMENTE SE TRANSFORMA. 3.4 SOLUCIONES DE SÓLIDOS EN LÍQUIDOS Una disolución saturada es aquella que ya no admiten más soluto por disolver en una determinada cantidad de disolvente. Se llama “solubilidad” a la máxima concentración de soluto que admite una determinada cantidad de disolvente a una determinada temperatura. La solubilidad de los sólidos en los líquidos es siempre limitada y depende de la naturaleza del solvente, de la naturaleza del soluto, de la temperatura y muy poco de la presión. Unos de los factores que afectan la solubilidad de una sustancia es la temperatura. Al representar la variación de la solubilidad con la temperatura observamos en la siguiente tabla los correspondientes datos: T ºC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

solubilidad

35.7

35.8

36

36.3

36.6

37.0

37.3

37.8

38.4

39.0

39.8

La gráfica siguiente muestra cómo varía la solubilidad con la temperatura en algunas sustancias. Vemos en la gráfica que aunque la solubilidad suele aumentar con la temperatura, también existen excepciones. 3.5 BALANCE DE MATERIA En toda mezcla homogénea se considera a una determinada sustancia tomada como referencia como sustancia pura, considerándose al resto como IMPUREZAS; la cantidad porcentual de la sustancia pura con relación a toda la mezcla homogénea se denomina PUREZA. Así por ejemplo cuando se dice que el permanganato de potasio tiene una pureza del 90%

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BALANCE DE MATERIA significa que de 100 g de sustancia. 90 g son de permanganato de potasio puro y los 10 g restantes, constituyen las impurezas, formadas por la mezcla de otras substancias. El balance de materia se puede aplicar sistemas en los cuales no se produce reacción química alguna; en estos sistemas principalmente se debe considerar la ley de 1a conservación de la materia. Si se esquematiza un proceso sin reacción química como un sistema, abierto, en el cual ingresan substancias originales y sale un producto formado por la mezcla de las substancias iniciales, se tiene: Considerando el diagrama anterior se puede realizar un balance de materia. Balance general

m1  m2  mt Donde: m1 es la masa que ingresa al proceso correspondiente a la sustancia 1 m2 es la masa de la substancia 2. mt es la masa que sale del proceso y que corresponde a la masa de la mezcla. De un modo general la ecuación se puede escribir:

m

i

 mt

i

Si se considera que les substancias 1 y 2 están formadas por mezclas homogéneas binarias (cuyas composiciones porcentuales son A y B), el balance de materia de cada componente es el siguiente:

A1  m1  A2  m2  At  mt B1  m1  B2  m2  B t  mt De un modo general las dos ecuaciones anteriores se pueden escribir:

Y * m i

i

 Yt * mt

i

Donde: Yi es la composición porcentual de la sustancia pura “Y” presente en el componente “i” mi es la mas a que ingresa al proceso de la sustancia "i" mt es la masa de la mezcla que sale del proceso Yt es la composición porcentual de la sustancia pura “Y“presente en la mezcla. Las ecuaciones permiten efectuar el cálculo en mezclas homogéneas útiles en infinidad de procesos industriales. 3.6 ESTEQUIOMETRÍA 3.6.1 Rendimiento de una reacción Cuando se efectúa una reacción química en el laboratorio o en la industria, muy pocas veces se utilizan las cantidades exactamente estequiométricas de reactivos. Por lo general se trabaja con un exceso de un reaccionante, esperando de esta manera convertir completamente en productos aquel reactivo o reactivos que puedan resultar más costosos o más difíciles de obtener. Si se considera por ejemplo la reacción del benceno con ácido nítrico: C6H6(l) + HNO3(l)

 C6H5NO2(l) + H2O(l)

Se desea producir un mol de nitrobenceno a partir de un mol de benceno; para efectuar esta reacción se puede utilizar en principio un mol de ácido nítrico tomando en cuenta le reacción igualada; como en la práctica no es posible convertir todo el benceno en nitrobenceno, es aconsejable emplear un excedente considerable de Acido nítrico. 3.6.2 Rendimiento teórico El rendimiento teórico de una reacción se puede definir de la siguiente manera: LA CANTIDAD MAXIMA DE PRODUCTO QUE PUEDE OBTENERSE EN UNA REACCION QUIMICA TOMANDO COMO BASE DE CÁLCULO EL REACTIVO LIMITANTE. Denominándose reactivo limitante a AQUEL REACTIVO QUE; POR SU NATURALEZA PARTICULAR SE ENCUENTRA EN MENOR PROPORCION EQUIMOLECULAR. 58

BALANCE DE MATERIA

Si por ejemplo en un sistema cerrado se introducen un mol de benceno y 5 moles de Acido nítrico; la cantidad máxima de nitrobenceno que se puede obtener es de un mol; el reactivo que limita la cantidad de producto formado en este caso es el benceno. 3.6.3 Rendimiento real En toda reacción química por lo general la cantidad de producto obtenido es menor que la cantidad esperada o teórica; existen muchas razones para que la cantidad realmente obtenida sea menor a la teórica, debido a: 1.

Puede que la reacción no |legue a completarse totalmente, debido principalmente a la reversibilidad de la reacción, estableciéndose por consiguiente un equilibrio de carácter dinámico.

2.

La posibilidad de que se efectúen reacciones secundarias.

3.

Debido a que parte del producto obtenido se pierde en las etapas posteriores al proceso de reacción química.

Así, el rendimiento de una reacción química se puede medir en RENDIMIENTO EN PORCENTAJE; definido matemáticamente de la siguiente manera: % 

Rendimiento real *100 Rendimiento teórico

3.7 MATERIALES Y REACTIVOS 3.7.1 MATERIALES ITEM

MATERIAL

CARACTERÍSTICA

CANTIDAD

1

Vaso de precipitado

250 ml

6

2

Embudo

2

3

Soporte Universal

2

4

Aro p/embudo

2

5

Papel filtro

6

Vaso de precipitado

100 ml

4

7

Vidrio de reloj

D = 10 cm

2

8

Balanza

Eléctrica

1

9

Horno de secado

Eléctrico

1

10

Varilla de vidrio

1

11

Piseta

1

4

3.7.2 REACTIVOS ITEM

REACTIVO

CARACTERÍSTICA

CANTIDAD

1

Cloruro de sodio

Sal común

50 g

2

Sacarosa

Azúcar común

50 g

3

Cromato de potasio

p.a.

4g

4

Nitrato de plomo (II)

p.a.

6g

5

Agua destilada

3.8 PROCEDIMIENTO a)        

Determinación de la solubilidad de Cloruro de sodio. En un vaso de precipitados de 250 ml pese 100 g de agua destilada. Registre el peso del vaso con agua Añada suficiente sal común agitando con la varilla de vidrio hasta que se forme una solución saturada con soluto sin disolver. Registre el peso del vaso con el agua y el soluto Realice el balance de masa y determine el peso del soluto añadido Filtre el exceso de soluto que no se disolvió y séquelo en el horno Realice un balance para el soluto y determine el peso del soluto disuelto. Exprese la solubilidad en g de soluto/100 g de agua

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BALANCE DE MATERIA  Determinación de la solubilidad de Sacarosa Repita el procedimiento del inciso a) con sacarosa como soluto b)

Determinación del rendimiento de reacción

         

Pese exactamente alrededor de 0.1 g de cromato de potasio y diluya en agua destilada (20 cm3) en un vaso de precipitados de 100 ml. Pese exactamente alrededor de 0.35 g de nitrato de plomo (II) y diluya en agua destilada (20 cm3) en un vaso de precipitados de 100 ml. Mezcle ambos reactivos en un tercer vaso de precipitados de 250 ml y observe la formación del precipitado de cromato de plomo (II) Pese el papel filtro antes de utilizarlo y registre. Filtre el precipitado formado y séquelo en el horno. Pese el precipitado que es el rendimiento en cromato de plomo (II) real de la reacción. Escriba la reacción química correspondiente. Determine el reactivo limitante y calcule el rendimiento teórico del cromato de plomo (II). Determine el % de rendimiento (%) de la reacción Repita el procedimiento para 0.25 g de cromato de potasio y 0.35 g de nitrato de plomo (II)

3.9 INFORME a) Solubilidad del cloruro de sodio Alumno 1

Alumno 2

Alumno 3

Promedio

Masa del vaso de precipitado vacío [g] Masa del vaso de pp con agua (100 ml) [g] Masa del papel filtro [g] Maza del papel filtro + sal [g] Masa de la sal

[g]

b) Determinación del rendimiento de reacción Reacción 1

Masa R1 g

REACTIVOS Masa R2 g

V (agua) ml

PAPEL FILTRO Masa p.f. Mpf + p

g

PRODUCTOS M p g color

2 3.10 TRATAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES 1. A 25 ºC, ¿qué sustancia tiene mayor solubilidad, el KNO3, KNO3 o NaCl? Indique sus solubilidades 2. ¿Cuál es la solubilidad de la sacarosa a 25 ºC?, exprese en g de sacarosa por 100 g de agua. 3. Escriba la reacción del cromato de potasio con nitrato de plomo (II) y señale los reactivos limitantes en las dos reacciones llevadas a cabo en laboratorio. 4.- Mediante cálculos indique el producto que precipita y determine su masa. 5.- ¿Cuál es el rendimiento de la reacción química? 3.11 CONCLUSIONES 1. ¿Se cumplieron los objetivos de la práctica? Responda cada uno de los objetivos específicos. 2. Mencione que se puede concluir sobre el resultado experimental de la solubilidad del cloruro de sodio experimental y teórico, ¿hay diferencias?, explique. 3. Explique cómo ha preparado el papel filtro para la filtración 4. ¿Qué sugiere para obtener resultados más confiables y precisos? 5. ¿Cuál es el error porcentual en las reacciones químicas?

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BALANCE DE MATERIA 6. Respecto a los posibles errores, ¿estos fueron casuales o sistemáticos? 3.7 CUESTIONARIO 1.- Por cada 5 kg de agua de mar se obtienen 240 g de sal. ¿Cuál será su concentración en %? y ¿Cuál es su solubilidad? 2.- Mezclamos 200 g de benceno con 500 g de tolueno. ¿Cuál será el % en masa del benceno? y ¿Cuál es su solubilidad? 3.- ¿Qué masa de azúcar habrá que disolver en 200 g de agua para que la disolución tenga una concentración del 25 %? 4.- La solubilidad del nitrato de amonio (NH4NO3) en agua, a diferentes temperaturas, expresada en gramos de nitrato por cada 100 g de agua viene reflejada en la siguiente tabla: a) Dibuja la curva de solubilidad de esta sustancia. b) Haciendo uso de dicha curva, determinar la solubilidad del nitrato de amonio a 45 ºC y exprésala en % en masa. c) Se disuelve nitrato de amonio en agua hirviendo hasta saturación. Se deja enfriar la disolución obtenida hasta 20 ºC. Calcula la masa de nitrato que se obtiene cristalizado y la que queda en disolución por cada litro de agua. d) Se prepara, a 20 ºC, una disolución de nitrato de amonio (NH4NO3), al 60 % en masa. ¿Estará saturada? 5.- Sabiendo que la solubilidad del cloruro de potasio es de 35.86 g de soluto/100g de agua a 18ºC, calcula la solubilidad expresada en % en masa a esta temperatura. Rpta.- 24.78% 6.- La solubilidad del sulfato de aluminio y potasio a 25 ºC es de 5g/100g de agua y a 86ºC es de 90g/100g de agua. Calcula la cantidad de cristales de dicha sal que podrán recogerse al dejar enfriar 250 g de disolución saturada desde 86ºC hasta 25ºC. Rpta.- 106.5 g 7.- Cuando reaccionan 5 g de cromato de potasio con 6 g de nitrato de plomo (II) se producen 2 g de Cromato de plomo (II) a) Escriba la ecuación de formación del cromato de plomo (II) b) Determine el reactivo limitante c) Calcule el rendimiento teórico d) Calcule el porcentaje de rendimiento de la reacción. 8.- Responda: a) ¿Con qué cantidad de ácido sulfúrico del 98% de pureza y densidad 1.84 g/cm3 reaccionará 5 g de cloruro de bario dihidratado? b) ¿Qué cantidad de sulfato de bario se producirá teóricamente? c) Si el rendimiento de la reacción es del 60%. ¿Qué cantidad de sulfato de bario se producirá? 9.- Iguale las siguientes reacciones químicas y demuestre el cumplimiento de la ley de Lavoisier. a) b) c) d) e) g) h) i) j) k) l) m) n) o) p)

Cl2 + KOH  KCl + KClO3 + H2O PbS + Cu2S + HNO3  Pb(NO3)2 + Cu(NO3)2 + NO2 + S + H2O H2O2 + KMnO4 + H2SO4  K2SO4 + MnSO4 + O2 + H2O CrI3 + KOH + Cl2  K2CrO4 + KIO4 + KCl + H2O PbO2 + Sb + KOH  PbO + KSbO2 + H2O Cr2(SO4)3 + KI + KIO3 + H2O → Cr(OH)3 + K2SO4 + I2 KClO3 + HI + H2SO4  KHSO4 + HCl + I2 + H2O HSCN + KMnO4 + H2SO4  MnSO4 + K2SO4 + HCN + H2O K4Fe(CN)6 + + KMnO4 + H2SO4  K3Fe(CN)6 + MnSO4+ K2SO4 + H2O CeO2 + KI + HCl  CeCl3 + KCl + I2 + H2O KBrO3 + KI + HBr  KBr + I2 + H2O Ca(IO3)2 + KI + HCl  CaCl2 + KCl + I2 + H2O HCl + Mg  Cl2Mg + H2 HNO3 + NaOH  NO3Na + H2O H2SO4 + Cl2Ba  SO4Ba + HCl 61

BALANCE DE MATERIA q) r)

CH3COOH + NaOH  MnO4K + C2O4K2 + H2SO4

CH3COONa + H2O  SO4K2 + MnSO4 + CO2 + H2O

10.- Se quiere producir Fe por reducción del Fe3O4 con C de acuerdo a: a)

Fe3O4

+2C



3 Fe

+

2 CO2

b) ¿Qué cantidad de Fe se producirá anualmente si en la planta se trata 60 TON/día de mineral de hierro del 36% en peso de Fe3O4 y el rendimiento de la reacción es del 90%? c) ¿Qué cantidad de C se necesita por día si se añade con un exceso del 20%? d) Si la solubilidad del ClK en agua es de 25 g/100 g agua. ¿Qué cantidad de ClK será necesaria para saturar 1 litro de agua? e) Defina reactivo limitante, rendimiento teórico, rendimiento de la reacción. 11.- Ajustar las siguientes reacciones redox, utilizando el método del ion-electrón y determine la masa equivalente del agente oxidante a) K2Cr2O7 + HI + HClO4 → Cr(ClO4)3 + I2 + KClO4 + H2O b) MnO + PbO2 + HNO3 → HMnO4 + Pb(NO3)2 + H2O 12.- Ajustar las siguientes reacciones redox, utilizando el método del ion-electrón y determine la masa equivalente del agente reductor a) KNO3 + Al + KOH + H2O → NH3 + KAlO3 b) Cr2(SO4)3 + KClO3 + KOH → K2CrO4 + KCl + K2SO4 + H2O 13.- De acuerdo con las siguientes reacciones: KMnO4 + HCl → KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O Cl2 + KOH → KClO3 + KCl + H2O Calcule el volumen de HCl concentrado de densidad 1,17 g/ml y 36% en peso que ha de reaccionar con el permanganato potásico para obtener el cloro necesario para preparar 1 L de disolución 1 N de clorato potásico. Datos: masas atómicas (g/mol): K = 39; Mn = 55; O = 16; Cl = 35,5; H = 1. 14.- El cloruro cálcico reacciona con el fosfato potásico para formar fosfato cálcico y cloruro potásico. Calcule los gramos de fosfato cálcico que pueden obtenerse mezclando una disolución que contiene 5,00 g de cloruro cálcico con otra que contiene 8,00 g de fosfato potásico. Datos: masas atómicas (g/mol): Cl = 35,5; O = 16; Ca = 40; P = 31; K = 39. 15.- Dada la siguiente reacción:

Cu + H2SO4 → CuSO4 + SO2 + H2O

a) Calcule los gramos de sulfato de cobre que se obtienen por la acción de 10 mL de ácido sulfúrico concentrado de densidad 1,98 g/mL y riqueza del 98% en peso, sobre 5,0 g de cobre metal. b) Si realmente se obtienen 12,4 g de sulfato de cobre, calcule el rendimiento del proceso. Datos: masas atómicas (g/mol): Cu = 63; S = 32; O = 16; H = 1. 3.6 BIBLIOGRAFÍA             

Alvarez, Alfredo – Valenzuela Julio – Yujra Federico. Prácticas de Química General. Babor, Joseph – Ibarz, José. Química General Moderna. Sava Editorial Marin 1977 Docentes Facultad de Ingeniería. Química Curso Prefacultativo. 2004 Gray, Harry – Haight, Gilbert. Principios Básicos de Química. Editorial Reverté. 1969. Montecinos Edgar – Montecinos José. Química General. Prácticas de Laboratorio. (1989) Leonardo G. Coronel Rodríguez. Como resolver Problemas en Química General. Ed. 2010 BROWN, LEMAY, BURSTEN, QUÍMICA, LA CIENCIA CENTRAL. Editorial Pretince – Hall, S.A. 1993 WHITTEN KENNET: QUÍMICA GENERAL. Editorial Mc – Graw - Hill 1997 http://s3.amazonaws.com/lcp/quimica/myfiles/Solubilidad-02.pdf http://materias.fi.uba.ar/6302/TP3.pdf http://depa.pquim.unam.mx/qg/Apoyo/BALANCEO%20DE%20REACCIONES%20REDOX.pdf http://www.slideshare.net/guest12722c/act-ii-4-ejercicios-balanceo-redox-presentation http://html.rincondelvago.com/ecuaciones-quimicas.html

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