AplicaciÓn DEL Software HSC PARA Obtener Diagramas DE Composiciones DE Sistemas Acuosos EN Equilibrio PDF

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LABORATORIO DE HIDRO Y ELECTROMETALURGIA

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA, SANTANDER 2015

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LABORATORIO DE HIDRO Y ELECTROMETALURGIA

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APLICACIÓN DEL SOFTWARE HSC PARA OBTENER DIAGRAMAS DE COMPOSICIONES DE SISTEMAS ACUOSOS EN EQUILIBRIO

PRESENTADO A FREDDY PALACIOS INGENIERO METALÚRGICO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA, SANTANDER 2015

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TABLA DE CONTENIDO OBJETIVOS 4 MARCO TEÓRICO 4 PROCEDIMIENTO 6 APLICACIÓN

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CONCLUSIONES 22 BIBLIOGRAFÍA

22

3

OBJETIVOS  Conocer el programa HSC y su funcionamiento en procesos hidrometalúrgicos.  Aplicar el programa HSC para la realización de diagramas de composiciones en soluciones acuosas en equilibrio. MARCO TEÓRICO HSC es el programa termoquímico más popular del mundo con un módulo de simulación de diagramas de flujo versátil. HSC está diseñado para varios tipos de reacciones químicas y cálculos de equilibrios, así como la simulación de procesos. HSC Chemistry ofrece métodos de cálculo potentes para estudiar los efectos de diferentes variables en un sistema químico en equilibrio. Por ejemplo, si el usuario da las materias primas, montos y demás condiciones de casi cualquier proceso químico, el programa dará a las cantidades del producto como resultado. HSC también hace cálculos de calor y de balance de materiales de diferentes procesos mucho más fácilmente que cualquier método manual. La opción Eh-PH-diagramas también ofrece una manera muy rápida de estudiar el comportamiento de disolución y la corrosión de diferentes materiales. El nombre del programa se basa en el hecho de que los módulos de cálculo utilizan automáticamente el mismo extensa base de datos termoquímico que contiene entalpía (H), entropía (S) y los datos de capacidad calorífica (Cp) durante más de 28 000 especies químicas. Esta base de datos es equivalente a más de veinte libros de datos de espesor. La disolución acuosa es el proceso que involucra dos disolventes y se llama terminantemente de esta forma, cuando el mayor componente es el agua. Este proceso es de gran importancia en la naturaleza y también en la química La disolución correcta, es aquella en la que el soluto se mezcla uniformemente con el agua, es decir, se disuelve bien. En caso de que sea un soluto sólido, estaremos ante un proceso mucho más complejo y lento. En cuanto a la disolución de sales, la más común, como ya lo hemos aclarado varias veces, es un proceso corto que tiene tres etapas. En las dos primeras, se separan los iones del soluto y las moléculas del disolvente, que absorben energía y forman un proceso endotérmico. En la tercera y última etapa se produce la interacción entre el disolvente y el soluto, y esto responde a un proceso exotérmico, es decir, libera energía en lugar de absorberla. Las disoluciones tienen una concentración, que es la medida de cantidad de soluto presente en una cantidad de solvente (o en una solución). Se puede expresar de distintas maneras.

4

Existen solutos que en soluciones acuosas se disocian y son de dos clases: a) Electrólitos fuertes, se disocian al 100%, es decir: no ocurre la reacción de asociación (o reacción inversa) ni es una reacción en equilibrio químico, para estos solutos no existe Kc de la reacción de disociación, entre ellos tenemos: 1) Todas las sales 2) Todos los hidróxidos metálicos 3) "Todos" los ácidos pero inorgánicos y en su primera disociación. ("Todos" porque hay algunos ácidos inorgánicos que en su primera disociación son débiles, cuando así sea se indicará este comportamiento informando oportunamente su constante de disociación). b) Electrólitos débiles, se disocian parcialmente, es decir: Sí se disocian en equilibrio químico, para estos solutos sí existe Kc de la reacción de disociación y en general se representa por Kdis, entre ellos tenemos (por extensión de los que no son débiles). 1) Ninguna sal 2) Los hidróxidos no metálicos 3) Los ácidos inorgánicos en sus disociaciones posteriores a la primera disociación, todos los ácidos orgánicos y algunos ácidos inorgánicos en su primera disociación que poseen Ka1. El producto de solubilidad o producto iónico de un compuesto iónico es el producto de las concentraciones molares (de equilibrio) de los iones constituyentes, cada una elevada a la potencia del coeficiente estequiométrico en la ecuación de equilibrio. El valor de Kps indica la solubilidad de un compuesto iónico, es decir, cuanto menor sea su valor menos soluble será el compuesto. También es fácilmente observable que si aumentamos la concentración de uno de los componentes o iones (por ejemplo, añadiendo una sustancia que al disociarse produce ese mismo ion).

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PROCEDIMIENTO

ENTRAR A HSC

DELETE UNSELECTED Y CONTINUE

NUEVA VENTANA EQU-CALCULATION

SELECCIONAR EJE X

OK

EQUILIBRIUM COMPOSITION

SELECCIONAR ELEMENTOS

SEÑALAR LAS ESPECIES

SELECCIONAR FASES

FIJAR LAS ESPECIES MANTENIENTO EL EQUILIBRIO

SAVE GIBBS

CALCULATION OF EQUILIBRIUM COMPOSITION

CALCULATE-DRAW DIAGRAM

SELECCIONAR EJE Y

OK

DIAGRAM

NUEVA VENTANA

ELEGIR GRÁFICA DE INTERÉS

6

APLICACIÓN 1. Aplicando la teoría del equilibrio químico de soluciones acuosas analizar teóricamente la precipitación de iones Ag+ por adición de NaCl y con la ayuda del software trazar las gráficas necesarias que permitan analizar este proceso. Las reacciones llevadas a cabo dentro del sistema a analizar son las siguientes: −¿ +¿+Cl(ac)¿ ¿ NaCl ( s) → Na(ac ) −¿ → AgCl( s) ¿

+¿+Cl (ac ) Ag (ac )¿

−¿ ¿ +¿+OH (ac ) H 2 O( l )→ H (ac)¿ -

TOMA 1

Tabla 1. Información sobre la masa introducida en el sistema como preliminar

7

kmol

1.0

File: C:\HSC5\Gibbs \GibbsIn.OGI

Ag(+a) AgCl

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

NaCl kmol

Gráfica 1. Comportamiento de la formación de AgCl y consumo de iones Ag en adición de NaCl A medida que se adiciona el cloruro de sodio a la solución es evidente que los iones de plata presentes en la misma empiezan a consumirse y esto sucede precisamente porque el cloruro de sodio al disociarse libera iones de sodio y de cloro; los iones de cloro (o aniones) liberados del cloruro se asocian a los de plata (o cationes) y juntos forman el compuesto conocido como cloruro de plata el cual precipitará posteriormente para así ser apreciado.

8

-

TOMA 2

Tabla 2. Información sobre la masa introducida en el sistema con variación de la cantidad de iones de plata iniciales kmol

10

File: C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

Ag(+a)

9 8 7 6 5 4 3 AgCl

2 1 0 0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

NaCl kmol

Gráfica 2. Comportamiento de la formación de AgCl y consumo de iones Ag en adición de NaCl con 10 Kmoles de iones de plata iniciales Como se puede apreciar en la gráfica 2 existe una asíntota vertical en 2 Kmol de NaCl, esto indica que al aumentar la cantidad inicial de iones de plata la formación de AgCl se verá afectada, dado que no existe un punto de equilibrio o de convergencia entre los componentes interactuantes. La 9

cantidad de AgCl que se forma depende de los aniones de cloro que se liberen, luego esto implicará que una parte de cationes de plata no participen en el proceso (o reacción). -

TOMA 3

Tabla 3. Información sobre la masa introducida en el sistema con variación de la cantidad de NaCl inicial kmol

File: C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

3.0

2.5

2.0

1.5

AgCl

1.0

0.5

0.0

0

2

4

6

8

10

NaCl kmol

Gráfica 3. Comportamiento de la formación de AgCl con cantidad de 5 Kmol de NaCl inicialmente

10

En la gráfica 3 se puede apreciar que cuando se incrementa, podría decirse que de manera brutal la cantidad de cloruro de sodio en solución, la formación de AgCl se mantiene constante a lo largo de todo el proceso. Una posible explicación ante dicho suceso se basa en el concepto de reactivo límite, el cual, en este caso, es el catión de plata, pues al haber gran cantidad de NaCl, lo cual implica alta cantidad de aniones de cloro, es poca la cantidad de iones de plata que entran a interactuar para formar, bien más o menos cloruro de plata, luego el proceso tiende a la estabilización dado que la variación no es significante o marcada. -

TOMA 4

Tabla 4. Información sobre la masa introducida en el sistema con variación del paso de NaCl

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kmol

File: C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

1.0

Ag(+a)

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 AgCl

0.0 -5

0

5

10

15

20

NaCl kmol

Gráfica 4. Comportamiento de la formación de AgCl y consumo de cationes de plata con modificación del paso de NaCl El paso (o step) se define como la velocidad o cantidad en que se adiciona NaCl a la solución. Como es de esperarse esto ha de generar una gran repercusión en los resultados finales de formación y consumo, y es que, si se observa la gráfica 4, realmente es muy notorio lo que sucede en el sistema. Las pendientes tanto de formación como de consumo se intensifican lo cual conlleva a que el AgCl se precipite a mayor velocidad mientras los cationes de plata se consumen de igual manera rápidamente. 2. Aplicando la teoría del equilibrio químico de soluciones acuosas analizar teóricamente la precipitación de Ba++ y Sr++ por la adición de Na2SO4 y con la ayuda del software trazar las gráficas necesarias que permitan analizar este proceso. Las reacciones llevadas a cabo dentro del sistema son las siguientes: ¿

+ ¿+S O 4(ac) Na2 S O 4( s) →2 Na(ac)¿

++¿+ S O 4( ac) ¿ → BaS O 4( s) ¿ Ba ¿

++¿+ S O 4( ac) → SrS O 4 (s) ¿ Sr (ac )

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−¿ ¿ + ¿ + OH (ac) H 2 O( l) → H (ac)¿ - TOMA 1

Tabla 5. Información sobre la masa introducida en el sistema en condiciones preliminar

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kmol

File: C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

1.0 BaSO4

0.9

Sr(+2a)

0.8 SrSO4

0.7 Ba(+2a)

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Na2SO4 kmol

Gráfica 5. Comportamiento de la formación de sulfato de bario y sulfato de estroncio con disminución de los cationes de bario y estroncio en adición de sulfato de sodio En la gráfica 5 se puede apreciar que en la medida en que se aumenta la cantidad de sulfato de sodio, este al disociarse libera aniones sulfato los cuales entran en interacción con los cationes de bario y estroncio, respectivamente, formando así los compuesto de sulfato de bario y sulfato de estroncio. Se puede apreciar que tanto las líneas de formación así como las de consumo presentan un carácter de tipo exponencial. Cabe recordar que el sulfato de sodio es considerado como una sal fuerte. -

TOMA 2

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Tabla 6. Información de la masa introducida en el sistema con variación de la cantidad de iones de bario y estroncio (aumento de los mismos) kmol

File: C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

2.0 Sr(+2a)

Ba(+2a)

1.5 BaSO4

1.0

0.5

0.0 0.0

SrSO4

0.5

1.0

1.5

2.0

Na2SO4 kmol

Gráfica 6. Comportamiento de formación de los sulfatos en consumo de los iones presentes con aumento de su proporción inicial

15

Tabla 7. Tabla 6. Información de la masa introducida en el sistema con variación de la cantidad de iones de bario y estroncio (disminución de los mismos) kmol

File: C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

0.50 0.45 BaSO4

Sr(+2a)

0.40 SrSO4

0.35 0.30 Ba(+2a)

0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Na2SO4 kmol

Gráfica 7. Comportamiento de formación de los sulfatos y consumo de los iones presentes con disminución de sus proporciones iniciales

16

Tabla 8. Información sobre la masa introducida en el sistema con variación de la cantidad de cationes de bario iniciales y disminución de los cationes de estroncio kmol

2.0

File: C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

Ba(+2a) BaSO4

1.5

Sr(+2a)

1.0

0.5 SrSO4

0.0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Na2SO4 kmol

Gráfica 8. Comportamiento de la formación de sulfatos y consumo de cationes presentes con aumento de la cantidad de cationes báricos y disminución de los estróncicos

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Tabla 9. Información sobre la masa introducida en el sistema con disminución de la cantidad de iones de bario y aumento de la cantidad de iones de estroncio kmol

File: C:\HSC5\Gibbs \GibbsIn.OGI

3.0 Sr(+2a)

2.5

2.0

1.5

SrSO4

1.0 BaSO4

Ba(+2a)

0.5

0.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Na2SO4 kmol

Gráfica 9. Comportamiento de la formación de sulfatos y consumo de iones presentes con disminución de la cantidad de cationes de bario y aumento de cationes de estroncio

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Al analizar las gráfica 6, 7, 8 y 9 una cosa queda clara y es que el anión sulfato realmente tiene mayor y mejor interacción con el catión de bario, pues en las tres primeras gráficas es notorio el comportamiento de formación del sulfato de bario por encima del de estroncio, esto se debe a que se presenta una mayor afinidad entre estos dos especímenes. Ahora, en la gráfica 9 es notoria que la formación de sulfato de estroncio está muy por encima de la de bario, pero esto solo se presenta dado que se adicionó una gran cantidad de catión estróncico, luego es de esperarse que la predominancia de formación se vea ligada por ese lado. Un aumento en la cantidad inicial del catión de bario implica un aumento en la velocidad de formación de dicho sulfato, lo cual es de esperarse, dado que no se presenta límite de formación, siempre y cuando exista la cantidad necesaria del anión sulfato para que entre en formación con el catión respectivo.

-

TOMA 3

Tabla 10. Información de la masa introducida en el sistema con variación de la cantidad de sulfato de sodio inicial (aumento del mismo)

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kmol

File : C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

1.0

BaSO4

0.9 0.8 SrSO4

Sr(+2a)

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

Ba(+2a)

0.1 0.0

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Na2SO4 kmol

Gráfica 10. Comportamiento de la formación del sulfato de bario y estroncio en consumo de los cationes de bario y estroncio, respectivamente, con aumento de la cantidad de sulfato de sodio inicial Al aumentar la cantidad de sulfato de sodio inicial es notoriamente marcado el aumento que se presenta en la formación de los respectivos sulfatos, ya que habrá más disponibilidad de aniones sulfato los cuales entran a interactuar con los respectivos cationes. Respecto a la gráfica 10 se puede inferir nuevamente que la mayor afinidad se presenta entre el anión sulfato y el catión de bario, pues este siempre tiende al aumento en mayor medida sobre el sulfato de estroncio formado. Si se aprecia en la zona final de la formación de sulfato de bario este parece que tiende como a la estabilización, luego se puede inferir que a una concentración mayor de sulfato de sodio estas reacciones sucederán de forma mucho más rápida, casi instantánea lo cual denotará líneas verticales tipo constante. Ahora, en la medida en que se disminuya la cantidad de sal es claro que también disminuirá la formación de los sulfatos resultantes. -

TOMA 4

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Tabla 11. Información de la masa introducida en el sistema con variación del paso de sulfato de sodio kmol

File: C:\HSC5\Gibbs\GibbsIn.OGI

1.0 Sr(+2a)

BaSO4

0.9 SrSO4

0.8 Ba(+2a)

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Na2SO4 kmol

Gráfica 11. Comportamiento de la formación de sulfatos y consumo de cationes con variación del paso de sulfato de sodio En la gráfica 11 se puede apreciar el comportamiento de los especímenes al aumentar el paso (o adición) de sulfato de sodio. Realmente se aprecia que al variar este valor, en comparación con la gráfica original (ver gráfica

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5) se hacen marcados los puntos de variación así como los rangos de trabajo. Mientras que en la gráfica 5 las variaciones eran suaves y tipo exponencial, aquí se aprecian de tipo lineal y caídas, así como subidas drásticamente sucedidas. Las precipitaciones son más bruscas y apreciables ipso facto.

CONCLUSIONES  Es indispensable conocer el uso correcto de programas como HSC CHEMISTRY, ya que estos son útiles a la hora de desarrollar procesos y conocer el funcionamiento de qué es lo que sucede al interior de un sistema y en base a los resultados poder tomar decisiones sobre cuál es el paso que se debe dar para poder ejecutar de la mejor manera.  La disociación de ciertos compuestos en soluciones acuosas genera iones que pueden llegar a interactuar con otros especímenes para así formar nuevos compuestos, tal es el caso del anión sulfato el cual se junta con cationes como el bario y el estroncio para formar los nuevos sulfatos respectivos.  La variación de parámetros tales como las cantidades de cationes iniciales y el paso de adición del catalizador con el cual se estaba trabajando, entre otros, comprobó que cada parámetro que se define genera un resultado totalmente diferente en el sistema estudiado y a nivel industrial es muy indispensable tener en cuenta cada una de las variaciones que se presentan así como el porqué de la misma, pues dichos análisis permitirán un mejor desempeño a la hora de llevar a cabo procesos reales y tangibles.  En la medida en que se presenta una menor cantidad de agente catalizador se ven afectadas las reacciones de formación así como las de consumo, pues

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muchas veces puede llegar a presentarse un limitante el cual inhibe el proceso completo, lo cual es algo indeseable, pues muchas veces se espera que todo lo que se introduce se transforme, así no se generan pérdidas y se puede hablar de una alta eficiencia en el proceso. BIBLIOGRAFÍA Chemistry Software. HSC CHEMISTRY version 5.1 [en línea]. Revisado el 01 de octubre del 2015. Disponible en: http://www.hsc-chemistry.net/ Equilibrio iónico en soluciones acuosas [en línea]. Revisado el 30 de noviembre del 2015. Disponible en: http://www.ing.unp.edu.arasignaturas/quimica/teoria/equilibrio_ionico.pdf.

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