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Informe sobre las aplicaciones de cinética química en la industria...

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CINÉTICA QUÍMICA

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CURSO: QUIMICA INDUSTRIAL.

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SECCIÓN: “A”

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PROFESOR: VALDERRAMA RAMOS ISIDORO.

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INTEGRANTES:

o NIZAMA AGURTO JEFRY JAIR o PAREDES CABANILLAS WILLIAM ARSENIO o PAREDES REYES JULIO PAULO o ROJAS MEDINA WILLIAMS KEYLER o SANCHEZ NIEVEZ, JUAN JOSUÉ.

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TEMA: PROPIEDADES COLIGATIVAS

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FECHA: 24/07/2021

24 DE JULIO DE 2021 QUÍMICA INDUSTRIAL UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

CINÉTICA QUÍMICA

1.1

INTRODUCCIÓN La cinética química es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la

rapidez de reacción, cómo cambia la rapidez de reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan mediante la reacción general (difusión, ciencia de superficies, catálisis). La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; el área química que permite indagar en las mecánicas de reacción se conoce como dinámica química.

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La primera vez que se usó un catalizador a nivel industrial fue en 1947, y desde entonces su empleo en este sector ha ido en aumento. Desde refinerías a farmacéuticas, se calcula que en la actualidad el 90 % de procesos químicos depende de procesos catalíticos.

En 2017, el mercado global de catalizadores industriales llegó a valores de 18.000 millones de dólares, y se estima que para el 2023 llegará a los 23.000.

Por eso la investigación que sustenta la catálisis industrial es extensa. Desde un estudiante de doctorado hasta un poderoso laboratorio de investigación, todos contribuyen a entender un proceso catalítico y mejorarlo hasta llevarlo a gran escala.

por ejemplo, se suele utilizar el método de desintegración: Este proceso permite transformar moléculas pesadas en combustibles livianos y materias primas para la industria petroquímica. Industrialmente se conoce como proceso FCC (Fluid Catalytic Cracking) y varias reacciones tienen lugar en el proceso, cada una con diferente grado de importancia. Algunas de ellas son: rompimientos de enlaces carbono-carbono, formación de olefinas y ciclización.

Los catalizadores últimamente se utilizan para ayudar el medio ambiente, como la acidificación de los océanos, proteger la capa de ozono, reducción del CO2, etc.

En este informe se detalla el significado de la cinética química, sus componentes, así como su aplicación a la industria, que es de vital relevancia para nuestro desarrollo óptimo de la carrera de ingeniería industrial.

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1.2

DEFINICIÓN Cinética química es la parte de la química que estudia la velocidad o rapidez con que

transcurren las reacciones químicas, y se refiere a la variación de las concentraciones de reactivos y productos con el tiempo. 1.3

VELOCIDAD DE REACCIÓN QUIMICA Las unidades convencionales de la velocidad (“distancia/tiempo”) nos dicen cuánta

distancia recorre un cuerpo en un determinado tiempo. En química estas unidades no nos sirven, ya que los cuerpos, a nivel macroscópico, no se mueven. Sin embargo, usaremos unidades las de “concentración/tiempo”, con el objetivo de expresar el cambio en la concentración de un reactivo o de un producto con respecto al tiempo. Imaginemos la siguiente reacción, en la que la sustancia A, de color negra, se transforma en B, de color verde, en un recipiente de 1 L: A → B Al inicio de la reacción sólo tendremos moles de A. Representemos esto según el gráfico mostrado a continuación. Al inicio (tiempo = 0 segundos), sólo vemos moles de A (esferas de color negro). Sin embargo, transcurrido un intervalo de tiempo (en nuestro ejemplo, 10 minutos) hasta el tiempo t1, algunas moles de A se han transformado ya en B. Asimismo, el número de moles de B es mayor al tiempo t2: Figura 1

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Nuestras expresiones de velocidad promedio para la reacción las podemos expresar en función tanto a A como a B:

Las velocidades siempre deben ser positivas, por tanto, observa el signo que se ha colocado delante de la expresión de la velocidad que depende de la concentración de A: la sustancia A es un reactivo, por tanto, su concentración en el tiempo disminuye y el Δ [A] es negativo. Para contrarrestar esto y tener expresiones de velocidad positivas, se coloca un signo delante de la velocidad promedio que depende de un reactivo. Por ejemplo, en el intervalo t0 – t1, la velocidad promedio de desaparición de A será: Δ[A] = 7 mol/L – 10 mol/L = - 3 mol/L Δt = 10 min – 0 min = 10 min

Verifica que la velocidad de aparición de B es la misma en dicho intervalo. En general, para la siguiente reacción hipotética balanceada: xA + yB→ zC + wD podemos afirmar que la velocidad está dada por:

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1.4

ECUACIÓN DE LA VELOCIDAD La velocidad de una reacción química relaciona el cambio en la concentración de

reactivos o productos con el tiempo y se expresa, usualmente, en mol/l × s. Durante el transcurso de una reacción, las moléculas de reactivos van desapareciendo, al tiempo que se forman los productos. La velocidad de la reacción se puede estudiar observando la disminución de la concentración de reactivos o el aumento de la concentración de productos. En la reacción: Br2 (ac) + H - COOH (ac) → 2 HBr (ac) + CO2 (g) La ecuación de velocidad cinética es una ecuación matemática que relaciona la velocidad de reacción con las variables de que depende (fundamentalmente con la composición del sistema: número de moles, concentraciones o, en gases, presiones parciales). En la ecuación cinética pueden aparecer variables relacionadas con cualquier especie química presente en el sistema durante la reacción: reactivos, productos, catalizadores, disolvente, especies interés, etc.

En algunos sistemas reactivos:

la ecuación cinética adopta una forma especialmente sencilla:

En ese caso se dice que la reacción tiene orden definido •

Se denomina orden parcial respecto a la sustancia j al exponente a que aparece elevada la concentración de dicha sustancia.

•

El orden total, n es la suma algebraica de los exponentes: n = α + β + ...

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Los órdenes de reacción pueden ser números positivos o negativos, enteros o fraccionarios y no están ligados a los coeficientes estequiométricos de la reacción (global). Sus valores no dependen de cómo se ajuste la reacción.

•

El método, también llamado diferencial, puede usarse siempre que sea posible medir con precisión suficiente la velocidad de reacción instantánea

•

Se parte de la ecuación cinética:

Tomando logaritmos:

Midiendo la velocidad de reacción para distintas composiciones de partida, el problema se transforma en un ajuste lineal multivariado. •

Como resultado del ajuste, se determinan tanto la constante de velocidad (su logaritmo) como los órdenes parciales de reacción. Alternativamente, si se realizan pares de experimentos, a la misma temperatura, en los que cada uno solo difiera del otro en la concentración de un reactivo, se pueden determinar los órdenes de reacción dividiendo las velocidades. Por ejemplo: si se realizan dos experimentos a la misma temperatura y en los que las concentraciones de la especie A sean [A]1 y [A]2 y todas las demás estén en las mismas concentraciones ([B]1 = [B]2 ≡ [B], etc.):

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Tomando logaritmos:

Figura 2

Figura 3

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1.5

CONSTANTE DE LA VELOCIDAD •

La k que aparece en la ecuación cinética recibe el nombre de constante de velocidad y es función de la temperatura. Al aumentar la temperatura, la constante de velocidad también aumenta.

•

La constante de velocidad tiene unidades que, en el caso de ecuaciones en términos de concentraciones molares, son:S-1· mol1-n · Ln-1 (donde n es el orden total).

1.6

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

1.6.1 CONCENTRACIÓN DE LOS REACTIVOS La velocidad de una reacción aumentará al aumentar la concentración de los reactivos, ya que habrá más probabilidad de que las moléculas de los reactivos choquen unas con otras y, por lo tanto, mayor probabilidad de choques efectivos. Guldber y Waage formularon en 1862 una ley que relaciona la velocidad de la reacción con la concentración de los reactivos. Esta ley se conoce con el nombre de Ley de acción de masas y expresa: “A temperatura constante, la velocidad de una reacción química es directamente proporcional a la concentración molar de cada una de las especies reaccionantes”. La velocidad de una reacción aumentará al aumentar la concentración de los reactivos, ya que habrá más probabilidad de que las moléculas de los reactivos choquen unas con otras y, por lo tanto, mayor probabilidad de choques efectivos. Si consideramos una reacción química genérica, del tipo: a A + b B----> c C + d D v = K [A] [B] K es un factor constante que depende exclusivamente de la temperatura.

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1.6.2 TEMPERATURA Generalmente puede considerarse que un aumento de 10 grados en la temperatura, duplica aproximadamente la velocidad de una reacción. Experimentalmente se sabe que, al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de una reacción. Esto es debido a que, al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas reaccionantes permitiendo que un mayor número de ellas alcancen la energía de activación necesaria para producir choques eficaces. Generalmente puede considerarse que un aumento de 10 grados en la temperatura, duplica aproximadamente la velocidad de una reacción. 1.6.3 CATALIZADORES Los catalizadores son sustancias que hacen variar la velocidad de una reacción química sin que por ello sufran ningún cambio químico permanente. Un catalizador modifica únicamente la velocidad de una reacción que ocurriría espontáneamente pero nunca puede provocar una reacción que no se realice por sí sola. Los catalizadores son sustancias que hacen variar la velocidad de una reacción química sin que por ello sufran ningún cambio químico permanente. Si aumenta la velocidad de la reacción, se llama catalizador positivo. Si la retarda, catalizador negativo o inhibidor. Los catalizadores actúan únicamente modificando la Energía de activación de los procesos, disminuyéndola o aumentándola, respectivamente. Para el caso de un catalizador positivo, las gráficas de energía de activación serían:

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Figura 4

1.6.4 ESTADO DE LOS REACTIVOS Cuando los reactivos están en el mismo estado, el choque entre las moléculas es más fácil que si se encuentran en estados diferentes. Además, al aumentar la superficie de contacto entre los reactivos, aumenta el número de choques y, por lo tanto, la velocidad. Cuando los reactivos están en el mismo estado, el choque entre las moléculas es más fácil que si se encuentran en estados diferentes. Así, por ejemplo, cuando un sólido reacciona con un gas, la trituración del sólido origina una mayor superficie de contacto y por lo tanto, mayor velocidad. Si tenemos dos líquidos inmiscibles, al agitar vigorosamente, el área de contacto entre las moléculas de ambos líquidos es mucho mayor que cuando están en reposo, y por lo tanto la reacción será más rápida 1.7

CINÉTICA QUÍMICA EN LA INDUSTRIA Uno de los factores que afecta a la velocidad de reacción es la catálisis (Proceso

mediante el cual se disminuye la velocidad de reacción química, disminuyendo la energía de 10

activación de esta). Este es uno de los métodos más utilizados en la conservación de alimentos . Un inhibidor es una sustancia que disminuye o incluso anula la actividad de los catalizadores promotores y, por consiguiente, disminuye o anula la velocidad en la que reactivos para formar productos. El objetivo principal del inhibidor es adherirse al catalizador de forma temporal y permanente de manera a que impide la unión del mismo con moléculas de sustancia, disminuyendo la velocidad de reacción, además altera la formación del catalizador e inactivando. Un sistema de conservación de alimentos muy común es la salazón. Este es uno de los métodos más antiguos para conservar los alimentos. Se sabe que los antiguos egipcios ya comenzaban a poner las carnes en salazón con el objetivo de poder almacenarlas y mantenerlas comestibles durante largos periodos de tiempo. Este método consiste en la adición de cloruro de sodio, actuando como inhibidor ante el crecimiento de los microorganismos y ante la actividad catalítica de los sistemas enzimáticos. Por lo tanto, disminuye la velocidad de reacción. Ejemplo: Para evitar que el pescado se malogre, se le agrega cloruro de sodio para alargar el tiempo de putrefacción de la carne. Algunos factores que afectan la velocidad de reacción de los alimentos son: La temperatura, la naturaleza de los reactivos, la concentración, la superficie de contacto, etc. y los que benefician a la conservación de los alimentos son: La congelación, la refrigeración, la acidificación, etc. Todos estos métodos buscan el beneficio humano de poder conservar a largo plazo los alimentos y por tanto nos ayuda a no desperdiciar comida en el estado. La mayoría de los procesos industriales utilizan catalizadores sólidos. Estos sólidos, de composición altamente compleja (en ocasiones llegan a tener 10 o más elementos en su

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fórmula), pueden ser sin embargo descritos en forma de tres componentes elementales: la fase activa, el soporte y el promotor. La fase activa, como su nombre lo indica, es la directamente responsable de la actividad catalítica. Esta fase activa puede ser una sola fase química o un conjunto de ellas, sin embargo, se caracteriza porque ella sola puede llevar a cabo la reacción en las condiciones establecidas. Sin embargo, esta fase activa puede tener un costo muy elevado, como en el caso de los metales nobles (platino, paladio, rodio, etc.) o puede ser muy sensible a la temperatura (caso de los sulfuros de molibdeno y cobalto), por lo cual se requiere de un soporte para dispersarla, estabilizarla y proporcionarle buenas propiedades mecánicas. El soporte es la matriz sobre la cual se deposita la fase activa y el que permite optimizar sus propiedades catalíticas. Este soporte puede ser poroso y por lo tanto presentar un área superficial por gramo elevada. Figura 5

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1.8

APLICACIONES DE LA CINETICA QUIMICA (GENERALES) La cinética química es una rama de la fisicoquímica que estudia la velocidad de las

reacciones químicas, los factores que la afectan y el mecanismo por el cual transcurren. Actualmente, la aplicación de la cinética química se realiza en todas las actividades productivas en las que toma lugar una reacción química; por ejemplo, en la síntesis de productos básicas (ácido sulfúrico, ácido nítrico, etc.) en la refinación del petróleo y la petroquímica, en la síntesis de productos farmacéuticos, en la industria de los alimentos: 1.8.1 MEDIO AMBIENTE Una de las tantas aplicaciones se encuentra en medio ambiente, el modo en que las aguas naturales adquieren su composición está controlado por principios termodinámicos del equilibrio químico y de la cinética. Al cabo del tiempo, en su trayectoria subterránea, el control lo ejerce en la cinética química. En muchos trabajos relacionados con la calidad de las aguas naturales, no se considera el papel que juega el factor tiempo en el proceso de disolución de los minerales, limitándose solo a estudiar dicha calidad en condiciones de equilibrio. Sin embargo, el tiempo de reacción junto a la temperatura y el contenido de CO2, son los tres principales elementos que determinan el proceso de adquisición de la composición química a través de las distintas fases presentes: gas, líquido y sólido. En las condiciones naturales, en un momento dado, el contenido de CO2 libre y de CO2 combinado es el resultado de la acción del tiempo, así como de las condiciones geológicas anteriores (Fagundo, 1996)

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1.8.2 ALIMENTOS Los procesos utilizados en la industrias de alimentos constituyen el factor de mayor importancia en las condiciones de vida y en la búsqueda de soluciones que permitan preservar las características de los alimentos por largos períodos, utilizando procedimientos adecuados en la aplicación de sustancias químicas en los alimentos tales como el enfriamiento, congelación, pasteurización, secado, ahumado, conservación por productos químicos y otros de carácter similares que se les puede aplicar estas sustancias para su conservación y al beneficio humano. Las industrias de alimentos como la MERK han desarrollado nuevos productos como flavoides, folatos y ácidos grasos polinsaturados (omega 3) para alimentos funcionales y suplementos alimenticios. También ofrece suplementos de vitaminas y minerales de los cuales MERK ha sido internacionalmente reconocido como un proveedor de primera calidad, además todos los productos son enriquecidos con enzimas, antioxidantes y persevantes, etc. Los aditivos constituyen importancia en el valor de los alimentos procesados, ya que son empleados a alimentos más de 2000 aditivos alimentarios, colorantes artificiales, edulcorantes, antimicrobianos, antioxidantes, autorizados para usarse en los alimentos. La mayor parte de los alimentos como harinas, enlatados, contiene aditivos, pero aún más las golosinas, los pepitos. 1.8.3 FARMACOLOGÍA Permite saber en cuanto tiempo un medicamento empieza a funcionar dentro de un organismo y también poder calcular su fecha de vencimiento. 1.9

CONCLUSIONES: •

Podemos concluir que la cinética química no solo se queda como unos cálculos matemáticos, sino que dentro de la ingeniería se aplica para hacer

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mas beneficiosa la vida del ser humano al aplicarse en diferentes industrias de las cuales el hombre necesita a diario. •

También podemos concluir que el aprender, dominar y practicar la cinética química nos permite estar mejor preparados para la vida dentro de una industria y mas si forman parte del grupo que se encarga de la producción ya sea de alimentos o fármacos.

1.10 BIBLIOGRAFÍA: Novoa, J. Y. (s. f.). APLICACIONES DE LA CINETICA QUIMICA. Academia.edu. Recuperado 24 de julio de 2021, de https://www.academia.edu/5836551/APLICACIONES_DE_LA_CINETICA_QUIMIC A VI. APLICACIONES INDUSTRIALES. (s. f.). Biblioteca Digital. Recuperado 24 de julio de 2021, de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/059/htm/sec_9.ht m CINETICA QUIMICA. (s. f.). Universidad Nacional de Nordeste. http://ing.unne.edu.ar/pub/quimica/quigralytec/teoria/u04.pdf EcuRed. (s. f.). Cinética química - EcuRed. Recuperado 24 de julio de 2021, de https://www.ecured.cu/Cin%C3%A9tica_qu%C3%ADmica Unidad 2: Cinética química | Química general. (s. f.). PUCP. Recuperado 24 de julio de 2021, de http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/unidades-q2/unidad-2-cineticaquimica.html B.P Dery , Monografias.com. (s. f.). La cinética química y la industria farmacéutica Monografias.com. Monografias.com. Recuperado 24 de julio de 2021, de 15

https://www.monografias.com/trabajos101/sobre-cinetica-quimica-y-industriafarmaceutica/sobre-cinetica-quimica-y-industria-farmaceutica.shtml CONSERVACIÓN ALIMENTICIA Y CINÉTICA QUÍMICA. (s. f.). QuímicaAlandalus. http://quimicalandalus.blogspot.com/2015/02/conservacion-alimenticia-ycinetica.html

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