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Instituto PolitécnicoNacionalEscuela Superior de IngenieríaQuímica e Industrias ExtractivasDepartamento de formaciónbásicaLaboratorio de Química deSolucionesPérez Nieto Juan OswaldoPractica no. 7: “OPERACIONES YPROCESOS CON SOLUCIONES”Profe. Ing. Ortiz Rosas GustavoPeriodo 2021/1 (Septiembre-Febrero...

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Departamento de formación básica Laboratorio de Química de Soluciones

Pérez Nieto Juan Oswaldo Practica no. 7: “OPERACIONES Y PROCESOS CON SOLUCIONES”

Profe. Ing. Ortiz Rosas Gustavo Periodo 2021/1 (Septiembre-Febrero)

Sesión 7 Química de Soluciones “OPERACIONES Y PROCESOS CON SOLUCIONES”

OBJETIVOS Objetivo General Determinar la concentración teórica y experimental de las soluciones acuosas de ácidos y bases. Objetivos Particulares Identificar los términos dilución, reconcentración, mezclado y reacción entre soluciones acuosas. Identificar y aplicar algunas de las operaciones y procesos unitarios de uso común en los laboratorios de análisis químicos. Destacar la importancia de las titulaciones volumétricas para la determinación y/o comprobación experimental de la concentración de una solución ácida o básica

Introducción OPERACIÓN UNITARIA En ingeniería química y sus campos relacionados, una operación unitaria es un paso básico en un proceso. Las operaciones unitarias implican un cambio físico o transformación química, como separación, cristalización, evaporación, filtración, polimerización, isomerización y otras reacciones. Por ejemplo, en el procesamiento de leche, la homogeneización, la pasteurización y el envasado son cada una, operaciones unitarias que están conectadas para crear el proceso general. Un proceso puede requerir muchas operaciones unitarias para obtener el producto deseado a partir de los materiales de partida o materias primas. FILTRACION. -Separación de las partículas sólidas en suspensión en un fluido, mediante el paso forzado de este a través de un medio filtrante o membrana sobre la cual depositan los sólidos. DESTILACION. -Separación de los componentes de una mezcla liquida por vaporización de la misma. Al calentar primero se desprenden los componentes más volátiles y va quedando un residuo líquido constituido por las sustancias de punto de ebullición más alto. CENTRIFUGACIÓN. Procedimiento de separación de líquidos mezclados o de partículas sólidas en suspensión en un líquido por efecto de una fuerza centrífuga.

TRITURACION. Se usa pare reducir sólidos duros a tamaños menos grandes y más manejables. SECADO. Operación de separar un líquido que acompaña a un sólido. EXTRACCION. Operación química básica de separación de sustancias disueltas en liquidas. DISOLUCION. Mezcla de dos o más componentes cuyas propiedades varían al ser modificadas sus proporciones. CRISTALIZACION. Proceso físico por el cual un cuerpo adquiere la estructura cristalina. Puede realizarse por sublimación por fusión y posteriormente por enfriamiento de la masa fundida o por evaporación gradual del disolvente en una solución saturada. AGITACION. Operación química que consiste en crear movimientos turbulentos en un fluido mediante dispositivos mecánicos que actúan sobre el (agitadores). Se emplea industrialmente para acelerar ciertas operaciones como la extracción, el mezclado y la absorción. DILUCION. Es una aplicación al problema de la medición de una corriente de flujos se basa en la adición de una sustancia soluble en el fluido. DECANTACION. Es la separación por inclinación de un líquido de un sólido.

EVAPORACION. Paso de una sustancia del estado líquido al de vapor, a una temperatura inferior a la de ebullición y tiene lugar solo en la superficie del líquido además de que se produce en forma gradual. PRECIPITACION. Aparición de una fase sólida en el seno de una disolución se produce cuando la concentración de soluto supera la máxima posible. Se usa en análisis como método de purificación de sustancias. Las operaciones físicas realizadas para producir estos cambios, tales como transmisión de calor, flujo de fluidos, destilación, etc., son llamadas Operaciones Unitarias. Los cambios químicos que ocurren en el reactor o reacciones químicas como: oxidación, nitración, polimerización, reducción, esterificación, etc., se conocen con el nombre de Procesos Unitario

PROCESO UNITARIO: La diferencia que existe entre un proceso y una operación unitaria es que en un proceso unitario a diferencia de las operaciones unitarias, es en donde se presentan los fenómenos físicos y en algunos casos químicos, en cambio en las operaciones unitarias son principios fundamentales de física. Los procesos químicos en general y cada operación unitaria en particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede realizarse por tres caminos: Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla, reacción química). Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, vaporización, aumento de presión,...).

Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección). Los tres cambios mencionados anteriormente son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas: cantidad de materia y composición. energía total (interna, eléctrica, magnética, potencial, cinética). las componentes de velocidad de que está animado. Este hecho experimental tiene su expresión matemática en tres leyes de conservación: ley de conservación de la materia. ley de conservación de la energía. ley de conservación de la cantidad de movimiento

ANÁLISIS CUANTITATIVO: En química se conoce como análisis cuantitativo a la determinación de la abundancia absoluta/relativa (muchas veces expresada como concentración) de una, varias o todas las sustancias químicas presentes en una muestra. Una vez que se conoce la presencia de cierta sustancia en una muestra, la cuantificación o medida de su abundancia absoluta o relativa puede ayudar en la determinación de sus propiedades específicas. Por ejemplo, el análisis cuantitativo realizado por espectrometría de masas sobre muestras biológicas puede aportar, por la proporción de abundancia relativa de ciertas proteínas específicas, indicaciones de ciertas enfermedades, como el cáncer. SOLUCIÓN VALORADA: Las soluciones valoradas o soluciones estándar son aquellas en las que las medidas de concentración de sus componentes son

conocidas y seguidas con precisión. Las medidas de concentración están estandarizadas. Todas las sustancias son mezclas homogéneas compuestas por dos elementos básicos: un soluto y un solvente. El soluto es la parte que se disuelve y el solvente es la parte que disuelve el soluto. Cabe destacar que el soluto se encuentra en menor cantidad que el solvente. En este sentido, en las sustancias valoradas, se conocen las cantidades exactas de soluto y de solvente que se requieren para hacer la solución estándar. Para realizar una solución valorada se deben pesar o medir cada uno de los componentes de la solución y asegurarse de que ni un miligramo de soluto o de solvente quede adherido en alguno de los instrumentos de medición. SOLUCIÓN PATRÓN: Solución de concentración exactamente conocida que se usa en un proceso de valoración para determinar la concentración de otra. Una solución patrón es un reactivo de concentración conocida con exactitud. Estas disoluciones desempeñan una función principal en todos los métodos volumétricos. Para establecer la concentración hay dos opciones: prepararlas por un método directo o por un método indirecto o normalización. Método directo: Se prepara la disolución utilizando un patrón primario (compuesto de elevada pureza). Se pesa cuidadosamente (en balanza analítica) una cantidad del patrón primario (m), se disuelve en el disolvente apropiado y se diluye hasta un volumen (V) conocido con exactitud en un matraz aforado. La concentración se calcula como: c = (m/Mr)/V donde c: concentración (moles/L) m: masa (g) Mr: masa molecular (g/mol) V: volumen (L) Método indirecto (normalización): Si no se dispone de un patrón primario apropiado se prepara una disolución de concentración aproximada del valorante y posteriormente se determina su concentración mediante normalización. En la normalización se determina la concentración de

la disolución patrón mediante valoración frente a una cantidad medida cuidadosamente de un patrón primario, o frente a un volumen conocido con exactitud de otra disolución patrón. El cálculo de la concentración de la disolución patrón se realiza como en cualquier otra valoración.

ALÍCUOTA: La alícuota es una parte que se toma de un volumen (alícuota líquida) o de una masa (alícuota sólida) iniciales, para ser usada en una prueba de laboratorio, cuyas propiedades físicas y químicas, así como su composición, representan las de la sustancia original. Normalmente las alícuotas son el resultado de repartir un volumen inicial en varias partes iguales. Se suele medir en mililitros (ml) o gramos (g). Una alícuota es una parte que mide exactamente a un todo. Parte proporcional. En pocas palabras es una muestra, que representa las características del resto. Por ejemplo en una solución tomas una alícuota de 10 ml que representan 100 ml de la solución que preparaste, en cuanto a sus características como la concentración. Aparte del significado en química, está el significado general: por ejemplo, repartir una herencia en partes alícuotas significa repartir proporcionalmente el dinero en partes iguales, o equivalentes, como 10 automóviles por una casa, o términos equiparables GRAVIETRÍA: En química analítica, el análisis gravimétrico o gravimetría consiste en determinar la cantidad proporcionada de un elemento, radical o compuesto presente en una muestra, eliminando todas las sustancias que interfieren y convirtiendo el constituyente o componente deseado en un compuesto de composición definida que sea susceptible de pesarse. La gravimetría es un método analítico cuantitativo, es decir, que determina la cantidad de sustancia midiendo el peso de la misma con una balanza analítica y sin llevar a

cabo el análisis por volatilización. El análisis gravimétrico es uno de los métodos más exacto y preciso. Los cálculos se realizan con base en los pesos atómicos y moleculares y se fundamentan en una constancia en la composición de sustancias puras y en las relaciones ponderales (estequiometria) de las reacciones químicas. VOLUMETRÍA: La volumetría es un proceso que se lleva a cabo para realizar un análisis de tipo cuantitativo. En este caso, la volumetría consiste en medir qué volumen de un reactivo se debe gastar hasta que se genere una cierta reacción en la sustancia que está siendo analizada.

Hojas de seguridad Hoja de seguridad del Acido Clorhídrico https://www.carlroth.com/medias/SDB-K025-ESES.pdf?context=bWFzdGVyfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0c3wyODY4NzB8YX BwbGljYXRpb24vcGRmfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0cy9oYzIvaDhhLzg5OTU yMzgzMTQwMTQucGRmfDhkMmQwMDU0NjMyYTVhNWU0NjhiNDVhNGVhMj cyZmQ1NWM5OTQxMTZmNmU4MDZhNGIzZWI0ODcxY2ZlOTIyMWY Hoja de seguridad del tiosulfato de sodio https://www.ineos.com/globalassets/ineos-group/businesses/ineosenterprises/businesses/ineos-calabrian/resource-center/safety-datasheets/sodium_thiosulfate_solution_sds_spa.pdf Hoja de seguridad de la fenolftaleína https://www.carlroth.com/medias/SDB-T126-ESES.pdf?context=bWFzdGVyfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0c3wyNTc4NzJ8YXBwbGljYXRpb24vcGRmfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0c y9oZjcvaDM1Lzg5NTA5NzYwNTMyNzgucGRmfGUyOTdkNjM1OTZjNzBmZTgyZjk2NzJlZWY0MTk4YjIzOTZiMjRjYzdlZTlmMjEzMTliMDAyNDE0 MjNhNjU1M2M

Efectúa los cálculos necesarios para las actividades 1 y 2A en el laboratorio. Datos

Solución de

V Inicial= 25 mL

M.MS.A=158g/mol

Na2 S 2O 3 · 5 H 2O

M.MS.H=248g/mol C = 10g/L

ρ=0.701g/ml

Actividad 2: Preparación de soluciones acuosas Datos:

Solución acuosa HCl

C=.5M

M.MHCl= 36.5g/mol

V=25ml

ρ=1.19g/ml

Investiga cuáles son las expresiones algebraicas que representan el balance de masa de soluto(s) y que se usan para la resolución de problemas de dilución, reconcentración y mezcla de soluciones, así como en las titulaciones volumétricas ácido-base o redox. Indica el significado de cada literal. Balance de masa de solutos La molaridad expresa la concentración medida en los moles de soluto en un litro de solución. Se expresa como M: M = (moles de soluto) / (Litro de solución) sea, que nos indica el número de moles -de cierto soluto- existentes por cada litro de disolución. La molalidad (m), expresa la concentración medida en los moles de soluto por cada kilogramo de solvente: m = (moles de soluto)/ (kilogramo de solvente) Peso equivalente = (masa molecular del reactivo) / (número de equivalencia) El porcentaje masa (m/m) indica la masa de soluto por masa de solución. Así, una solución 15% m/m tendrá 15 gramos (o kilos, etc.) de soluto en cada 100 gramos (o kilos, etc.) de solución. Si se desea convertir los gramos de

solución a ml, se deberá conocer la densidad de la solución. El porcentaje masa volumen (m/v) indica la masa de soluto por unidad de volumen; así una solución 15% m/v tendrá 15 gramos de soluto en cada 100 ml de solución. El porcentaje volumen en volumen (v/v) da cuenta del volumen de soluto por volumen de solución; así en una solución 15% v/v se tendrán 15 ml de soluto en cada 100 ml de solución.

Observaciones Los procesos químicos en general y cada operación unitaria en particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede realizarse por tres caminos: - Modificando su masa o composición. - Modificando el nivel o calidad de la energía que posee. - Modificando sus condiciones de movimiento. En un proceso unitario a diferencia de las operaciones unitarias, es en donde se presentan los fenómenos físicos y en algunos casos químicos, en cambio en las operaciones unitarias son principios fundamentales de física. Todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran Llamarse operaciones unitarias, como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación... El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de ellas intervienen en un proceso determinado

Conclusión Las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo con las propiedades (materia, energía, cantidad de movimiento) que se transfiera en la operación y sea la más relevante en la misma. Se llama operación unitaria a una parte indivisible de cualquier proceso de transformación donde hay un intercambio de energía del tipo de físico, de una materia prima en otro producto de características diferentes. Las operaciones Unitarias. Son la base de la industria química y de transformación de materiales y puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre una función determinada Las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo con la propiedad (materia, energía, cantidad de movimiento) que se transfiera en la operación y sea la más relevante en la misma. Aparecen así seis grandes grupos de operaciones.

Referencias Leidenger, O. M. (1997). Procesos industriales. Fondo Editorial PUCP. Foust, A. S., & Wenzel, L. (1969). Principios de operaciones unitarias. Compañía Editorial Continental. Warren, M., Julian, S. M. I. T. H., & Peter, H. (1998). Operaciones unitarias en ingeniería química. 1199p....