Universidad Andrs Bello Facultad de Ecologa y Recursos Naturales Departamento de Ciencias Qumicas

Qumica Industrial QUI 103 Ingeniera en Marina Mercante

APUNTES DEL CURSO

Compilado por : Revisado por :

Dra. Paulina Hidalgo Crdova. Docente del Curso. Sede Concepcin.Dr. Wilson Cardona Villada wcardona@unab.cl Coordinador Departamento de Ciencias qumicas. Sede Concepcin. Mg. Myriam Gonzlez Roncagliolo. migonzalez@unab.cl Directora de Programa Acadmico. Escuela Nutica. Facultad de Intereses y Servicios Martimos. Sede Via del Mar.

Marzo de 2010

I. Introduccin y conceptos1. Clasificacin de la materia 2. Unidades de medicin 3. tomos y Molculas 4. Frmulas, reacciones y ecuaciones qumicas 5. Clculos a partir de Reacciones Qumicas

1. Clasificacin de la materia

Se define como materia a todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Existen dos formas de clasificar la materia: 1. Estado Fsico 2. Constitucin Qumica 1. De acuerdo al estado fsico se clasifica en: Slido: Pueden ser cristalinos o amorfos. En un slido cristalino los tomos o iones, se encuentran ordenados en arreglos tridimensionales bien definidos. En los slidos amorfos las molculas no tienen una estructura ordenada. Los slidos en general, se caracterizan por su rigidez y porque tienen forma y volumen fijo. Las fuerzas de interaccin entre las molculas son altas y debido al alto grado de orden la energa cintica de las molculas es muy baja. Lquido: Las molculas estn cercanas entre si, pero sin una posicin rgida, por lo que pueden moverse. Tiene un volumen definido, independiente del recipiente, pero no tiene forma especfica, por lo que adopta la forma del recipiente que lo contiene. Las fuerzas de interaccin entre las molculas son intermedias y debido a esto tienen cierto grado de libertad y la energa cintica es mayor que en los slidos. Gaseoso: Las molculas estn separadas entre s por distancias grandes y se mueven libremente, no tiene volumen ni forma fija, ocupa el volumen y la forma del recipiente que lo contiene. Las fuerzas de interaccin intermoleculares son bajas por lo que tienen un alto grado de libertad y la energa cintica de las molculas es bastante alta. 2. De acuerdo la constitucin qumica la materia se clasifica como lo indica el siguiente diagramaMATERIA

SUSTANCIAS PURAS

MEZCLAS

ELEMENTOS

COMPUESTOS

HOMOGENEAS

HETEROGENEAS

Las sustancias puras son la forma de la materia que no puede ser separada en otra clase de materia por ningn proceso fsico y poseen propiedades caractersticas. Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos. Los elementos son sustancias que no se pueden separar en otras ms sencillas por medios qumicos. Se conocen a la fecha 114 elementos. Ej: Na, Fe, Cu, Ag Los compuestos son sustancias formadas por dos o ms tomos unidos qumicamente en proporciones fijas. Los compuestos solo se pueden separar en sus componentes puros por medios qumicos. Por ejemplo, el agua, H2O. Las mezclas son una combinacin de dos o ms sustancias en la que stas conservan sus propiedades. Las mezclas no poseen una composicin constante, por ejemplo, el aire, si se obtienen muestras de aire en diferentes ciudades, probablemente no sern similares en su composicin a causa de la altitud de ellas, la contaminacin atmosfrica, etc. Cualquier mezcla se puede formar y luego separar por medios fsicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de ellos. Las mezclas pueden ser homogneas o heterogneas. Las mezclas homogneas: son mezclas cuya composicin es uniforme, es decir, se distingue una sola fase en la mezcla. Por ejemplo el aire, est compuesto de O2, N2 y otros gases, pero se observa solo como un gas y no se distinguen los componentes dentro de la mezcla. Las mezclas heterogneas son mezclas cuya composicin no es uniforme y se distingue ms de una fase en la mezcla. Por ejemplo, agua y aceite, cada uno de los componentes es posible observarlos dentro de la mezcla. PROPIEDADES DE LA MATERIA Propiedades fsicas y qumicas de la materia Las sustancias se identifican por su composicin y propiedades. Estas propiedades pueden ser fsicas o qumicas. Propiedades fsicas. Se pueden medir y observar sin que se modifique la composicin o identidad de la sustancia. Por ejemplo: color, olor, temperatura de fusin, de ebullicin, etc. Propiedades Qumicas: son aquellas propiedades que para poder observarlas debe ocurrir un cambio qumico. Por ejemplo: la combustin, cocer un huevo, oxidacin de metales, etc. Todas las propiedades de la materia que son medibles se clasifican en: Intensivas: el valor de la propiedad no depende de cunta materia se considere. Por ejemplo: la temperatura, la densidad, temperatura de fusin Extensivas: el valor de la propiedad depende de la cantidad de materia. Por ejemplo: la masa, el volumen, etc. Cambios qumicos y cambios fsicos Cambio Fsico: cambio en la forma de la materia, pero no en su identidad qumica. Ejemplos: a. Los cambios de estado de la materia es un ejemplo claro de un cambio fsico. La materia cambia de estado de agregacin, pero no su composicin. Slido Lquido Gas

b. Disolver sal en agua es otro ejemplo de cambio fsico. La sal comn, cloruro de sodio, se disuelve en agua pero no cambia la identidad qumica ni del in cloruro ni del in sodio en la disolucin. Cambio Qumico: es un cambio en el cual una o ms clases de materia son transformadas en una nueva clase de materia o en varias (reaccin qumica) Ejemplo: oxidacin del hierro

Figura 1. Ejemplo de cambio qumico: oxidacin del hierro

2. Unidades de Medicin

Muchas propiedades de la materia son cuantitativas, es decir, estn asociadas con nmeros. Cuando un nmero representa una cantidad medida, siempre deben especificarse las unidades de esa cantidad. Las unidades utilizadas para mediciones cientficas son las del sistema mtrico. Algunos pases an utilizan algunas unidades del sistema ingls El primero es de uso comn en diferentes bloques comerciales: MERCOSUR, CEE, Japn, etc. El segundo es difundido en el Commonwealth y en Estados Unidos de Norteamerica. Cada uno de estos sistemas define unidades especficas para cada magnitud bsica: longitud, tiempo, masa, peso y luego las extiende al resto de magnitudes. De acuerdo con las necesidades particulares de adecuacin y comodidad en una industria y/o prctica profesional determinada, ciertas unidades bsicas son empleadas con mltiplos o submltiplos de las unidades bsicas. Unidades del sistema Internacional (SI) La autoridad internacional en cuanto a unidades (Conferencia General de Pesos y Medidas), propuso un conjunto de unidades del sistema mtrico al que llam Sistema Internacional. En la Tabla I se muestran las siete unidades bsicas del SI. Todas las dems unidades de medicin se derivan de ella. Las unidades que se utilizan frecuentemente en el estudio de la qumica son las de tiempo, masa, volumen, densidad y temperatura. Al igual que las unidades mtricas, las del SI se modifican de manera decimal con prefijos como se ilustra en la Tabla II.Tabla I. Unidades Bsicas del Sistema Internacional Magnitud Longitud Masa Tiempo Intensidad de corriente elctrica Temperatura termodinmica Cantidad de sustancia Intensidad luminosa Nombre metro kilogramo segundo ampere kelvin mol candela Smbolo m kg s A K mol cd

Tabla II. Prefijos usados con las unidades del SI Mltiplo 1012 9 6 3 2 1

Prefijo tera giga mega kilo hecto deca deci centi mili micro nano pico

smbolo T G M k h da / D d c m n p

Equivalencia decimal 1 000 000 000 000 1 000 000 000 1 000 000 1 000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.000 001 0.000 000 001 0.000 000 000 001

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

1001 2 3 6 9

ninguno

12

Masa, Longitud y Tiempo Masa Aunque los trminos masa y peso se utilizan indistintamente en sentido estricto se trata de cantidades diferentes. La masa es una unidad de cantidad de materia de una sustancia El peso es la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto.

El proceso de medir la masa en una balanza se llama pesada. La unidad bsica de masa del SI es el kilogramo (kg). En qumica es ms conveniente utilizar una unidad ms pequea, el gramo. 1 kg = 1000 g = 1x 103g Se debe poner especial cuidado en un error comn de designar el gramo (g) como grano (gr). El grano es la unidad de medida ms pequea del sistema ingls y un grano equivale a 0,06479891 gramos (64,79891 miligramos) 1 gr= 0.06479891 g Longitud La unidad de longitud del SI es el metro (m). Otras unidades de uso comn son: cm km in centmetro kilmetro pulgada 1 cm = 0,01m = 1 x 10-2m 1 km = 1000m = 1 x 103m 1 in = 2.54 cm

ft

pie

1 ft = 12 in

Tiempo La unidad bsica para medir el tiempo en el SI es el segundo, s. Otras unidades son: min h minutos horas 1min = 60s 1h = 3600s

Unidades Derivadas Volumen Representa la cantidad de espacio que ocupa la materia. La unidad que corresponde al SI es el m3. En qumica se suele utilizar el cm3 o el L. cm3 L Densidad: mL centmetro cbico Litro 1L = 1000 cm3 mililitro 1m3 = 1 x 106 cm3 1m3 = 1000 L 1mL = 1cm3

Es la cantidad de masa por unidad de volumen:

d=

m V

Las unidades del sistema internacional es el Kg/m3, para aplicaciones en qumica esta unidad resulta demasiado grande por lo que se utiliza con ms frecuencia g/cm3 o g/mL 1g/cm3 = 1 g/mL3

Temperatura

1000 g/cm = 1 kg/m

3

Actualmente hay cuatro escalas de temperatura en uso: F grados Fahrenheit grados Celsius C K kelvin Rankine En la escala Fahrenheit, se definen los puntos de congelacin y de ebullicin del agua como 32F y 212F, respectivamente. La escala Celsius divide el intervalo entre los puntos de congelacin y ebullicin del agua en 100 .Kelvin Cero absoluto Punto de congelacin del agua Punto de ebullicin del agua 0K 273.15K 373.15K Celsius -273.15 C 0 C 100C Fahrenheit 459,67 F 32 F 212 F Rankine 0 491.17 671.67

Kelvin es la unidad de medida bsica del SI, se trata de una escala de temperatura absoluta. Por absoluta se entiende que el 0 de la escala Kelvin es la temperatura ms baja que puede alcanzarse en teora. Por otra parte tanto la escala Celsius como la Fahrenheit se basa en el comportamiento de una sustancia elegida arbitrariamente: el agua. Las escalas Celsius y Kelvin tienen unidades de la misma magnitud, es decir, un grado Celsius es equivalente a un Kelvin. Las ecuaciones siguientes se utilizan para transformar de una escala a otra la temperatura:De Fahrenheit Celsius Fahrenheit Kelvin Fahrenheit Rankine Celsius Fahrenheit Kelvin Fahrenheit Rankine Fahrenheit A Frmula C= (F-32)/1.8 F=1.8C+32 K= (F+459.67)/1.8 F=(9/5)K-459.67 Ra=F+459.67 F=Ra-459.67

Conversin de unidades entre el Sistema Internacional y el Sistema Ingls Las unidades del sistema Ingls son: Longitud: Tiempo: Masa: pulgada (in) segundo (s) slugs

A continuacin se exponen algunas tablas con las cuales convertir unidades del Sistema Internacional al Sistema Ingls. Conversiones de longitud.S. Intern. 1 mm. = = 1 m. 1 1 1 1 1 1 mm m. m. km. mm. m. = = = = = = S. Ingls 0,03937008 39,3700787 0,00328084 3,2808399 1,0936133 0,62137119 10000000 1000000 in. in. ft. ft. yd. mile Angstrom micron

Conversiones de Volumen:S. Intern. 1 1 1 1 1 mm m m3 3 3 3

S. Ingls = = = = = 6,1024E-05 61023,7441 35,3146667 1,30795062 0,26417205 in in

3 3 3 3

pie

m litro

yarda galones

Conversiones de PresinS. Intern. 2 1 N/m 1 1 1 1 N/m N/m N/m N/m2 2 2 2

S. Ingls = = = = = 0,00014504 0,02088543 9,8692E-06 0,00401474 0,26417205 psi (lbf/ft ) lbf/ft atmosfera in de agua ft de agua2 2

Otras unidades de presin son: 1 atm = 14,7 psi 1 atm = 101,325 Pa 1 bar = 105 Pa 1 torr = 1 mmHg Conversiones de masaS. Intern. Kg Kg = = S. Ingls lbm slug

(1 Pa = 1 N/m2)

1 1

2,20462262 0,06852177

Conversiones de densidadS. Intern. 1 1 1 Kg/m Kg/m Kg/m3 3 3

S. Ingls = = = 3,6127E-05 0,06242797 0,00194025

lbm/pul

3 3 3

lbm/pie

slug/pie

3. tomos y Molculas

tomo Basados en la teora atmica de Dalton el tomo se define como la unidad bsica de un elemento que puede intervenir en una combinacin qumica. Dalton describi un tomo como una partcula extremadamente pequea e indivisible. Actualmente est demostrado que los tomos tiene una estructura interna, es decir, que est formado por partculas an ms pequeas llamadas partculas subatmicas. El tomo est conformado por un ncleo extremadamente pequeo que contiene confinadas dos tipos de partculas: Los protones que son partculas con carga positiva Los neutrones que son partculas que elctricamente neutras

Protones Neutrones

Figura 2. Representacin de un tomo

En la regin extranuclear se encuentran los electrones, que son partculas subatmicas de carga negativa. Existen regiones del espacio donde hay mayor probabilidad de encontrar los electrones. Esta probabilidad es mayor mientras en las regiones ms cercanas al ncleo. Los electrones, que ocupan casi todo el volumen del tomo, tiene la funcin ms importante en las reacciones qumicas.

Tabla III. Masa y carga de las partculas subatmicas Partcula Electrn Protn Neutrn Masa (g) 9.10939 x 10-28 -24 -24

Carga Coulomb -1.6022 x 10 1.6022 x 10 0-19

Carga Unitaria -1 +1 0

1.67262 x 10

-19

1.67493 x 10

Existen otras partculas subatmicas, pero el electrn el protn y el neutrn son los tres componentes fundamentales del tomo que son importantes para la qumica.

La diferencia entre los tomos de un elemento y los tomos de otro elemento es la composicin subatmica. Los tomos de cada elemento tienen un nmero caracterstico de protones. El nmero de protones en el ncleo de un tomo de cualquier elemento se conoce como nmero atmico. Como un tomo tiene carga elctrica igual a cero, el nmero de electrones que contiene un tomo es igual al nmero de protones. Por ejemplo, todos los tomos de C tienen 6 protones y 6 electrones. Dicho de otra manera, cualquier tomo en el universo que tenga 6 protones en su ncleo ser Carbono. Istopos Los tomos de un elemento pueden diferir en el nmero de neutrones que contienen y, como consecuencia en su masa. Por ejemplo, la mayora de los tomos de C tiene, adems de los 6 protones y 6 electrones, 6 neutrones, aunque algunos tienen ms. El smbolo 126C, se lee como carbono 12 y representa al tomo de C que contiene 6 protones y 6 neutrones en el ncleo. El superndice se conoce como nmero de masa, y equivale al nmero total de protones y neutrones en el ncleo. Nmero de masa = nmero de protones + nmero de neutrones

Figura 3. Representacin de las partculas subatmica presentes en el ncleo del tomo y su relacin con el nmero atmico Z y nmero msico A.

Un istopo del neutrones.

12

C es el

14

C, que contiene 6 protones, 6 electrones, pero tiene 8

Masas Atmicas La masa de un tomo depende del nmero de electrones, protones y neutrones que contiene. Como no es posible masar un tomo se determina la masa en relacin con la de otro. Por acuerdo internacional, la masa atmica (conocida tambin como peso atmico) es la masa de un tomo en unidades de masa atmica (uma) Por definicin 1 tomo 12C pesa 12.00 uma, las masas atmicas de los otros elementos primero se determinaron en relacin a este valor. Como la mayora de los elementos se encuentran en la naturaleza como mezclas de istopos, se determina la masa atmica de un elemento considerando la masa de cada istopo y la abundancia relativa de estos istopos en la naturaleza. De esta manera a la masa atmica de 12C tabulada es de 12.0107 uma. Los elementos fueron distribuidos de acuerdo a un orden creciente de sus nmeros atmicos, donde los elementos que tienen propiedades similares fueron puestos en columnas verticales. A esta distribucin se le conoce como tabla peridica. Tabla Peridica de los elementos Es una organizacin tabular de los elementos en filas y columnas en la que se destaca la repeticin regular de las propiedades de los elementos (orden con respecto a las masas atmicas) La figura ___ muestra la tabla peridica, para cada elemento de la tabla aparece como informacin bsica el smbolo del elemento y el nmero atmico. Con frecuencia aparece tambin la masa atmica del elemento y alguna otra informacin adicional. Por ejemplo, para el carbono:

Figura 4. Tabla peridica de los elementos

En la tabla peridica se pueden identificar los grupos y periodos. Los grupos son las columnas verticales donde los elementos estn ordenados de acuerdo a la similitud de sus propiedades qumicas. El periodo es la lnea horizontal y de izquierda a derecha aumenta en uno (1) el nmero de protones. El primer periodo solo tiene dos elementos, el segundo y tercer periodo tienen ocho elementos cada uno. Los elementos se dividen en tres categoras: metales, no metales y metaloides. Metales: son buenos conductores del calor y la electricidad, poseen alta densidad, y son slidos a temperaturas normales (excepto el mercurio y el galio). No metales: son malos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta electronegatividad, por lo que tienden a formar aniones Metaloides: Presentan propiedades intermedias entre los metales y no metales. La mayora de los elementos que se conocen son metales, 17 elementos son no metales y slo 8 son metaloides. De izquierda a derecha, a lo largo de cualquier periodo, las propiedades fsicas y qumicas de los elementos cambian de forma gradual de metlicas a no metlicas. Por lo general, suele referirse a los elementos en forma colectiva, mediante el nmero del grupo en la tabla peridica (grupo 1A, 2A y as sucesivamente). Sin embargo, por conveniencia algunos grupos tienen nombres especiales: 1A 2A 7A 8A Li, Na, K, Rb, Cs y Fr Be, Mg, Ca, Sr, Ba y Ra F, Cl, Br, I y At He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) metales alcalinos metales alcalino trreos halgenos gases nobles

El nmero del grupo indica el nmero de electrones ms externos que hay en los tomos de cada elemento, a estos electrones se les llama electrones de valencia. Existe una tendencia natural de los elementos a completar 8 electrones en su capa ms externa (capa de valencia) a esta tendencia se le conoce como regla del octeto. Los gases nobles son los nicos elementos que tienen completa su capa de valencia con 8 electrones, todos los dems deben ceder o recibir electrones a fin de cumplir la regla del octeto. Por ejemplo, el Ca, que pertenece al grupo 2A tiene dos electrones de valencia, por lo que le es ms fcil ceder dos electrones que recibir 6 electrones, as el calcio existe como catin Ca+2. A su vez, el Cl, tiene 7 electrones de valencia (grupo 7A), por lo tanto, acepta 1 electrn y queda con 8 electrones de valencia, generando el ion Cl-. Para formar compuestos los elementos se unen de manera que en conjunto todos los elementos tengan 8 electrones de Valencia. En dicha unin el compuesto formado debe tener carga neta total igual a cero, as el calcio, del grupo 2A, y el Cloro, del grupo 7A, se unirn como sigue: Ca+2 + 2Cl- CaCl2 El calcio tiene dos cargas positivas y el cloro solo una, por lo tanto para formar un compuesto entre el calcio y el cloro se necesita un tomo de calcio y dos de cloro. Otros ejemplos: O2- + 2K+ K 2O Mg+2 + S-2 MgS La tabla peridica es una herramienta til que correlaciona las propiedades de los elementos en forma sistemtica y ayuda a hacer predicciones sobre el comportamiento qumico. Molculas e Iones De todos los elementos de la naturaleza solo los gases nobles existen como tomos sencillos. El resto de los elementos se encuentra componiendo molculas o iones formados por los tomos Una molcula es un agregado de por lo menos dos tomos que se mantienen unidos a travs de fuerzas qumicas (enlaces qumicos). Muchos de los elementos que se encuentran en la naturaleza se encuentran en forma molecular, es decir, uno o ms tomos del mismo tipo unidos entre s. Por ejemplo, el oxgeno del aire consiste en una molcula que contiene dos tomos de oxgeno, y se representa como O2, el subndice de esta frmula indica que dos tomos de oxgeno conforman la molcula. Los elementos que normalmente existen como molculas diatmicas (formadas por dos tomos) son el oxgeno (O2), nitrgeno (N2) y los halgenos. Una molcula diatmica puede contener tambin tomos distintos, como por ejemplo CO, NO, HCl, HF. Los compuestos que estn formados por molculas que contienen ms de un tipo de tomos se conocen como compuestos moleculares. Los compuestos moleculares pueden ser molculas biatmicas, triatmicas (ozono, O3, cido hipocloroso, HClO, etc) o poliatmicas (formada por ms tomos, ejemplos: HNO3, Glucosa C6H12O6, Ibuprofeno C13H8O2, Nicotina C10H14N2 Un ion es un tomo o grupo de tomos que tiene una carga neta positiva o negativa. Durante un cambio qumico el ncleo permanece sin alteraciones, por lo tanto el nmero de protones nunca vara. Pero se pueden perder o ganar electrones. La prdida de uno o ms electrones en un tomo neutro forma un catin, la ganancia de uno o ms electrones forma un anin.

Catin: ion con carga positivaNa 11 protones 11 electrones Na+ 11 protones 10 electrones

Anin: ion con carga negativaCl 17 protones 17 electrones Cl17 protones 18 electrones

Un tomo puede perder o ganar ms de un electrn, por ejemplo, Mg2+, Fe3+, S2-, N3-. Cuando un tomo pierde o gana uno o ms electrones, se transforma en un ion monoatmico (contiene solo un tomo) Los Iones poliatmicos son iones que tienen una carga neta positiva o negativa y que se componen de ms de un tomo, ejemplos, CN-, NH4+, NO3-, OH-. Frmulas Qumicas Una frmula qumica expresa la composicin de las molculas y compuestos inicos por medio de los smbolos qumicos. Composicin no solo significa los elementos presentes, si no tambin la proporcin en la cual se combinan los tomos. En este contexto se consideran dos tipos de frmulas: Frmulas Moleculares Frmulas Empricas Frmulas Moleculares: Indican el nmero exacto de tomos de cada elemento que estn presentes en la unidad ms pequea de una sustancia.

H2O1

1 tomo de oxgeno. Se omite el 1 en la frmula Subndice e idica el nmero de tomos que est presente de este elemento. En este caso 2 tomos de H

El O2 y el O3 son altropos del oxgeno, es decir, una de dos o ms formas diferentes, en las cuales existe un elemento. Otro ejemplo son los altropos del carbono: el Cgrafito y el Cdiamante. Las formas alotrpicas de un elemento son completamente diferentes en sus propiedades qumicas y fsicas Modelos moleculares. Representacin de Molculas Las molculas son muy pequeas como para poder observarlas directamente. Para poder visualizarlas se utilizan modelos moleculares: los modelos de esferas y barras y los modelos espaciales. Para escribir un modelo molecular se debe escribir primero la Frmula Estructural. Una Frmula Estructural muestra cmo estn unidos los tomos entre s en una molcula Frmulas Empricas Indica la proporcin mnima en la que se encuentran los elementos, no necesariamente indica el nmero real de tomos en la molcula. Por ejemplo H2O2: Frmula Molecular: H2O2 Frmula Emprica: HO

Las frmulas empricas son las frmulas qumicas ms sencillas, se escriben de manera que los subndices de las frmulas moleculares se reduzcan a los nmeros enteros ms pequeos que sea posible. Las frmulas moleculares son las frmulas reales de las molculas, pero las frmulas empricas son tiles porque se puede determinar a partir de la composicin centesimal de una molcula y con algo ms de informacin se puede calcular la frmula molecular. Frmulas de Compuestos Inicos Las frmulas de los compuestos inicos normalmente es la misma que su frmula emprica, debido a que no estn formados por unidades moleculares discretas. Los compuestos inicos se forman por la atraccin electrosttica entre un catin y un anin. Una muestra slida de NaCl tiene el mismo nmero de iones Na+ y Cl-. Como estn en la misma proporcin el compuesto es elctricamente neutro

Figura 5. Red tridimensional de cationes y aniones en el NaCl

En un compuesto inico la suma de las cargas en el catin(es) y anin(es) en cada una de las frmulas debe ser igual a cero.4. Frmulas,

reacciones y ecuaciones qumicas

Una reaccin qumica es un proceso en el cual una o ms sustancias cambian para formar una o ms sustancias nuevas. Un cambio qumico involucra una reaccin qumica y sta se puede representar grficamente a travs de la ecuacin qumica. Las ecuaciones qumicas se emplean para describir las reacciones qumicas e indican: Las sustancias que reaccionan o reactivos Las sustancias que se forman o productos Las cantidades relativas de las sustancias que participan en la reaccin En las ecuaciones qumicas los reactivos se escriben por convencin a la izquierda y los productos a la derecha despus de una flecha que significa produce o genera A + B C + D Un ejemplo comn de reacciones qumicas es la combustin de gas natural para calefaccin de edificios, cocina, etc. CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Esta expresin simblica se lee: el metano reacciona con dos molculas de oxgeno molecular para producir una molcula de dixido de carbono y dos molculas de agua. Como la materia no se crea ni se destruye durante una reaccin qumica, una reaccin bien balanceada siempre debe contener el mismo nmero de tomos de cada tipo en ambos lados de la ecuacin.

En algunas reacciones son necesarias condiciones especiales que se indican mediante una notacin que se coloca sobre la flecha. En un parntesis se indica el estado de agregacin de reactivos y productos. CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) Los nmeros delante de las frmulas se llaman coeficientes estequiomtricos y los nmeros pequeos debajo de cada tomo se llaman subndices. Balance de Ecuaciones Qumicas Por inspeccin Escribir la frmula correcta para los reactivos en el lado izquierdo y la frmula correcta para los productos en el lado derecho de la ecuacin. CH4 + O2 CO2 + H2O

Contar el nmero de tomos a cada lado de la ecuacin. Cambiar los coeficientes de las frmulas para igualar el nmero de tomos de los elementos a cada lado de la ecuacin. No se deben cambiar los subndices. CH4 + O2 1C 2O 4H CO2 + H2O 1C 3O 2H

Identificar los elementos que aparecen solo una vez a cada lado de la ecuacin y se comienza a balancear en funcin de estos elementos. Balancear los elementos que aparecen en dos o ms reactivos o productos CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Verificar que la ecuacin est correctamente balanceada CH4 + 2O2 1C 4O 4H CO2 + 2H2O 1C 4O 4H

5. Clculos

a partir de reacciones qumicas

Como no se puede masar 1 molcula se utiliza una unidad de cantidad para las molculas que se llama mol. Por lo que no hablaremos de una molcula sino de un mol de molculas. Por ejemplo el agua: 1 molcula de H2O 2 tomos de { H 1 tomo de O 1 mol de agua 2 moles de { H 1 mol de O

La masa molar es la suma de las masas molares de todos los tomos de una molcula. Para calcular la masa molar es necesario multiplicar la masa atmica de cada elemento por el nmero de tomos de ese elemento en la molcula. Por ejemplo, para la molcula de agua, la masa molar se calcula: Masa molar (M) =2xMH + 1xMO = 2 x 1.00 g/mol + 1 x 16.00 g/mol; MH2O = 18.00 g/mol

La masa molar del metano, CH4 = M C + 4 x M H = 16.00 g/mol El factor de conversin necesario para convertir gramos en moles es la masa molar. La masa molar es la masa de un mol de compuesto, por lo tanto, frente a cualquier cantidad de la sustancia expresada en gramos se puede hacer la relacin: 1mol masa molar x g del compuesto despejando la incgnita x =

g de compuesto x 1 masa molar

Esta expresin se puede generalizar en la ecuacin:

moles ( n) =

masa ( g ) masa molar ( g / mol )

A partir de esta relacin se puede calcular cualquiera de las variables. Volviendo al ejemplo de la combustin del CH4 y tomando el nivel molecular como referencia cuantitativa se puede escribir: CH4 1 molcula 1 mol 16.0g + 2O2 2 molculas 2 moles 2 x 18.0g CO2 1 molcula 1 mol 44.0g + 2H2O 2 molculas 2 moles 2 x 18.0g

O sea, 16.0 g de CH4 reaccionan con 64g de O2 para generar 44.0g de CO2 y 36g de H2O. (Esto se conoce como relacin estequiomtrica de la ecuacin qumica) Ejemplo. Qu masa de O2(g) se requiere para que reaccionen 24g de CH4? Primero : Escribir la ecuacin balanceda: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Segundo : Calcular las masas molares de todas las especies que intervienen en la reaccin y que se requieren para el clculo. En este caso la masa molar del CH4 y O2. M CH4= 1 x 12.0 + 4 x 1.0 = 16 g/mol M O2 = 2 x 16.0 = 32 g/mol Tercero : Calcular el nmero de moles que son los 24g de CH4

moles (n) =

masa ( g ) 24 g = = 1.5 moles de CH 4 masa molar ( g / mol ) 16 g / mol

Cuarto : Se hace la relacin estequiomtrica, un mol de CH4 reacciona con 2 moles de O2. 1 mol de CH4 2 moles de O2 1.5 moles de CH4 x x=3 moles de O2 Ahora se transforma desde moles a gramos:

masa = masa molar x moles = 3 moles x 32 g / mol = 96 gEste clculo se pude hacer directamente relacionando estequiomtricamente las masas 16g de CH4

2 x 32g de O2

24g de CH4 x= 96g

x

Cuntos g de CO2 se producen? Se hace la relacin estequiomtrica: 1 mol de CH4 produce 1 mol de CO2 16g de CH4 1 x 44g de CO2 24g de CH4 x x= 66g de CO2 Ejemplo: Qu masa de aire se necesita para quemar en combustin completa 800kg de C4H10?. La composicin de aire es 21% molar en O2 y 79% molar en N2 C4H10 + O2 CO2 + H2O Ecuacin balanceada: Masa molar Masa Moles Estequiomtricamente: 2 moles de C4H10 13 moles de O2 13.79 kmoles x x= 89.66 kmoles Como el aire est compuesto de un 21% molar en O2 y 79% molar en N2 se debe calcular ahora la cantidad de aire, puesto que solo tenemos la de O2. 79 moles de N2 21 moles de O2 x 89.66 kmoles de O2 x= 337.29 kmol de N2 A partir de los kmoles de O2 y N2 calculamos la masa de cada uno y finalmente la masa de aire: kg de O2= 89.66 kmoles x 32g/mol = 2868 kg kg de N2= 337.29 kmoles x 28g/mol = 9444 kg masa de aire= m de O2 + m de N2 = 13213kg de aire. Bibliografa 1. Qumica, Raymond Chang, McGraw Hill, 9 Edicin, 2007. ISBN 9789701061114 2. Qumica la Ciencia Central, T. L. Brown, H.E. LeMay Jr, B.E: Bursten, CJ Murphy, Perason Educacion, 11 Edicin, 2009. ISBN 9786074420210. 3. Qumica, K.W. Witten, R.E.Davis, ML Peck, G.G. Stanley, Cengage Learning, 8 Edicin, 2008. ISBN 9789706867988 2C4H10 + 13O2 8CO2 + 10H2O 58g/mol 32g/mol 800kg 13.79 kmoles

II. Estados de la Materia1. Cambios de Estado gases-lquido-slido 2. Propiedades de los lquidos 3. Propiedades generales de los gases 4. Leyes de los gases1. Cambios de Estado

En ciertas condiciones de presin y temperatura, es posible que la mayora de las sustancias existan en algunos de los tres estados de la materia: slido, lquido o gaseoso. Por ejemplo el agua puede estar en estado slido como el hielo, en estado lquido como el agua o en estado gaseoso como vapor de agua. Las propiedades fsicas de una sustancia dependen de su estado de agregacin. En un slido, las molculas se mantienen unidas en una distribucin organizada, con escasa libertad de movimiento. Por otro lado las molculas de un lquido estn cercas unas de otras, sin que se mantengan en una posicin rgida, por lo que pueden moverse. En un gas, las molculas estn separadas entre s por distancias grandes, por lo que cada una se mueve en forma libre y fundamentalmente independientes unas de otras.

Figura 1. Representacin esquemtica del orden de las molculas en los distintos estados de agregacin

Son posibles las conversiones entre los tres estados de la materia, sin que cambie la composicin de la sustancia. Al calentar un slido (por ejemplo, el hielo) se funde y se trasforma en lquido (agua) La temperatura a la cual ocurre esta transicin se llama punto de fusin. Si se contina calentando el lquido se convertir en un gas en el punto de ebullicin. El enfriamiento de un gas hace que se condense en la forma de lquido. Al enfriar adicionalmente este lquido, se congela a su forma slida. Hay sustancia que cuando se calientan no pasan por el estado lquido, sino que pasan directamente a la fase gaseosa, este proceso se llama sublimacin. El proceso inverso se llama deposicin.

Figura 2. Esquema de los cambios de estados experimentados por las sustancias

A continuacin se muestra una curva de calentamiento tpica, desde la fase slida a la fase gaseosa de una sustancia, pasando por la fase lquida. Una sustancia en general, tarda menos en

fundir que en ebullir. Las pendientes de las curvas de calentamiento del slido del lquido y del gas son caractersticas de cada sustancia (figura 3).

Figura 3. Curva de calentamiento de una sustancia desde el estado slido al estado gaseoso.

2. Propiedades de los Lquidos

Las molculas que constituyen los lquidos poseen movimiento, pero se mantienen unas cerca de otras por las fuerzas atractivas Las partculas del lquido tienen libertad para moverse, pero las fuerzas de atraccin impiden que su Energa Cintica sea tal que puedan escapar rpidamente. Al destapar una botella con agua algunas molculas de la superficie pasan a la atmsfera. Este proceso es ms rpido en lquidos que tienen menor punto de ebullicin o mayor presin de vapor. PROPIEDADES DE LOS LQUIDOS 1.- EVAPORACIN O VAPORIZACIN Es el proceso por el cual, a cualquier temperatura dada, un lquido se trasforma en un gas. En este proceso cierto nmero de molculas de un lquido tienen la suficiente energa cintica para escapar de la superficie. Cuando un lquido se evapora, sus molculas gaseosas ejercen una presin de vapor.

Figura 4. Representacin esquemtica de la presin que ejercen las molculas en fase vapor sobre la superficie de un lquido

Si se introduce una cierta cantidad de lquido al interior de un recipiente al que se ha hecho vaco, ste se evaporar rpidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases. En un recipiente cerrado, inicialmente slo se produce la evaporacin ya que no hay vapor, cuando aumenta la concentracin de molculas en la fase vapor, algunas se condensan, es decir, regresan a la fase lquida. La velocidad de evaporacin es constante a una temperatura dada y la velocidad de condensacin aumenta con el incremento de la concentracin de molculas en la fase vapor. Transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habr alcanzado la presin mxima posible en el recipiente (presin de vapor de equilibrio o presin de vapor de saturacin)

que no podr superarse salvo que se incremente la temperatura. La presin de vapor de equilibrio, es la presin vapor medida cuando hay un equilibrio dinmico entre la condensacin y la evaporacin. Con frecuencia solo se utiliza el trmino, presin de vapor. La presin de vapor de un lquido aumenta con la temperatura (figura 4). Cada lquido tiene una temperatura en la que comienza a hervir o a ebullir. El punto de ebullicin, es la temperatura a la cual la presin de vapor de un lquido se iguala a la presin atmosfrica. El punto de ebullicin entonces, depende de la presin atmosfrica. Por ejemplo el agua hierve a 100 a 1 atm, pero si la presin es 0.5 atm, el agua solo hierve a 82 C C El punto de ebullicin a 1 atmsfera de presin es el punto de ebullicin normal.Comentario [m1]: La presin de vapor es en recipiente cerrado, debera ser fig 5. Corregir Esquemas ya que se presentan recipientes abiertos

Figura 5. Representacin esquemtica del aumento en la presin que ejercen las molculas en fase vapor sobre la superficie de un lquido, por efecto de la temperatura

2.- DENSIDAD La densidad es la masa por unidad de volumen.

d=

m v

La densidad es una propiedad caracterstica de una sustancia, independiente de su volumen o su masa. La densidad de un slido o de un lquido vara muy poco con los cambios de presin y de temperatura mientras que la densidad de un gas depende fuertemente de ambas. La densidad se expresa la mayora de las veces en g/mL, aunque la unidad del sistema internacional es en kg/m3, En los lquidos la densidad depende de la temperatura. A distintas temperaturas tienen distintos valores de densidad. 3.- VISCOSIDAD Es la resistencia de un lquido a fluir. La viscosidad existe tanto en lquidos como en gases y es esencialmente una fuerza de friccin entre capas adyacentes de fluido cuando stas se mueven una con respecto a la otra. En lo lquidos, la viscosidad se debe a fuerzas elctricas de cohesin (fuerzas intermoleculares de atraccin) entre las molculas. En los gases surge por las colisiones entre las molculas. La viscosidad de diferentes fluidos se expresa cuantitativamente mediante un coeficiente de viscosidad, . La unidad de , en el sistema internacional es N s/m2= Pa s (pascal por segundo). Otras unidad es Dina s/cm2, que recibe el nombre de poise (P). Las viscosidades a menudo se expresan como centipoise (1cP = 10-2 P). La viscosidad es baja en los gases inertes licuados y alta en los aceites pesados. La viscosidad de los gases aumenta con la temperatura, pero en los lquidos el efecto es el contrario y decrece rpidamente en la medida que aumenta la temperatura. La viscosidad antes definida es la viscosidad absoluta y representa la viscosidad dinmica del lquido y es medida por el tiempo en que tarda en fluir a travs de un tubo capilar a una determinada temperatura. Sus unidades son el poise o centipoise (g/s cm), siendo muy utilizada para fines prcticos

Por otro lado la viscosidad cinemtica, representa la caracterstica propia del lquido desechando las fuerzas que genera su movimiento, obtenindose a travs del cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad del producto en cuestin. Su unidad es el stoke o centistoke (cm 2/s). La unidad en el SI es el (m/s).Viscosidad Cinemtica (CSt) = Viscosidad Absoluta / Densidad 1 stokes = 100 centistokes = 1 cm/s = 0,0001 m/s.

Usualmente en refinera se utilizan varias unidades para referirse a la viscosidad cinemtica. Adems de centistokes existen las escalas (SSU) segundos Saybolt universal, (SSF) segundo Saybolt Furol, (RI) Segundos Redwood I y ( grados Engler., API E) 4.- TENSIN SUPERFICIAL Las atracciones intermoleculares tienden a empujar las molculas de la superficie hacia dentro del lquido y provocan que la superficie se comporte como si fuera una pelcula elstica. Este efecto se llama tensin superficial. Especficamente la cantidad llamada tensin superficial, , se define como la cantidad de energa requerida para estirar o aumentar la superficie por unidad de longitud.

Comentario [m2]: Es importante , ya que use usa a bordo, para relacionar las calidades de los petrleos Presentar ecuacin de API v/s gravedad especfica (lo conversamos con Paulina).

=

F ( N / m) l

Figura 6. Representacin esquemtica del fenmeno que provocan la tensin superficial de u lquido

Debido a la tensin superficial, algunos insectos logran caminar sobre el agua o puede flotar sobre ella una aguja de acero 5.- CAPILARIDAD Es otra forma en la que se manifiesta la tensin superficial. La capilaridad es una propiedad fsica de los lquidos que permite que el lquido pueda avanzar a travs de un canal pequeo (capilar). Esto ocurrir siempre y cuando el lquido se encuentre en contacto con ambas paredes de este canal y las paredes se encuentren lo suficientemente cercanas. Si un lquido se elevar o no por las paredes de un recipiente de vidrio depender de la resistencia relativa de las fuerzas de cohesin de las molculas del lquido comparadas con las fuerzas de adhesin entre las molculas del lquido y la del recipiente. La cohesin se refiere a la fuerza entre molculas del mismo tipo y la adhesin a las fuerza entre molculas de distinto tipo, en este caso, molculas del lquido con las molculas de las paredes del tubo. Por ejemplo, el agua se eleva por un tubo capilar, porque las molculas de agua son atradas con mayor fuerza por las molculas de vidrio que por otras molculas de agua, en cambio, el mercurio desciende por el tubo capilar debido a que las fuerzas de cohesin son ms fuertes que las de adhesin.

Figura 7. Representacin esquemtica del fenmeno de capilaridad

3. Propiedades generales de los gases

En los gases el movimiento de las molculas es aleatorio y las fuerzas de atraccin entre sus molculas es tan pequeas que cada una se mueve en forma libre e independiente. Los gases se comportan de manera ms previsible que los lquidos y slidos cuando se someten a variaciones de presin y temperatura. Todos los gases poseen las siguientes caractersticas fsicas: Adoptan la forma y el volumen del recipiente que los contiene Cuando se ven confinados en el mismo recipiente se mezcla en forma completa y uniforme. Son menos densos que los lquidos y los slidos Son compresibles, como las molculas en la fase gaseosa se encuentran separadas por grandes distancias, se pueden comprimir fcilmente para ocupar un volumen menor.

Algunos ejemplos de gases son: H2, N2, O2, F2, Cl2 He, Ne, Ar, Kr H2S, HCN NO2 SO2 Elementos Gases nobles Venenos mortales Gas pardo

Diferencia entre Gas y Vapor Frecuentemente estos dos trmino se utiliza como sinnimos, pero no los son. Un gas es una sustancia que se encuentra en estado gaseoso en condiciones normales de presin (P) y temperatura (T). Un vapor es la forma gaseosa de cualquier sustancia que es slida o lquida a T y P normales. Presin de un gas Los gases ejercen presin sobre cualquier superficie con la que entren en contacto, ya que las molculas gaseosas estn en constante movimiento. Por ejemplo, nuestra atmsfera es una mezcla gaseosa de composicin aproximada 78% de N2, 21% de O2 y 1% de otros gases. La presin atmosfrica, como lo indica su nombre, es la presin que ejerce la atmsfera sobre la superficie de la Tierra y depende del lugar, la temperatura y las condiciones climticas. La presin es una de las propiedades de los gases que se mide con mayor facilidad. La Presin atmosfrica se mide con un instrumento que se llama Barmetro. Para medir la presin de fluidos contenidos en recipientes cerrados se utiliza un instrumento llamado Manmetro Las unidades de medida ms utilizadas para medir la presin son: atm, mmHg, torr, psi y bar. La unidad de medida para la presin del Sistema Internacional de Unidades es el Pascal (Pa) que se define como un newton por metro cuadrado:

1Pa =

1N m2

La presin atmosfrica estndar es de 1 atm y corresponde a 760 mmHg. La unidad mmHg tambin es llamada torr, en honor al cientfico E. Torricelli quien invent el barmetro.1 atm = 760 mmHg = 760 torr= 14.7 psi

Ejemplo: Cul sera la P en atmsferas (atm) si se tienen 688 mmHg 760 mmHg 1 atm 688 mmHg x x= 0,905 atmPresin atmosfrica Vivimos en el fondo de un mar de aire, llamado atmsfera, que ejerce una presin a nivel del mar 2 2 de 14.7 lib/pul , o sea, 1.01 N/m . La unidad de presin denominada atmsfera se define mediante la relacin: 5 2 1 atm= 760 mmHg = 1.0133 x 10 N/m Esta unidad es igual a la presin media de la atmsfera al nivel del mar, aunque realmente vara en un 5% segn las condiciones meteorolgicas. Presin manomtrica Es la diferencia entre la presin absoluta de un fluido y la presin atmosfrica. La presin absoluta siempre es positiva, pero la presin manomtrica puede ser positiva o negativa.

Pmanomtrica = presin absoluta presin atmosfrica4. Leyes de los gases

Las leyes de los gases son producto de innumerables estudios que se realizaron sobre las propiedades fsicas de los gases durante varios siglos. 4.1 Relacin Presin-Volumen: Ley de Boyle La presin de una cantidad fija de un gas, a temperatura constante, es inversamente proporcional al volumen del gasP 1/ V

Donde el smbolo significa proporcional a. Si se transforma esta expresin en una igualdad se obtiene la expresin:

P=

k1 V

Donde k es una constante de proporcionalidad. Si se reorganiza la expresin anterior, se obtiene:PV = k1

Variacin del volumen de un gas en relacin con la presin ejercida sobre l.

Figura 8. Representacin grfica de la variacin del volumen de un gas en relacin con la presin ejercida sobre l. Grfico (a) Presin versus Volumen del gas. (b) Presin versus 1/V del gas, la pendiente de este grfico es igual a k1

A pesar de que los valores de presin y volumen pueden variar enormemente para una muestra dada de gas (a temperatura y masa constante) el producto de P x V es siempre el mismo (k1). En consecuencia, para una misma muestra de gas en dos conjuntos distintos de condiciones se puede escribir:P1 x V1 = P2 x V2

a.

Relacin Temperatura-Volumen: Ley de Charles y Gay-Lussac

La Ley de Boyle requiere que la temperatura sea constante. Cmo afecta la temperatura el volumen y la presin de un gas? Los estudios de Charles y Gay-Lussac demostraron que a una presin constante, el volumen de una muestra de gas se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfra. A cualquier presin, pero constante, la relacin volumen temperatura es una lnea recta. Al extender la recta hasta volumen 0 se tiene que la interseccin con el eje de temperatura tiene un valor de -273.15 independiente de la presin a la que se haga la C, medicin (ver figura 9).

PVOLUMEN

P P

273.15 C

P4

TEMPERATURA

Figura 9. Representacin grfica de la variacin del volumen de un gas en relacin con la temperatura a distintas presiones.

Kelvin identific la temperatura de -273.15 como el cero absoluto, tericamente la C temperatura ms baja posible. Tomando el cero absoluto como punto de partida estableci una escala de temperatura absoluta, conocida ahora como escala de temperatura Kelvin. La graduacin con respecto a la temperatura en grados Celsius es la misma, pero cambia la posicin del cero. La dependencia del volumen con la temperatura se puede expresar como:VT V = k2 T

Ley de Charles y Gay-Lussac: El volumen de una cantidad fija de gas mantenida a P = cte. Es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas Nuevamente es posible comparar dos conjuntos de condiciones para una muestra dada a presin constante.

V = k2 T

V1 V2 = T1 T2Otra forma de la Ley de Charles muestra que para una cantidad de gas a volumen constante, la presin del gas es proporcional a la temperatura.PT P = k3 T

P = k3 TPara dos conjuntos de condiciones distintas se obtiene la relacin:

P1 P2 = T1 T2Las tres leyes anteriores se pueden combinar en una sola ley: LEY COMBINADA DE LOS GASES

P1 V1 P2 V2 = T1 T24.3 Relacin Volumen-Cantidad. Ley de Avogadro En 1811 Avogadro public una hiptesis donde establece que a la misma temperatura y presin, volmenes iguales de diferentes gases contienen el mismo nmero de molculas (o tomos si el gas es monoatmico como los gases nobles).

Por lo tanto, el volumen de cualquier gas dado debe ser proporcional al nmero de molculas presentes. V nV = k4 n

Donde n representa el nmero de moles y k es una constante de proporcionalidad La ley de Avogadro establece que a presin y temperatura constante, el volumen de un gas es directamente proporcional al nmero de moles del gas presente De acuerdo con la ley de Avogadro, cuando dos gases reaccionan, si el producto es un gas, su volumen se relaciona con el volumen de los reactivos mediante una relacin sencilla. Por ejemplo consideremos la sntesis de amoniaco a partir de nitrgeno e hidrgeno moleculares: 3H2(g) 3 moles + N2(g) 1 mol 2NH3(g) 2 moles

Dado que a la misma temperatura y presin, los volmenes de los gases son directamente proporcionales al nmero de moles del gas presente se puede decir que: 3H2(g) 3 volmenes 4.4. Ecuacin del gas ideal Resumiendo las leyes de los gases: Ley de Boyle: V Ley de Charles Ley de Avogadro + N2(g) 1 volmenes 2NH3(g) 2 volmenes

1 P

(a n y T constantes) VT Vn (a n y P constantes) (a P y T constantes)

Es posible combinar las tres expresiones en una sola ecuacin que describe en forma general el comportamiento de lo gases:V nT P V = k nT V = R nT

K la llamaremos RP

P

PV = nRT Donde P representa la presin del gas, V es el volumen que ocupa el gas, n indica los moles de gas, T es la temperatura en escala absoluta y R es la constante de proporcionalidad, llamada constante general de los gases. Esta constante tiene un valor de 0,0821 atm L/ mol K. Otros valores de R son: 8,314 J/(mole K) 8,314 (kPa L)/(mol K) K) 83,145 (mbar L)/(mol K) 1,986 cal/(mol K) 8,21x10-5 (m3 atm)/(mol K) 10,73 (ft3 psi)/(lb mol R) 62,364 (Torr L)/(mol K) 62,364 (mmHg L)/(mol

La ecuacin anterior se conoce como ecuacin del gas ideal. Un gas ideal es un gas hipottico cuyo comportamiento de presin, volumen y temperatura se puede describir completamente con la ecuacin del gas ideal. Las molculas de un gas ideal no se repelen ni se atraen entre si y su volumen es despreciable en comparacin con el volumen del recipiente que las contiene. A 0 y 1 C

atm de presin (presin y temperatura estndar), 1 mol de un gas ideal (cualquier gas) ocupa un volumen de 22,4L.

Figura 10. Representacin del volumen de diferentes gases a temperatura y presin estndar

Clculos de Densidad y Masa Molar a partir de la ecuacin del gas ideal Si se reacomoda la ecuacin del gas ideal, se puede calcular la densidad de un gas, a partir de las variables de un gas ideal: M

PV = nRT , pero n =

n , por lo tanto, si reemplazamos esta frmula en la Masa molar

ecuacin del gas ideal, nos queda:

PV =Y densidad es: d =

mRT Masa molar

m V P= dRT Masa molar

Despejando el trmino de densidad:

d=

P Masa molar RT

A diferencia de los slidos y lquidos, la densidad de los gases es muy baja en condiciones atmosfricas. Por esta razn se expresa comnmente en g/L en vez de g/mL. Para una sustancia gaseosa se puede encontrar su masa molecular gracias a la ecuacin del gas ideal, siempre que se conozca la densidad o la masa y el volumen.

Masa molar =Ley de Dalton de las presiones parciales

dRT P

Muchos gases son mezclas gaseosas. En una mezcla se considera la P total de la mezcla de gases y se debe conocer cmo se relaciona con las presiones parciales de cada gas en la mezcla. La presin parcial se define como la presin de los componentes individuales de la mezcla de gases. La Ley de las Presiones Parciales de Dalton establece que la presin total de una mezcla de gases es solo la suma de las presiones que cada gas ejercera si estuviera solo a T del sistema y ocupando el volumen del recipiente. En general, la presin total de una mezcla de gases est dada por:PT = P1 + P2 + P3Pi

Para entender cmo se relaciona la presin de cada gas con la presin total de la mezcla, debe reemplazarse la ecuacin del gas ideal en la expresin anterior, para cada gas

considerando los moles de cada gas en la mezcla. Agrupando trminos semejantes aparece la expresin:

Pi = X i PTDonde, Xi es la fraccin molar del componente i, Pi es la presin del componente i y PT la presin total del sistema gaseoso. Xi, la fraccin molar se define como:

Xi =

ni , donde ni son los moles del componente i y nT los moles totales de la mezcla. nT

Generalmente se utiliza Yi, para representar la fraccin molar en mezclas gaseosas y Xi, para mezclas en solucin. La suma de las fracciones molares de todos los componente es 1 y por lo tanto la fraccin molar de cada componente siempre en menor que 1. En una mezcla gaseosa se puede calcular la masa molar de la mezcla como:

Masa molarmezcla gaseosa = X i Masa molariBibliografa Fsica para Ciencias e Ingeniera, Douglas C. Giancoli, Pearson Education, , 4 edicin, 2008. ISBN 978-970-26-1225-4 Operaciones bsicas de ingeniera qumica, Warren L. McCabe,Julian C. Smith, volumen 1, Revert S.A., 2003. ISBN 8429173617. Qumica, Raymond Chang, McGraw Hill, 9 Edicin, 2007. ISBN 9789701061114

III. Acidez y Alcalinidad1. Soluciones y concentracin 2. Acidez y alcalinidad 3. Clculo de pH1. Soluciones y Concentracin de soluciones

SOLUCIONES Las soluciones son comunes en la naturaleza y de gran importancia en todos los procesos vitales, reas cientficas y diversos procesos industriales. Una solucin es una mezcla homognea de sustancias. En una solucin se distinguen dos componentes: Solvente o disolvente: es el componente que se encuentra en mayor cantidad (es el componente que disuelve). Soluto (puede ser uno o ms de uno): es el componente que se encuentra en menor cantidad (es el componente que se disuelve). Los componentes de las soluciones pueden ser lquidos, slidos o gases. Gas-gas Gs-lquido Gs-slido Lquido-lquido Slido-lquido Slido-slido aire agua gaseosa H2/paldio etanol-agua NaCl en agua Latn (Cu/Zn)

De acuerdo a su capacidad para disolver un soluto las soluciones se pueden clasificar en: a. Disoluciones saturadas: contienen la mxima cantidad de soluto que se puede disolver en ese solvente b. Disolucin no saturada: contiene menor cantidad de soluto que la que es capaz de disolver c. Disolucin sobresaturada: contiene ms soluto que el que puede haber en una disolucin saturada. La solubilidad es una medida de la cantidad de soluto que se disolver en cierto disolvente a una temperatura dada. La temperatura aumenta, generalmente, la solubilidad de los slidos y lquidos, pero disminuye la solubilidad de los gases. La solubilidad de un gas es proporcional a la presin parcial del gas en la solucin. Cuando un lquido se disuelve en otro se habla de que estos lquidos son miscibles. Los lquidos polares se disuelven en lquidos polares, por ejemplo, el alcohol etlico se disuelve en agua para formar una mezcla homognea. Los lquidos apolares, se disuelven en lquidos apolares, como por ejemplo el benceno en tetracloruro de carbono.

En una disolucin disminuye la presin de vapor del solvente, con respecto a la sustancia pura. La temperatura de ebullicin aumenta y la temperatura de fusin disminuye. UNIDADES DE CONCENTRACIN La concentracin de una solucin es la cantidad de soluto presente en una determinada cantidad de solucin. Se estudiarn las unidades de concentracin ms comunes. a. Porcentaje en masa (%m/m): Es la cantidad en gramos de soluto disuelto en 100 g de disolucin. Los gramos de solucin se calculan como: g de solucin = g de soluto + g de solvente

%m / m =

g de soluto x 100 g de solucin

b. Porcentaje en volumen (%v/v) : Es la cantidad en mililitros (mL) de soluto disuelto en 100 mL de disolucin.

%v / v =

mLde soluto x 100 mL de solucin

c. Moles por litro (moles/L): Es el nmero de moles de soluto disueltos en un litro de disolucin.

moles = moles de soluto L litros de solucind. Partes por milln (ppm): Son los mg de soluto en un litro de disolucin, mg/L. Tambin equivale a los gramos que contiene cada metro cbico, g/m3 e. Gramos por litro (g/L): Son gramos (g) de soluto por cada litro de solucin

gramos = g de soluto L litros de solucinDilucin Es el procedimiento que se sigue para preparar una disolucin menos concentrada a partir de una ms concentrada. Al efectuar un proceso de dilucin la concentracin cambia, disminuye, sin que cambie el nmero de moles de soluto presente en la disolucin, es decir: Moles de soluto antes de la dilucin = moles de soluto despus de la dilucin Para realizar el clculo de la nueva concentracin que se obtiene al diluir se utiliza la relacin:

C1 V1 = C 2 V2Donde los trminos C1 y V1 corresponden a la concentracin y volumen de la solucin ms concentrada (inicial) y C2 y V2 corresponden a la concentracin y volumen de la disolucin diluida. Las unidades de volumen deben utilizarse en las mismas unidades (mL o L) y las unidades de concentracin tambin deben utilizarse en las mismas unidades para que el clculo sea correcto.

2. Acidez y alcalinidad

Se llama cido a una sustancia que en disolucin acuosa es capaz de liberar iones hidronio H3O+: HA + H2O H3O+ + AReaccionan fcilmente con las bases generando una sal y agua: HCl + NaOH NaCl + H2O Reaccionan tambin con xidos bsicos dando la sal correspondiente 2HCl + K2O 2KCl + H2O Y reaccionan con metales, disolvindolos con desprendimiento de H2(g) 2HCl + Mg MgCl2 + H2(g) Se llama base, a cualquier sustancia que en disolucin acuosa es capaz de liberar iones hidroxilo, OH-, de acuerdo con la siguiente reaccin: MOH(ac) M+(ac) + OH-(ac)

Las molculas de agua pueden comportarse como cido o como base, de acuerdo con la siguiente ecuacin: H2O + H2O H3O+ + OH-

Esta ecuacin muestra el carcter de anfolito de las molculas de agua. De la misma forma, la ecuacin anterior puede expresarse tambin como el siguiente sistema en equilibrio: H2O H+ + OH-

ecuacin que muestra la ionizacin de las molculas de agua en H+ y OH-, conocida como reaccin de autoprotlisis. Dado que para un equilibrio qumico existe una constante, se puede escribir la siguiente expresin para este sistema:

K w = [ H + ][OH ] = 1 10 14Kw se conoce como constante del agua, a 25 Esta constante tiene un valor de 1x10-14 C. .La ionizacin del agua a 25 C produce una concentracin de iones igual a 1,0 x 10-7 mol/L para cada ion, dado que a esta temperatura el agua pura es neutra, es decir, no es cida ni bsica, por que las concentraciones de los iones [H+] y [OH-] son iguales.: [H+] = [OH-] = 1,0 x 10-7 mol/L Las disoluciones que contiene una concentracin de iones H+ mayor que OH-, son cidas. Si la concentracin de iones OH- es mayor que la de los iones H+, se trata entonces de una disolucin bsica. Las concentraciones de OH- y H+ son tan pequeas que resultan inconvenientes para con ellas. Para expresar estas concentraciones se propuso el uso del pH pH = log [H+]

disolucin cida disolucin neutra disolucin bsica o alcalina

[H ] > [OH ] [H ] = [OH ] [H ] < [OH ]+ + -

+

-

[H ] > 1 x 10 [H ] = 1 x 10+ +

+

-7

pH < 7 pH = 7 pH > 7

-7

[H ] < 1 x 10

-7

Anlogamente se utiliza el pOH

pOH = -log [OH-]

Si aplicamos log a la ecuacin de ionizacin del agua obtenemos que:[H ][OH ] = Kw = 1.0 x 10+ + -14 -14

-log [H ] log [OH ] = - log 1.0 x 10 pH + pOH = 14

3. Clculo de pH

pH de soluciones de cidos y bases fuertes Los cidos fuertes y las bases fuertes, son sustancias que se disocian completamente en agua, por lo tanto, en disolucin no queda nada del cido o de la base, slo sus iones en solucin: HCl(ac) H+ + ClLa concentracin de H+ en la solucin ser igual a la concentracin inicial del cido fuerteHCl(ac) Concentracin inicial Ci Concentracin en la solucin 0.10M H+

+ -

Cl

-

0.10M

0.10M

pH = -log [H+] = - log [0.10] = 1 Si el cido es diprtico se debe considerar que en solucin se disocia en 2 moles de H+, por ejemplo si asumimos que el H2SO4 e un cido fuerte, entonces tenemos que: H2SO4 2H+ +Concentracin inicial Ci Concentracin en la solucin 0.10M 2 x 0.10M 0.10M

SO42-

pH = -log [H+] = - log [0.20] = 0.7 En el caso de las bases, la concentracin del OH- en la solucin ser igual a la concentracin inicial de la base fuerte y por lo tanto en este caso se calcular el pOH, como log [OH-] y luego el pH se calcula con la relacin: pH + pOH = 14 Nuevamente es necesario considerar la estequiometra con que se produce la disociacin para realizar el clculo: Ba(OH)2 Concentracin inicial (Ci) Concentracin solucin en la 0.10M Ba2+ 0.10 + 2OH2 x 0.10

pOH = -log [OH-] = - log [0.20] = 0.7 Por lo tanto el pH se calcula como pH + pOH = 14 pH = 14 - pOH Valoraciones cido base pH = 14 - 0.7 = 13.3

Si se mezclan en una solucin un cido y una base, ocurre una reaccin de neutralizacin, los productos de la reaccin no conservan las propiedades del cido ni de la base. Por ejemplo, la reaccin de neutralizacin entre un cido y un hidrxido metlico produce agua y una sal: NaOH + HCl NaCl + H2O

Esta reaccin de neutralizacin se utiliza para realizar estudios cuantitativos de las concentraciones desconocidas de cidos o bases a partir de una solucin de concentracin conocida. Estos estudios cuantitativos de las reacciones de neutralizacin cido base, se realizan por medio de una tcnica conocida como valoracin. En una valoracin una disolucin de concentracin exactamente conocida, denominada disolucin patrn, se agrega en forma gradual a otra disolucin de concentracin desconocida hasta que la reaccin qumica entre las dos disoluciones se complete. La concentracin de la disolucin desconocida, se puede determinar a partir del volumen utilizado de la disolucin de concentracin desconocida y con el volumen y la concentracin de la disolucin patrn. El hidrxido de sodio es una de las bases ms utilizadas en el laboratorio. Sin embargo, es difcil obtener el hidrxido de sodio puro, porque tiende a absorber agua del aire y sus disoluciones reaccionan con el dixido de carbono. Por esta razn una solucin de hidrxido de sodio (NaOH) debe ser valorada antes de ser utilizada en un trabajo analtico preciso. Las disoluciones de NaOH se pueden valorar titulndolas con soluciones de cidos de concentracin exactamente conocida. Los cidos ms utilizados son el cido monoprtico hidrgenoftalato de potasio y el cido oxlico (diprtico). Una vez que se determina la concentracin real de NaOH, se puede utilizar para determinar la concentracin de otras disoluciones cidas de concentracin desconocida. En las valoraciones cido base se utilizan los indicadores cido base para determinar el punto en el cual la reaccin de neutralizacin ha finalizado. Los indicadores son sustancias cambian de color dependiendo del pH en el que se encuentren y tienen colores muy distintos en medio bsico y cido. La fenolftalena es uno de los indicadores ms utilizados, en medio cido o neutro es incoloro, pero adquiere un color rosa intenso en disoluciones bsicas. Otros indicadores son el Naranja de metilo que cambia de color de rojo a naranja-amarillo entre pH 3,1 y 4,4, el azul de bromotimol que cambia de coloracin de amarillo a azul a pH 6.7-8 y Verde de bromocresol que cambia de color a pH 3-4,6 de amarillo a azul, entre otros. En los clculos implicados en las valoraciones cido base, se debe tomar en cuenta la estequiometra de la reaccin. El nmero total de moles de iones H+ que han reaccionado en el punto de equivalencia debe ser igual al nmero de moles totales de los iones OHque han reaccionado. Punto de equivalencia: moles acido = moles de base

Los moles de base se calculan a partir de la concentracin de la disolucin y del volumen gastado en la valoracin: Nmero de moles base = concentracin (moles/L) * volumen (L)

Luego se calculan los moles de cido que reaccionaron de acuerdo a la estequiometra de la reaccin. Finalmente se calcula la concentracin del cido en moles/L. Concentracin del cido (moles/L) = moles de cido que reaccionaron/volumen de cido empleado en la titulacin (L) Ejemplo: Calcule la concentracin em moles/L de una solucin de HCl si para valorar 15 mL de HCl se utilizaron 25mL de NaOH 0.15moles/L 1 Se calculan los moles de NaOH que reaccionaron en la reaccin de neutralizacinmoles de NaOH = 0.15 moles/L x 0.025L = 3.75 x 10-3 moles de NaOH

2 De acuerdo a la estequiometyra de la reaccin se calculan los moles de HCl que reaccionaron en la reaccin de neutralizacin:NaOH + HCl NaCl

por lo tanto:

+ H2 O

1 mol de NaOH 1 mol de HCl 3.75 x 10-3 moles de NaOH x x= 3.75 x 10-3 moles de HCl

3 Se calcula la concentracin de HCl en moles/L sabiendo que los moles que reaccionaron estaba en 15 mL:

Concentracin del cidoenmoles / L =

3.75 10 3 moles = 0.25moles / L 0.015 L

La concentracin del HCl, es entonces, 0.25 moles/L Bibliografa Qumica, Raymond Chang, McGraw Hill, 9 Edicin, 2007. ISBN 9789701061114 Qumica la Ciencia Central, T. L. Brown, H.E. LeMay Jr, B.E: Bursten, CJ Murphy, Perason Educacion, 11 Edicin, 2009. ISBN 9786074420210. Qumica, K.W. Witten, R.E.Davis, ML Peck, G.G. Stanley, Cengage Learning, 8 Edicin, 2008. ISBN 9789706867988

IV. Tratamientos y pruebas de agua1. Composicin del agua de mar y agua dulce 2. 3. 4. 5. Desalinizacin del agua de mar Generalidades sobre las Calderas Caractersticas del agua de alimentacin de una caldera Mtodos para acondicionar el contenido de agua de la planta poder 1. Composicin del agua de mar y agua dulceAgua natural Es un elemento vital y se usa como parte de la dieta para las necesidades hdricas del organismo. La composicin de las aguas naturales es muy variable. Se clasifican en: Aguas metericas : lluvia, nieve y roco

Aguas superficiales : ros y lagos Aguas profundas : manantiales y pozos

Dependiendo del origen del agua la composicin de sta cambia. Aguas de lluvia Bajas en salinidad Ricas en gases: oxigeno, nitrgeno,.. Pueden llevar cierta carga microbiana por arrastre en la atmsfera.

Aguas superficiales Salinidad variable, pues depende del terreno con el que est en contacto. Aguas profundas Acidez natural El agua natural es ligeramente cida debido a que interacciona con el CO2 de la atmsfera formando cido (H2CO3). Una parte de este cido carbnico se disocia produciendo iones H+ y bicarbonato (HCO3-) que quedan disueltos en el agua. H2O + CO2 H2CO3 H2CO3 HCO3 + H+ El ion hidrgeno producido en la segunda reaccin disminuye el pH del agua. La acidez del agua depender de cunto CO2 haya en la atmsfera, mientras mayor sea la cantidad de CO2 ms cida ser el agua. Agua de Mar El agua de mar es una solucin acuosa en la que se encuentran disueltos una variedad de slidos (sales principalmente) y gases atmosfricos, sumndose tambin a los anteriores materiales slidos suspendidos orgnicos e inorgnicos. Salinidad variable, pues depende del terreno con el que est en contacto

Junto con los anteriores, forman parte tambin de esta solucin acuosa algunos organismos microscpicos vivos vegetales conocidos como fitoplancton y animales (zooplancton), los que junto con poblarla, participan de su composicin actuando sobre las concentraciones de las sustancias disueltas o suspendidas. Tabla: Constituyentes Principales del Agua de MarConstituyente Smbolo ppm g/kg en agua de mar Cloruro Sodio Sulfato Magnesio Calcio Potasio Bicarbonato Bromuro Estroncio Bario Fluoruro Cl+ 2-

% por peso 55.07 30.62 7.72 3.68 1.17 1.10 0.40 0.19 0.02 0.01 0.01

19.35 10.76 2.71 1.29 0.41 0.39-

Na

SO4 Mg Ca K

2+

2+

+

HCO3 Br Sr-

0.14 0.067 0.008 0.004 0.001

2+ 2+

Ba F

-

En virtud de la abundancia con que estn presentes en el agua de mar, las sales disueltas descritas en la Tabla anterior se reconocen como "constituyentes principales" Aquellas que estn en cantidades mas pequeas, se denominan "constituyentes secundarios" por ejemplo: nitrato NO3-, fosfato PO4-, nitrito NO2-, silicato Si(OH)4 y amonio (NH4+). pH del agua de Mar El agua de mar tiene un grado de acidez (pH) que flucta entre un valor de 7.6 y 8.4, lo que le confiere cierta propiedad alcalina. Gases Disueltos en agua de mar Los gases disueltos en el agua de mar estn en constante equilibrio con la atmsfera, pero su concentracin relativa depende de la solubilidad de cada gas, de la salinidad y de la temperatura. A medida que la salinidad aumenta la cantidad de gas disuelto disminuye debido a que ms molculas de agua estn inmovilizadas por los iones salinos. A medida que la temperatura del agua aumenta la cantidad de gas disminuye porque aumenta la movilidad del gas lo que las hace escapar del agua reduciendo la cantidad de gas disuelto.Gas Nitrgeno N2 Oxgeno O2 Dixido de carbono CO2 Argn % en la atmsfera 78% 21% 0.03% 1% % en la superficie del agua de mar 47.5% 36.0% 15.1% 1.4% ml/L en agua de mar 10 5 40 .

Los gases inertes como el nitrgeno y el argn no toman parte en los procesos biolgicos y no afectan a plantas y animales. Pero gases como oxgeno y dixido de carbono s tienen influencia en las actividades biolgicas. Las plantas reducen la concentracin de

CO2 en presencia de luz solar, mientras que, los animales hacen lo opuesto en presencia de luz u oscuridad. Aguas Duras Los minerales normalmente se disuelven en aguas naturales tales como ros, lagos, aguas subterrneas, etc. El carbonato de calcio es uno de los compuestos inorgnicos ms comunes en la corteza terrestre. Es uno de los componentes de los minerales calcita y aragonita. El mineral de carbonato de calcio se disuelve muy poco en agua CaCO3 Ca2+ + CO32-

La solubilidad aumenta a medida que disminuye el pH (aumenta la acidez). Esto se acrecienta cuando el agua est saturada con dixido de carbono. Una solucin saturada de dixido de carbono contiene cido carbnico, el cual ayuda al proceso de disolucin, debido a la reaccin: H2O + CO2 H2CO3 CaCO3 + H2CO3 Ca2+ + 2HCO3Como consecuencia de esta reaccin algunas aguas naturales contienen ms de 300 ppm de carbonato de calcio. El agua de lluvia est saturada con CO2 y disuelve las rocas cidas, como el mrmol, debido a la reaccin reversible: CaCO3(s) + H2CO3 Ca2+ + 2HCO3Se llama dureza temporal al agua que contiene carbonato y bicarbonato de Ca2+ y Mg2+ esto es debido a que la dureza puede ser removida por ebullicin. La ebullicin conduce a la reaccin inversa causando depsitos. Los depsitos disminuyen la eficiencia de los evaporadores. Las cantidades de iones metlicos que no pueden ser removidas por ebullicin son llamadas Dureza Permanente (sulfatos (SO4-2), nitratos (NO3-) y cloruros de calcio (CaCl2) y magnesio (MgCl2). La dureza total es la suma de la dureza temporal y permanente. La dureza se expresa generalmente como la cantidad de iones Ca2+ en solucin en partes por milln, mg/L (ppm). Determinacin Cualitativa de iones metlicos y materia orgnica en muestras de aguaEspecie qumica Ion Cloruro, ClIon Carbonato, CO3 Ca2+, Ion Calcio Mg2+, Ion magnesio2-

Reactivo para la identificacin AgNO3 Nitrato de Plata Ca(OH)2 Agua de cal Na2C2O4 Oxalato de calcio Na3PO4 con NH3/NH4Cl

Reaccin y observaciones Cl + Ag AgCl(s) Formacin de un slido blanco CO3 + Ca CaCO3(s) Formacin de un slido blanco. Ca + C2O4 CaC2O4 Formacin de un slido blanco Mg2+ 2+ 222+ +

+ PO4 + NH4 Mg(NH4)PO4 Formacin de un slido blanco

3+

+

Por otro lado, la cantidad de materia orgnica presentes en el agua se puede determinar por los mtodos de Demanda Qumica de oxgeno (DQO) y Demanda Bioqumica de oxgeno (DBO) DQO: La demanda qumica de oxgeno (DQO) es un parmetro que mide la cantidad de materia orgnica susceptible de ser oxidada por medios qumicos que hay en una muestra lquida. Se utiliza para medir el grado de contaminacin y se expresa en mg O2/litro.

Puede haber interferencias debido a que haya sustancias inorgnicas susceptibles de ser oxidadas (sulfuros, sulfitos, yoduros, etc.). DBO: La demanda biolgica de oxgeno, es un parmetro que mide la cantidad de materia susceptible de ser consumida u oxidada por medios biolgicos que contiene una muestra lquida, y se utiliza para determinar su grado de contaminacin. El mtodo se basa en medir el oxgeno consumido por una poblacin microbiana en condiciones en las que se ha inhibido los procesos fotosintticos de produccin de oxgeno en condiciones que favorecen el desarrollo de los microorganismos. Normalmente se mide transcurridos 5 das (DBO5) y se expresa en mg O2/litro. El mtodo mide la concentracin de los contaminantes orgnicos. Sin embargo, puede haber interferencias debido a que haya sustancias inorgnicas susceptibles de ser oxidadas tambin por las bacterias en disolucin. Para evitar este hecho se aade Naliltiourea como inhibidor Ambos mtodos son aplicables en aguas continentales (ros, lagos, acuferos, etc.), aguas residuales o cualquier agua que pueda contener una cantidad apreciable de materia orgnica.

2. Desalinizacin del agua de marLa desalinizacin del agua de mar consiste en separar del agua salada, las sales que contiene para adecuarla para su uso. Los distintos sistemas industriales que existen para desalar el agua se dividen en procesos que implica un cambio de fase en el agua, como la evaporacin, o en procesos que funcionan sin cambio de fase como la osmosis inversa. Algunos de los mtodos de desalinizacin que se utilizan en la industria en general son la destilacin, electrodilisis, humificacin solar, osmosis inversa y desalacin en multietapas. Tanto la electrodilisis como la humificacin solar no son utilizadas como sistemas de desalinizacin en barcos. La destilacin es efectiva porque la mayora de las especies disueltas que se encuentran en el agua salada son no voltiles a las temperaturas usualmente empleadas. El proceso implica el calentamiento del agua de mar hasta ebullicin y posterior condensacin de los vapores, por enfriamiento en una cmara llamada condensador. Este proceso simple es caro y requiere el uso de grandes cantidades de energa calrica.La electrodilisis es un mtodo que consiste en poner dos volmenes de agua dulce, uno

que conteniente un electrodo positivo y el otro un electrodo negativo. Estos electrodos se localizan a cada lado de un depsito con agua de mar. ste depsito de agua de mar se encuentra separada de de los depsitos de agua dulce mediante membranas semipermeables que permiten que las atraviesen los iones de sal, pero no las molculas de agua. Cuando se aplica una corriente elctrica, los iones positivos, tales como los de sodio, son atrados al electrodo negativo, mientras que los iones negativos, tales como los cloruros, son atrados al electrodo positivo. Con el tiempo, suficientes iones son extrados a travs de las membranas como para convertir el agua de mar en agua dulce. La humificacin solar no requiere calentamiento adicional y ha sido utilizada exitosamente en experimentos agrcolas a gran escala. Involucra la evaporacin de agua en un contenedor cubierto colocado directamente a los rayos solares. El agua de mar en el contenedor es sometida a evaporacin y el vapor de agua que se condensa sobre la cubierta que corre hacia bandejas en donde es recogida.

En la Osmosis inversa se utilizan membranas semipermeables como sistema de filtro de las sales disueltas en el agua. Para describir la osmosis inversa se definir primero el concepto de osmosis. (falta agregar Rey de Raoult)

Cuando se ponen en contacto dos disoluciones acuosas de distinta concentracin mediante una membrana semipermeable, la presin natural de la osmosis hace que el disolvente (el agua) pase a travs de la membrana desde el lado de la disolucin menos concentrada al de la ms concentrada. Este fenmeno se puede invertir si se aplica, mediante una bomba externa, una presin superior a la osmtica (del orden de 50 a 70 atm) en el lado de la disolucin ms concentrada. De esta forma el agua pasa por la membrana desde el lado de la disolucin concentrada (agua salada) hacia el lado de la disolucin menos concentrada y se obtiene agua purificada. Un problema significativo de este mtodo es que las membranas deben ser reemplazadas con frecuencia. Para permitir una operacin econmica de la osmosis inversa es necesario prevenir que se precipiten (cristalicen) las sales dentro de los mdulos, o que partculas de diatomeas y microalgas lleguen a las membranas. Para eso existen tres pasos de filtracin por arena ms un ltimo paso de micro filtracin usando cartuchos de fibra sinttica. El xito de filtracin tambin depende de la apropiada introduccin de coagulantes. De acuerdo a la calidad de filtracin se genera el ciclo de cambio de las membranas entre 2 y 5 aos. Los dispersantes qumicos introducidos antes de la micro filtracin previenen la precipitacin de minerales dentro del las membranas.

Desalinizacin mediante evaporacin relmpago. En el proceso de desalinizacin por evaporacin relmpago, en ingls Flash evaporation, el agua es introducida en forma de gotas finas en una cmara a presin baja, por debajo de la presin de saturacin. Parte de estas gotas de agua se convierten inmediatamente en vapor, que son posteriormente condensadas, obteniendo agua desalada. El agua residual se introduce en otra cmara a presiones ms bajas que la primera y mediante el mismo proceso de calentamiento, pulverizacin y evaporacin relmpago se obtiene ms agua desalada. Este proceso se repetir, hasta que se alcancen los valores de desalinizacin deseados. Esquema de un evaporar-condensador utilizado a bordo para genera agua fresca

3. Generalidades sobre las CalderasUna caldera es un recipiente metlico cerrado destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la accin del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presin mayor que la atmosfrica. Se le llama Generador de vapor al conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios. En la prctica se habla de calderas refirindose a todo el conjunto o generador de vapor. Las calderas son un caso particular de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase. Adems son recipientes a presin, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Funcionan mediante la transferencia de calor al agua contenida o circulando dentro de un recipiente metlico, este calor es producido por medio de la combustin de un combustible que puede ser slido, lquido o gas. Adems existen calderas que obtienen el calor necesario de otras fuentes de calor, tales como gases calientes de desperdicios de otras reacciones qumicas, de la aplicacin de la energa elctrica o del empleo de la energa nuclear. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, las calderas son muy utilizadas en la industria para aplicaciones como: a. Esterilizacin, en hospitales las calderas generan vapor para esterilizar los instrumentos mdicos, tambin en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos. b. Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calientan los petrleos pesados para mejorar su fluidez (disminuir la viscosidad). c. Generar electricidad. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoelctricas. Una caldera con un mantenimiento adecuado y con un tratamiento qumico adecuado en el agua de consumo puede llegar a operar sin problemas durante 20 o mas aos. Existen muchas variaciones respecto al tipo de caldera, presin de operacin, tamao y capacidad, entre otros, pero todas las variantes y tipos de ellas adolecen de los mismos problemas en lo referente a la calidad del agua, lo cual afecta la vida til y la operacin de la caldera.

Figura 1. Tipos de Calderas

4. Caractersticas del agua de alimentacin de una calderaPara comprender el tratamiento del agua de calderas, es preciso entender los conceptos bsicos en los que se funda dicho tratamiento. Toda el agua utilizada en las calderas de los buques tiene su origen en el agua de mar. Para no tener que depender del abastecimiento de agua de tierra, los buques producen su propia agua dulce por medio de las plantas evaporadoras que toman el agua de mar, la

evaporan y el vapor resultante lo condensan removiendo la mayora, pero no la totalidad de los slidos disueltos en ella. Como la composicin del agua de mar es prcticamente constante en todo el mundo, la composicin del agua dulce producida en los evaporadores es razonablemente constante. Como se tiene una fuente de agua de alimentacin para calderas con un contenido de impurezas conocido y prcticamente constante, se han dictado normas para un tratamiento estndar a fin de reducir al mximo el efecto de dichas impurezas en el interior de la caldera. En la prctica es imposible proporcionar a la caldera agua pura. El agua obtenida desde fuentes externas, agua potable de las ciudades o de cualquier fuente natural de agua dulce, no es aceptable para usarla en calderas navales, sin someterla a un tratamiento especficamente descrito. El agua potable o el agua destilada proveniente del agua potable no contienen las mismas sales o en la misma proporcin, dado que el proceso con el agua de mar ya est estandarizado, no es recomendable, ni satisfactorio utilizar otro tipo de agua. No se relaciona con el hecho de ser de mejor o menor calidad, si no simplemente con que es incompatible con el tratamiento al que se somete al utilizarlas en calderas de buques. Agua de Calderas, es el agua dentro de una caldera despus que la caldera ha sido encendida y generado vapor, sta es el agua que se trata qumicamente, NO el agua de alimentacin. Agua de Alimentacin, es el nombre dado al agua que se le suministra a la caldera para reemplazar al agua evaporada como vapor, est constituida por el agua condensada del vapor trabajado en las mquinas y el agua destilada en los evaporadores que se agrega al sistema de alimentacin para reponer las prdidas. Objetivos del tratamiento de aguas de calderas Los objetivos del tratamiento de aguas de calderas son: Reducir la formacin de incrustaciones en el lado del agua de las Calderas Reducir a un mnimo la corrosin del metal en las Calderas Reducir la espuma y suciedad que pueda llegar con el agua El agua de alimentacin de la caldera se utiliza para producir vapor. La presin del vapor (0.5 - 100 bar) determina la temperatura y la capacidad energtica, pero tambin la calidad del agua de alimentacin. La regla general expone que mientras ms alta sea la presin, ms estricta deber ser la calidad del agua de alimentacin de la caldera. Los problemas ms frecuentes en lo referente a la calidad del agua y que influyen en la operacin de la caldera son: 1. Formacin de costras o incrustaciones 2. Corrosin interna de la caldera 3. Formacin de espumas (Priming) 1. Formacin de costras o incrustaciones Es el crecimiento de slidos en la parte interna del equipo, cuando las concentraciones de las impurezas superan los lmites de solubilidad y empiezan a precipitar. Pueden aparecer como barros o como incrustaciones fijas o adherentes. Las incrustaciones se depositan sobre las paredes de los tubos, que aumentan de grosor. El perjuicio ms grande es el recalentamiento de los tubos, que pueden llegar a la ruptura.

Figura 2. Caldera con incrustaciones

Adems afectan notablemente la transferencia de calor y por lo tanto, la eficiencia del equipo, adems agregan una resistencia adicional, respecto a la del metal. Los depsitos se producen por slidos suspendidos que el agua pueda contener y principalmente por formacin de depsitos de sulfatos y carbonatos de calcio y magnesio, en mezclas complejas con otros componentes como slice, bario, etc. Para evitar la formacin de incrustaciones se deben remover los slidos coloidales y materia suspendida que el agua contenga y ablandamiento o suavizacin del agua cruda antes de integrarla a la caldera. Estos slidos son fundamentalmente carbonatos de calcio y magnesio, y sulfatos y silicatos de calcio, que se forman de acuerdo a las siguientes reacciones.Ca Ca2+

+ 2HCO3+ SO42+ 2HCO3 + SiO 32-

carbonato de calcio sulfato de calcio

CaCO3 + CO 2 + H2O

2+

CaSO 4

Mg Ca

2+

MgCO 3 + CO 2 + H2Ocarbonato de magnesio

2+

CaSiO 3silicato de calcio

2. Corrosin interna de la caldera Es el ataque a un metal por reacciones electroqumicas con su ambiente. El ambiente en estos casos, es el agua caliente dentro del equipo. La corrosin puede ser generalizada o local. La corrosin generalizada se caracteriza por una serie de picaduras en la parte correspondiente al nivel de agua dentro del colector de vapor. La corrosin localizada causa picaduras y estras que pueden llegar a perforar el tubo. Los principales componentes de la caldera son metlicos. Los agentes que atacan el fierro y lo disuelven son los gases corrosivos como oxigeno (O2) y dixido de carbono (CO2). Tambin la acidez del agua causa corrosin por lo que el pH debe mantenerse entre 9.0 y 11.5. El control del oxigeno disuelto es uno de los puntos crticos en la operacin de la caldera. Las picaduras o reas de desgaste localizadas en ciertas partes de los tubos de la caldera ocurren por la accin corrosiva del oxigeno.

Figura 3. Efecto de la corrosin sobre una superficie metlica

En el condensador del sistema, el dixido de carbono se suma a la accin corrosiva del oxigeno y destruyen en poco tiempo el tanque del condensador si no son removidos. Es fundamental una correcta desaireacin y un adecuado control del pH. O2: corrosin localizada, pitting. pH bajo (< 9): corrosin generalizada. pH alto (> 13): fragilidad custica Una forma de corrosin que suele presentarse con cierta frecuencia en calderas, corresponde a una reaccin de este tipo: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2

Esta reaccin se debe a la accin del metal sobrecalentado con el vapor. El hierro en contacto con el agua establece una reaccin andica de este tipo:Fe (s) Fe2+

+ 2e

-

Esta reaccin cesa despus de alcanzar un cierto potencial. Sin embargo, el oxgeno puede reaccionar con el agua para dar iones OH- en el ctodo: O2(g) + 2H2O(l) + 4e- 4OHEl hierro y los iones OH- reaccionan y los electrones son neutralizados por la corriente entre el nodo y el ctodo: Fe2+(ac) + 2OH-(ac) Fe(OH)2(s) La reaccin global puede ser resumida en la ecuacin: 2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(l) Fe(OH)2(s) El xido formado puede seguir oxidndose en presencia de oxgeno o de agua a xido frrico.

3. Formacin de espumas (Priming)Esto ocurre cuando hay presencia de materia orgnica o de una gran cantidad de slidos disueltos en el agua de la caldera. Para evitar la formacin de espumas, se purga la caldera cuando en el agua se alcanza un cierto nivel preestablecido de slidos disueltos. Otra accin preventiva consiste en tener un tratamiento externo del agua de alimentacin para evitar la presencia de slidos suspendidos de naturaleza orgnica, as como de grasas y aceites del equipo de proceso que puedan contaminar el agua.

Variables importantes que se deben controlarA continuacin pueden verse valores aproximados para las variables ms importantes que hay que controlar en el agua de la caldera: a. Concentracin de oxigeno en el agua de alimentacin limitada a 0.005 mL por litro. b. Dureza del agua de alimentacin entre 0 y 2 ppm. (para reducir la deposicin de lodos en la caldera). c. El pH del agua de alimentacin debe mantenerse entre 8 y 9, y el agua de la caldera deber tener un pH entre 10.5 y 11.0 d. La cantidad total de slidos disueltos, la alcalinidad y slidos en suspensin no deben exceder de un valor determinado en funcin de la presin:Kg/cm2 Slidos Disueltos (ppm) Alcalinidad Total (ppm) Slidos Suspensin (ppm)

0 - 20 20 - 30 30 - 40

3500 3000 2500 500

700 600 500 100

300 250 150 5

140

5. Mtodos para acondicionar el contenido de agua de la planta poderPara el control qumico de impurezas se agregan ciertos reactivos: Incrustaciones por Ca y Mg: fosfatos Corrosin por O2: Na2SO3 o N2H4 Corrosin por pH: fosfatos, aminas flmicas Espuma: agentes anti-espumantes

Incrustaciones por Ca y MgPara la prevencin de la formacin de lodos en calderas de alta presin, la dureza del agua debe ser reducida a cero (0 a 2 ppm de dureza). El tratamiento con fosfatos ofrece el mejor tratamiento de la dureza clcica ya que la solubilidad del Ca3(PO4)2 es mucho menor que el del CaCO3 y CaSO4, a la temperatura del generador. Normalmente es suficiente con mantener una concentracin de fosfato de 10-20 ppm. 10 Ca2+ + 6 PO43- Ca10(OH)2(PO4)6 El magnesio se elimina generalmente en forma de hidrxido de magnesio o silicato de magnesio (no adherentes)

Corrosin por O2 y CO2Para evitar la corrosin por oxigeno libre (O2) se suele emplear un desgasificador externo que reduce el nivel de oxigeno a 0.005 mL/litro, si la instalacin carece de desgasificador se instala un condensador de superficie con un pozo caliente desgasificador que reduce el oxigeno a 0.33 mL/litro. Tambin se puede emplear sulfito de sodio que se puede inyectar a travs del desgasificador o de la aspiracin de la bomba de alimentacin (ya que necesita un tiempo de reaccin antes de entrar en la caldera) Por debajo de 1000 psi, se usa Na2SO3, por encima de 1000 psi, el Na2SO3 se descompone en H2S y SO3 2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4 La ausencia de O2 se controla por un exceso de SO3= en el generador. Por encima de 1000 psi se utiliza la hidrazina: N2H4 + O2

2 H2O + N2

Adems del efecto desgasificador de la hidrazina, sta tiene un efecto pasivador sobre el metal, que acta de acuerdo a la reaccin: 6Fe2O3 + N2H4

4Fe3O4 + N2 + 2H2O

La magnetita (Fe3O4) genera una capa protectora sobre la superficie de los tubos (pasivado). Habitualmente se utilizan la hidrazina y el sulfito en forma combinada. Una acta como pasivador y el otro como removedor de oxgeno. En el caso del CO2(g) reacciona de acuerdo a las siguientes reacciones: CO2 + H2O H2CO3 HCO3-

H2CO3

H+ + HCO3 H+ + CO3=

Para controlar este fenmeno, se agregan aminas que neutralizan el H2CO3 y sus especies en equilibrio. Las aminas ms utilizadas son el amonaco, la ciclohexilamina, bencilamina y el dietilaminoetanol .

Control del pHPara controlar el pH se utiliza un buffer de fosfatos, de esta manera se controla la cantidad de OH- libres. Un buffer es una solucin reguladora de pH y mantiene el pH en un intervalo aunque se agregue cido o base. Es imposible superar un pH de 12,5 en presencia de este buffer. Esto equivale a menos de un 0,1 % de OH-

Bibliografa1. Fsica y Qumica, Andrs Cabrerizo, Juan Antn, Javier Barrio, Editex, 2008. ISBN 8497713354, 9788497713351 2. Manual de procesos qumicos en la industria, Austin, George T., McGraw-Hill, 1992. ISBN 9780070571471 3. Industrial organic chemistry, Klaus Weissermel, Hans-Jurgen Arpe, Wiley InterScience, 2003. ISBN 9783527305780 4. Qumica, Raymond Chang, McGraw Hill, 9 Edicin, 2007. ISBN 9789701061114 5. http://www.monografias.com/trabajos5/aguacald/aguacald.shtml?monosearch

V. COMBUSTIBLES Y LUBRICANTES1. Combustibles. 2. La industria del petrleo. 3. Conceptos bsicos de la Combustin. 4. Propiedades de los combustibles. 5. Tipos de carga1. Combustibles

Combustible es cualquier material capaz de liberar energa cuando se quema. Se llama lubricante a toda sustancia slida, semislida o lquida, de origen animal,