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FISCOQUíMICA (Termodinámica)

REPASO 1. REACCIONES QUÍMICAS

Las ecuaciones químicas se balancean con base en el principio de la conservación de la masa (o el masa), masa), que se enuncia como sigue: La masa total de cada elemento se conserva durante una química . Es decir, la masa total de cada elemento en el lado derecho de la ecuación de la reac productos) debe ser igual a la masa total de ese elemento en el lado izquierdo (los reactivos) aun cu elementos existan en compuestos químicos diferentes en los reactivos y los productos. Además, el total de átomos de cada elemento se conserva durante una reacción química, ya que el número átomos de un elemento es igual a la masa total del elemento dividida entre su masa atómica. Por ejemplo, para la reacción:

ambos lados de la ecuación contienen 12 kg de carbono y 32 kg de oxígeno, aun cuando el carbono c arbono y e existan como elementos en los reactivos, y como un compuesto en el producto. Asimismo, la masa los reactivos es igual a la masa total de los productos, que es cada una de una de 44 kg .

Sin embargo, note que el número total de moles de los reactivos (2 kmol) no es i gual al número total de los productos (1 kmol). Es decir, el número total de moles no se s e conserva durante una reacción q Compuestos inertes

Aunque en la ecuación de reacción se acostumbra colocar solo los elementos que interviene en la (reactivos y productos), en ocasiones resulta práctico incluir en la ecuación también también los compuesto para efecto de realizar el balance de materiales. Un caso típico es en una reacción de combustión en utiliza aire, el cual tiene N 2 el cual en ocasiones se considera inerte. El aire seco puede cons aproximadamente como 21 por ciento de oxígeno y 79 por ciento de nitrógeno en números mol consiguiente, cada mol de oxígeno que entra a una cámara de combustión será acompañado por 0. 3.76 mol de nitrógeno. Es decir,

Master your semester with Scribd 1 kmol O + 3.76 kmol N  4.76 kmol aire & TheEsto New York Times se ilustra mejor con un ejemplo: 2

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EJEMPLO : Balance de la ecuación de combustión

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Análisis La ecuación química para este proceso de combustión puede escribirse como C8H18 +20 (O2 + 3.76N2)  xCO2 +yH2O + zO2 +wN2

donde los términos en el paréntesis representan la composición de aire seco que contiene 1 kmol de y, z y w representan los números de moles desconocidos de los gases en los productos. Estas incó determinan con la aplicación del balance de masa a cada uno de los elementos, es decir, la masa o e total de moles de cada elemento en los reactivos debe ser igual a la o el de los productos:

La sustitución produce C8H18 +20 (O2 +3.76N2)  8CO2 +9H2O +7.5O2 + 75.2N2

Observe que el coeficiente 20 en la ecuación balanceada anterior representa el número de moles de no el número de moles de aire. Éste se obtiene sumando 20 × 3.76 75.2 moles de nitrógeno a los de oxígeno, lo que da un total de 95.2 moles de aire. La relación aire-combustible (AC) se determina la proporción entre la masa de aire y la masa de combustible: You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.

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Es decir, se emplean 24.2 kg de aire para quemar cada kilogramo de combustible durante este pro combustión.

Master your semester with Scribd  Read Free Foron 30this Days Sign up to vote title aire teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcta o aire 100 porciento & TheElUnNew York Times Useful Not useful proceso de combustión con cantidad de aire menor está condenado a ser incompleto. El pro Special offer for students: Only $4.99/month.

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combustión ideal durante el cual un combustible se quema por completo con aire teórico se cono

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Carbón, con un análisis elemental (en masa) de 84.36 por ciento C, 1.89 por ciento H 2, 4.40 por ciento por ciento N2, 0.89 por ciento S y 7.83 por ciento cenizas (no combustibles), se quema con la cantida de aire. Haciendo caso omiso del contenido de cenizas, determine las fracciones molares y la ma aparente de los gases producto de combustión. También determine la relación aire-combustible n para este proceso de combustión. Solución

Se quema carbón con análisis en masa conocido con la cantidad teórica de aire. Se deben determ fracciones molares de los gases productos, su masa molar aparente y la relación aire-combustible. Suposiciones

1 La combustión es estequiométrica y, por lo tanto, completa. 2 Los productos de combustión contienen CO2, H2O, SO2 y N2 solamente (la ceniza se ignora). 3 Lo combustión son gases ideales.

Análisis Las masas molares del C, H2, O2, S y aire son 12, 2, 32, 32 y 29 kg/kmol, respectivament consideramos 100 kg de carbón por simplicidad. Observando que los porcentajes másicos en e corresponden a las masas de los constituyentes, los números de moles de los constituyentes del ca determinan como

You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.


La ceniza consiste en el material no combustible en el carbón. Por lo tanto, la masa del contenido d Master with Scribd caso om queyour entra a semester la cámara de combustión es igual al contenido Read másico que sale. Haciendo Free For 30this Days Sign up to vote on title  de esteTimes componente no reactivo, la ecuación de combustión se puede escribir como & Thesimplicidad, New York  Useful  Not useful Cancel anytime.

Special offer for students: Only+0.1375O2 $4.99/month. 7.03C +0.945H2 +0.0225N2 +0.0278S +ath (O2 +3.76 N2)  xCO2 +yH2O +zSO2 +wN2

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Las fracciones molares de los gases producto se determinan como sigue:

Entonces, la masa molar aparente de los gases producto resulta

Finalmente, la relación másica aire-combustible se determina por definición como

You're Reading a Preview Es decir, se suministran 10.2 kg de aire por cada kg de carbón en el horno. Unlock full access with a free trial.

2. EQUILIBRIO QUÍMICO


Se dice que un sistema se encuentra en equilibrio si no se presentan cambios dentro del mismo cu aislado de sus alrededores. Está en equilibrio químico si no se presentan cambios en la composición del sistema. CRITERIO PARA EL EQUILIBRIO QUÍMICO

La reacción detiene y se establece el equilibrio químico cuando la función de Gibbs alcanzaun valor Master yoursesemester with Scribd Read Free For 30this Days Sign de up to on title de los comp Para obtener una relación para el equilibrio químico en términos lasvote propiedades  & Theindividuales, New York Times Useful Not useful   considere una mezcla de cuatro componentes químicos A, B, C y D que se encuen Cancel anytime.

Special offer for students: Onlytemperatura $4.99/month.y presión especificadas. Permita que el número de moles de los comp equilibrio a una

respectivos sean N , N , N y N

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Para reactivos:

∆ = −  

∆ = − 

Para los productos:

∆ =   

∆ =   



Resulta de especial utilidad reacomodar los datos anteriores a: ∆ − 

Donde

=

∆ − 

=

∆  

=

∆  

=

es la constante de proporcionalidad y representa el alcance (o avance) de una reacción. S

un signo de “menos” a los dos primeros términos ya que el número de moles de los reactivos A y

a medida que la reacción se lleva a cabo. Por ejemplo, para la reacción

la reacción de 1 mol de C2H6 resulta en un incremento de 2 mol en CO2, un incremento de 3 mol en decremento de 3.5 mol en O2. El criterio del equilibrio químico, corresponde a:

Esta ecuación involucra los coeficientes estequiométricos y las funciones de Gibbs molares de los re de los productos. Por conveniencia, se define el cambio de la función de Gibbs en estado estándar como: You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.

donde

representa la función de Gibbs de un componente

i

a 1 atm de presión y temperatura T.

With Free Triallos elementos estables (como el valores se encuentran en la tabla A-26. la Download función de Gibbs de todos asigna un valor de cero en el estado de referencia estándar de 25 ° C y 1 atm. Los valores de la función a otras temperaturas pueden calcularse a partir de los datos de la entalpía y de la entropía absoluta u la definición de la función de Gibbs,

Para el caso de los gases ideales, la ecuación se traduce en:






Useful

Algunos ejemplos de constantes de equilibrio se encuentran en la tabla A-28

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donde

ALGUNAS OBSERVACIONES RESPECTO A LA KP DE LAS MEZCLAS DE GASES IDEALES 1. 2. 3. 4.

La KP de una reacción depende únicamente de la temperatura. La KP de la reacción inversa es 1/K P. 3. A medida que es más grande el valor de K P, la reacción es más completa. 4. La presión de la mezcla afecta la composición de equilibrio (aunque no afecta a la cons equilibrio KP).

La dirección de cambio depende del signo de Δ. Un aumento en la presión a una tem especificada, incrementa el número de moles de los reactivos y disminuye el número de mol

productos si Δes positivo, tiene el efecto opuesto si Δn es negativo, y no tiene ningún efect

igual a cero.

5. La presencia de gases inertes afecta el equilibrio de la composición (aunque no afecta a la co de equilibrio KP). 6. Cuando se duplican los coeficientes estequiométricos, el valor de K P se eleva al cuadrado.

You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.


EJEMPLO Constante de equilibrio de un proceso de disociación

Mediante los datos de la función de Gibbs, determine la constante de equilibrio KP para el pro disociación N2 → 2N a 25 °C. Compare el resultado con el valor de KP li stado en la tabla A-28. Solución

Master your semester with Scribd  Read Free 30 Days Sign to vote title La constante de equilibrio de la reacción N → 2N está listada en -28on athis diferentes tempera la up tabla AFor  & Theverificará New este York valorTimes utilizando los datos de la función de Gibbs. Useful  Not useful 2


Suposiciones

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El valor calculado de K P coincide con el valor listado en la tabla A-28. El valor de KP de esta rea prácticamente cero, indicando que esta reacción no se llevará a cabo a esta temperatura.

EJEMPLO 2 Producción de hidrógeno por calentamiento de vapor de agua a alta temperatura

Como alternativa de la electrólisis, se puede producir térmicamente gas hidrógeno de acuerdo con e de disociación H2O H2 +0.5 O2, calentando vapor de agua a una temperatura muy alta. Dete porcentaje de vapor de agua que se puede separar en hidrógeno y oxígeno cuando esta reacción s cabo a 4 000 K y 10 kPa. Solución

You're Reading a Preview La reacción se considera a temperatura y presión específicas. Se debe determinar el porcentaje de v Unlock full access with a free trial. agua que se separa en hidrógeno y oxígeno.

Suposiciones

Download With Free Trial 1. La composición de equilibrio consiste solamente en H2O, H2 y O2, y la disociación en H, O despreciable. 2. Los constituyentes de la mezcla son gases ideales.

Análisis

Éste es un proceso de disociación que es significativo sólo a temperaturas muy altas. Por sim consideramos 1 kmol de H2O. Las reacciones estequiométrica y real en este caso son como sigue: Read Free Foron 30this Days Sign up to vote title

Master your semester with Scribd & TheEstequiométrica: New York Times Special offer for students: Only $4.99/month.

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Suponiendo comportamiento de gas ideal para todos los componentes en la composición de equ relación de constantes de equilibrio en términos de números de moles se puede expresar en este

al sustituir

La x incógnita no se puede despejar de la fórmula, así que se determina utilizando un método numér el de bisección o el de la regla falsa. x = 0.222

Es decir, para cada mol de H 2O que entra a la cámara de reacción, hay sólo 0.222 mol de H2O que sa tanto, la fracción de vapor de agua que se disoció en hidrógeno y oxígeno cuando se calentó a 4 000 Fracción de disociación = 1 – x = 1 – 0.222 = 0.778, o 77.8 por ciento

Por lo tanto, se puede producir hidrógeno en caudales importantes calentando vapor de agua a temp suficientemente altas. You're Reading a Preview EJEMPLO Composición de equilibrio a una temperatura específica Unlock full access with a free trial.

Una mezcla de 2 kmol de CO y 3 kmol de O2 se calienta a 2 600 K, bajo una presión de 304 kPa. Dete composición de equilibrio, suponiendo que la mezclaWith consiste CO2, CO y O2. Download Freede Trial Solución Una mezcla de gases reactivos se calienta a una temperatura elevada. Se determinará la composición de equilibrio a esa temperatura. Suposiciones 1 La composición de equilibrio consiste de CO2, CO y O2. 2 Los componentes de la mezcla son gases ideales.

Master your semester with Scribd Análisis Las reacciones estequiométricas y reales en este caso son las Read Free Foron 30this Days Sign up to vote title & Thesiguientes: New York Times  Useful  Not useful Special offer for students: Only $4.99/month.

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La reacción más parecida que se indica en la tabla A-28 es CO2  CO + 0.5 O 2 para la que ln KP = -2.801 a 2 600 K. La reacción que se tiene es la inversa de ésta y, por lo tanto, ln K o KP= 16.461 en este caso.

Suponiendo un comportamiento de gas ideal para todos los componentes, a la constante de equilibri 15) se convierte en

Al sustituir, se obtiene

Utilizando un método numérico se obtiene x=1.906 y = 2 - x = 0.094 z = 3 – x/2 = 2.047 En consecuencia, la composición de equilibrio de la mezcla a 2 600 K y 304 kPa es: You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.

Download With Free Trial 3- VARIACIÓN DE KP CON LA TEMPERATURA

Siendo

es la entalpía de la reacción a la temperatura T.

es una expresión de la variación de K P con la temperatura y se le conoce como la ecuación de van’t

Master youressemester with Scribd de temp integrarla, necesario conocer la forma como ̅ℎ varía con Read T. Para pequeños intervalos Free Foron 30this Days Sign up to vote title  puede considerarse como una constante y la ecuación puede integrarse parauseful obtener así & The̅ℎNew York Times  Useful  Not  ()

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TALLER APLICATIVO

1. Valor 1.5. Una mezcla gaseosa de 30 por ciento (por fracción molar) de metano y 70 por c nitrógeno se calienta a 1.200 K manteniendo su presión a 1 atm. Determine la compos equilibrio (por fracción molar) de la mezcla resultante. La reacción correspondiente es: C + 2H2  CH4 El logaritmo natural de la constante de equilibrio para la reacción a 1.200 K es 4.147.

2. Valor 1.5. Considere la reacción de disociación CO 2  CO + O a 1 atm y 2.500 K. Ahora se a moles de nitrógeno al mol de CO 2. Determine la composición de equilibrio de los productos a temperatura y a la misma presión con el nitrógeno adicional. Nota: Evalúe primero la K reacción usando los valores de K P de las reacciones CO2  CO + (1/2) O 2

y

0.5O2  O.

3. Valor 1.5. Estudie el efecto de variar el porcentaje de exceso de aire durante la combu hidrógeno en un proceso de flujo estacionario a una presión de 1 atm. ¿A qué temperatura se a agua el 97 por ciento del H 2? Suponga que la mezcla de equilibrio consiste en H 2O, H2, O 4. Valor 0.5. Usando los datos de entalpía de reacción ̅ℎ () y el valor de K P a 3.000 K, estime e Reading KP del proceso de combustión H 2 You're O2 + H2Oa Preview a 3150 K.  (1/2) Unlock full access with a free trial.




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