SOLUCIONES

Estos sistemas tienen una importante presencia, tanto en sistemas de materia viviente como en materia inerte y en muchos sistemas de interés técnico. Pueden ser muy complejos cuando el número de diferentes sustancias mezcladas es muy elevado o bién simples como ternarios( 3 ) y binarios (2).

Las sustancias presentes en sistemas simples se denominan:

Soluto : Componente (s) que se encuentra (n) , comparativamente, en menor proporción y

Solvente : Componente que se encuentra, comparativamente en mayor proporción.

Sin embargo, cuando una sustancia originalmente sólida es disuelta en líquido es el soluto y el líquido es el solvente.

Similarmente, cuando una sustancia originalmente gas es disuelta en líquido es el soluto y el líquido es el solvente.

Sistemas de Solubilidad infinita

El soluto y el solvente se mezclan en proporciones variables, algunas veces sin limitaciones. Los gases se mezclan entre sí sin limitaciones, los líquidos de igual polaridad o apolaridad también se mezclan sin limitaciones. Son situaciones de solubilidad infinita.

Sistemas Saturados

Las limitaciones aparecen con mucha claridad cuando se mezclan sustancia originalmente sólida o bien originalmente gas con líquidos. Estas situaciones límites se analizan fundamentalmente usando el concepto de solubilidad y que ahora parece oportuno volver a recordar.

La solubilidad es la mayor cantidad de soluto, que en forma estable, puede disolverse (mezclarse) en una determinada cantidad de solvente bajo condiciones determinadas de Presión y Temperatura.

Sistemas Sobresaturados.

En algunas situaciones la cantidad de soluto disuelta es mayor que la que corresponde a la solubilidad?, pero es una situación inestable y se conoce como sobresaturación. Se obtienen llevando al sistema a la situación de saturación a alta temperatura y se baja bruscamente la temperatura. Mientras el sistema no se estabilice se encuentra en situación de sobresaturación. El sistema vuelve a la normalidad cuando se den las condiciones cinéticas para que el soluto en exceso precipite como sólido o bién sea liberado como gas.

Sistemas Diluídos.

Son aquellos en que la cantidad de soluto disuelto es menor que la que corresponde por la Solubilidad. Son los casos más numerosos y en torno de ellos se desarrolla el tema de Soluciones y sus propiedades.

Relaciones fundamentales para el trabajo cuantitativo con soluciones.

En primer lugar, para trabajar cuantitatívamente con soluciones es preciso visualizar los componentes del sistema para asignar sin confusiones los conceptos de soluto, solvente, solución, las respectivas masas, volumenes y densidades. El siguiente gráfico puede ayudar en ese sentido: 

QUE ES UN BALANCE DE MATERIALES?

Para establecer un método de balance de materiales se tiene que hablar de Ley de Conservación de Materia, ya que se basa en esta ley, la cual dice que:"En toda reacción química la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos." Aplicando la conservación de la masa para un sistema abierto se puedo afirmar que la masa inicial debe ser igual a la masa que sale más la posible masa acumulada o remanente en el sistema. En el artículo anterior se menciono el vaciamiento y era igual a la suma de todas las expansiones, que no es más que la conservación de la masa aplicada a un yacimiento de petróleo. También al agrupar los grupos de variables de la ecuación en las clasificaciones de expansiones se provee una camino para graficar por el Método de la línea recta, Van Everginden (1953) y Havlena-Odeh (1963), las nuevas variables y poder estudiar dichas gráficas y obtener lo que se necesite. Quedando la ecuación de Balance de Materiales como: F = NEo + NmEg + N(1+m)Efw + We

PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA MASA EN AGUAS

La masa total de un sistema cerrado permanece constante frente a cambios

internos del sistema, es decir, la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Este principio de conservación de la masa induce a pensar en la existencia de

ciclos generales de materia en nuestro planeta. Por ejemplo, la transformación del C sobre la superficie terrestre incluye aire, agua, zonas profundas de la corteza terrestre e incluso a los seres vivos y para conocer globalmente el comportamiento del elemento a escala planetaria debemos cuantificar la cantidad de C transformada vía respiración en CO2, cuánto CO2 se transfiere a la atmósfera, al medio hídrico, etc.

Los ciclos con más incidencia sobre la vida en la Tierra son los del C, N, P y S
así como el ciclo hidrológico.

CICLO HIDROLOGICO

Es la variación de estado físico y ubicación del agua en nuestro planeta. Un ciclo

global a escala planetaria comprende dos aspectos: su ubicación en diferentes nichos o compartimentos físicos y el transporte y flujo entre ellos.

En el siguiente esquema se representa el ciclo hidrológico donde a gran escala se

pueden distinguir 3 compartimentos físicos: atmósfera, aguas dulces y aguas marinas. A su vez, éstos se pueden subdividir en otros nichos más pequeños. Respecto a los flujos de agua, éstos discurren por fenómenos de precipitación, evaporación, escorrentía, etc.

La fuente primaria de energía para el ciclo hidrológico es la solar y a su vez la

energía subyacente al ciclo hidrológico alimenta a todos los demás ciclos geoquímicos.

CICLOS GLOBALES DE ELEMENTOS

Para estudiar los ciclos de C, N, S y P consideraremos los siguientes nichos geoquímicos globales: atmósfera, hidrosfera, biosfera y litosfera. Cada compartimento a su vez se compone de otros más pequeños; p. ej. En la hidrosfera se puede distinguir entre agua dulce y aguas marinas y dentro de las aguas marinas se puede distinguir entre superficiales y profundas.

Ciclo del carbono

En la atmósfera el C está como CO2 fundamentalmente. El C en la hidrosfera

puede dividirse en C inorgánico y C orgánico; el inorgánico aparece como CO2 disuelto,

CO3= y bicarbonato HCO3-. La litosfera contiene la mayor parte del C de la Tierra, menos del 1% del C total participa en el ciclo del C.

Algunos de los flujos más importantes se realizan mediante:

1) Fotosíntesis: permite el paso del CO2 de la atmósfera y la hidrosfera a la biosfera.

2) Oxidación biológica que los animales y plantas utilizan para obtener energía.

3) Descomposición de materia muerta.

4) Sedimentación, parte del C de los mares se elimina mediante la formación de

CaCO3.

5) Quema de combustibles fósiles.

Ciclo del nitrógeno

El N en la atmósfera está fundamentalmente como N2. En la litosfera está

principalmente como nitrato NO3- y en menor grado como NO2- y NH4+ . En la biosfera el N se encuentra en las proteinas de plantas y animales.

Los flujos más importantes se realizan mediante:

1) Fijación del N2 por las plantas.

2) Fijación del N2 por el hombre.

3) Desnitrificación:proceso biológico en el que ciertas bacterias convierten el nitrógeno de iones en N2 molecular.

Ciclo del fósforo

Respecto a este ciclo, cabe destacar que las existencias de P en la atmósfera se

reducen a P particulado y la participación de este nicho en el ciclo es muy poco

importante. El ciclo del P también es una excepción frente a los otros tres ya que no está afectado por la quema de combustibles fósiles. No obstante, la actividad humana influye significativamente en el flujo de P desde la litosfera hacia la hidrosfera en función del uso de fertilizantes fosforados en agricultura y de detergentes en limpieza doméstica.

Ciclo del azufre

El ciclo del S se halla profundamente influido por la actividad humana. Existen

entradas de S a la atmósfera procedentes de emisiones industriales que han provocado el incremento de sulfatos en suelos y aguas. El S, de forma semejante al N, presenta varias formas químicas. En la hidrosfera se encuentra mayoritariamente como sulfato, S(VI), mientras en la litosfera el S en alto estado de oxidación se halla en forma de varios minerales sulfatados y en bajo estado de oxidación se puede encontrar formando

diversos sulfuros metálicos.

Por último, en relación con los ciclos de los elementos cabe destacar lo siguiente:

1) los ciclos están interconectados entre sí: por ej. cuando se fija C se fijan otros

elementos.

2) Se dan muchas interacciones entre la hidrosfera y los demás nichos geoquímicos, de manera que el principio de conservación de la masa no es capaz de explicar todas las transformaciones que experimenta un elemento en el planeta.

RELACIONES ESTEQUIOMETRICAS

RELACIONES ESTEQUIOMETRICAS

Las relaciones estequiométricas son una expresión del principio de conservación de la masa en procesos químicos. Como ejemplo vamos a estudiar el siguiente sistema: 1 litro de agua a 25oC en la que disolvemos 100 mg de CaCO3 y 48.8 mg de CO2.

A) METODO DEL BALANCE MOLAR

Necesitamos conocer:

a) concentración molar total de productos iniciales:

[H2O]T = = 55.4 M

[CaCO3]T = = 1.0x10-3 M

[CO2]T = = 1.1x10-3 M

b) procesos químicos que se dan en el medio:

H2O H+ + OH-

CO2 + OH- HCO3-

c) especies químicas existentes en el medio:

H2O, H+, OH-, CO2, HCO3-, Ca2+

El CO3= no se incluye entre las especies existentes ya que en presencia de CO2 todo está como HCO3-.

La aplicación matemática del principio de conservación de la masa a cada elemento permite establecer las siguientes ecuaciones:

TOTH = 2[H2O] + [H+] + [OH-] + [HCO3-] = 2[H2O]T = 118.8 M

TOTO =[H2O] + [OH-] +2[CO2] + 3[HCO3-]=[H2O]T +3[CaCO3]T +2[CO2]T  55.4 M

TOTC = [CO2] + [HCO3-] = [CaCO3]T + [CO2]T = 2.1x10-3 M

TOTCa = [Ca+2] = [CaCO3]T = 10-3 M

La cantidad total de cada elemento se conserva entre los productos iniciales y las especies químicas existentes en el medio.

B) METODO DE LAS TABLAS

En el método del balance molar hemos utilizado el hecho qe que el no de átomos de cada elemento permanece constante. Ahora vamos a utilizar un enfoque distinto. Tomando p. ej. la especie bicarbonato podríamos escribir que bicarbonato = 1 at. H + 1 at. de C + 3 at. de O (y una carga negativa). Pero también se puede escribir que: HCO3- = (CO2)1(OH-)1 en función de los componentes CO2 y OH-.

De la misma manera se puede expresar el agua como H2O = (H+)1(OH-)1 en función los componentes H+ y OH-.

De esta forma en el sistema anterior podemos expresar todas las especies y productos iniciales en función de los componentes CO2 H+ y OH-.

H2O = (H+)1(OH-)1

H+ = (H+)1

OH- = (OH-)1

CO2 = (CO2)1

HCO3- = (CO2)1(OH-)1

Ca+2 = (Ca+2)1

CaCO3 = (Ca+2)1(CO2)1(OH-)1(H+)-1

Esto permite escribir las ecuaciones que expresan la conservación de la masa en función de la conservación de las entidades químicas elegidas:

TOTH = [H2O] + [H+] = -[CaCO3]T + [H2O]T  55.4 M

TOTOH = [H2O] + [OH-] + [HCO3-] = [CaCO3]T + [H2O]T  55.4 M

TOTCO2 = [CO2] + [HCO3-] = [CaCO3]T + [CO2]T = 2.1x10-3 M

TOTCa = [Ca+2] = [CaCO3]T = 10-3 M

PROPIEDADES DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA

1) Pueden tener o no existencia experimental real.

2) Los balances molares de los componentes expresan de manera completa la conservaciós de masa en el sistema.

3) Ningún componente puede ser expresado con una fórmula que contenga otros componentes (p. ej. no se puede añadir H2O a la lista de componentes del ejemplo anterior.

4) Es posible elegir distintas

6) Para la elección de los componentes se aplican las siguientes reglas:

a) Cualquier especie debe poder expresarse como función de los componentes.

b) Sólo existirá una única expresión estequiométrica en función de los

componentes para cada especie química.

c) El H2O siempre se elegirá como componente del sistema. Además, podrá sobreentenderse en la expresión de las especies y substancias en la correspondiente tabla.

d) El H+ siempre se elegirá como componente del sistema.

CONDICION DE ELECTRONEUTRALIDAD

En el sistema que estamos estudiando no se produce ni creación ni pérdida de carga eléctrica en ninguna reacción química, es decir existe igual no de cargas positivas y negativas. Por tanto debe cumplirse que:

[H+] + 2[Ca+2] = [OH-] + [HCO3-]

Esta ecuación se obtiene por combinación de las ecuaciones de balance molar y los componentes seleccionados deben ser tales que conduzcan a esa ecuación. El coeficiente de cada especie en la columna H+ iguala su carga eléctrica, escogiendo todos los demás componentes eléctricamente no cargados. Con esta premisa, la expresión

PASOS PARA REALIZAR UN BALANCE DE MATERIALES

EJERCICIOS PROPUESTOS

Problema 1.2. Se ha preparado una disolución acuosa disolviendo 100 mg de CaCO3 y 48.8 mg de CO2 en 1 L de agua a 25 ºC ( r = 0.997 g mL-1 ). Las posibles reacciones entre especies disueltas se dan a continuación. Confecciónese una lista de especies químicas, establézcase el número de reacciones independientes, selecciónese una lista de componentes y escríbase una tabla definitoria del sistema y las ecuaciones de balance molar.

En este enlace encontraras diferentes ejercicios de balnce de materiales propuestos por Jose Miguel Rodriguez Mellado

Ultima revisiòn 12 de julio del 2011

problemas resueltos