DESTILACION

PRESENTACIÓN DEL CURSO DE TERMODINÁMICA QUÍMICA II

EQUILIBRIO QUÍMICO

Introducción .- Una representación muy simple de una planta química puede ser la que se muestra en la figura:

El corazón de la planta química es el reactor químico (etapa II), ahí la mezcla de reactivos reacciona para formar los productos químicos deseados.

Las materias primas generalmente reciben un proceso de acondicionamiento (etapa I) a fin preparar la mezcla reaccionante con las características adecuadas para la reacción.

Después de la reacción, la mezcla de productos también debe ser procesada (etapa III) para separar las sustancias deseadas de los reactivos que no reaccionaron y que deberán reciclarse.

Los procesos de acondicionamiento y separación mencionadas casi siempre implican el contacto de dos o más fases que al intercambiar materia y energía alcanzan nuevos estados de equilibrio entre fases lográndose la separación de los componentes deseados. Estos principios para la solución de sistemas en equilibrio de fase fueron ya estudiados en el curso de Termodinámica Química I con el tema genérico de equilibrio de fases.

En el curso de Termodinámica Química II, denominado genéricamente como equilibrio químico, se estudiarán los procesos que suceden en el reactor.

Descripción del problema .- Dada una mezcla reaccionante de composición conocida, colocada en un recipiente llamado reactor químico a ciertas condiciones de presión y temperatura, deseamos saber si existe la factibilidad de que haya reacción y si la hay, qué cantidad de reactivos se transformarán y qué cantidad de productos se formarán.

La mezcla reaccionante puede estar en una sola fase: gaseosa o líquida (equilibrio químico homogéneo); puede estar en dos o más fases, (equilibrio químico heterogéneo). La composición puede estar inicialmente en relación estequiométrica o algunas sustancias encontrarse en exceso; puede haber o no intercambio de calor con el medio circundante (reacciones isotérmicas, cuasiadiabáticas o adiabáticas); el volumen puede o no ser constante; puede ser que sólo se lleve a cabo una sola reacción química o que sean varias que suceden de manera simultánea, etc. En todos los casos la pregunta será invariable ¿Cuánto habrá de cada sustancia en los productos?

Solución termodinámica del problema.- La aplicación de la termodinámica para encontrar la solución a problemas de sistemas en reacción química es idéntica a la aplicación al problema del equilibrio de fases, y la solución es la misma y muy simple: Un sistema reaccionante alcanza el equilibrio cuando su energía libre de Gibbs es mínima.

La energía libre y el equilibrio. Sea un sistema en el que ocurre un proceso irreversible, de acuerdo a la segunda ley, se tiene:

Si el proceso ocurre a T y P constantes:

Este resultado se interpreta diciendo: un sistema está en equilibrio cuando su energía libre de Gibbs es mínima.

A fin de trasladar la solución termodinámica a variables tangibles de temperatura, presión y composición, se hace uso de las variables auxiliares fugacidad, actividad, coeficientes de fugacidad, coeficientes de actividad y demás propiedades molares parciales aunado al uso de ecuaciones de estado.

1.- CONCEPTOS ( O DEFINICIONES ) BÁSICOS.

Reacción Química: Es un cambio en el cual una sustancia o sustancias se transforman en otra u otras sustancias nuevas debido a un rearreglo atómico.

Ecuación química: Expresión simbólica que representa en forma abreviada una reacción química

Reactor químico: Recipiente en el cual se lleva a cabo una reacción química.

Reactivos o reactantes: Sustancias que se transforman.

Productos: Sustancias resultado de la transformación

Inerte: Sustancia presente en la reacción química pero que no toma parte en ella (no es reactivo ni producto).

Mezcla reaccionante ( reactante): Mezcla de sustancias presentes en el reactor químico, y pueden ser tanto reactivos, como productos o inertes.

Alimentación: Mezcla de sustancias que se introduce un reactor con el fin de que reaccionen.

Tiempo de residencia: Tiempo que permanece la mezcla reaccionante en el reactor.

Coeficiente estequiométrico: Número que antecede a la fórmula de una sustancia en una ecuación química balanceada.

Balancear una ecuación química (igualar): Indagar el valor de los coeficientes estequiométricos que debe llevar cada sustancia en una ecuación química.

Los coeficientes estequiométricos indican: a) Cuántas moléculas ( o moles, o Kgmol o Lbmol) de la sustancia en cuestión toman parte en la reacción. b) Cuántos átomos de cada elemento participan en la reacción.

Alimentación estequiométrica: Se llama así cuando los reactivos en la alimentación se encuentran en la misma relación que muestran en la ecuación química balanceada.

Si la alimentación no es estequiométrica, entonces unos reactivos están en mayor proporción que otros, el reactivo que se encuentra con los otros en la mínima proporción respecto a la relación que muestran en la ecuación química balanceada, se llama reactivo limitante, los demás son reactivos en exceso.

Cuando una reacción química está balanceada, la suma total de átomos de cada elemento en el lado de los reactivos iguala la suma total de átomos del mismo elemento en el lado de los productos..

Ejemplo:

CH4 + H2O CO + 3 H2

Valor de los coeficientes estequiométricos para el CH4, H2O y CO: 1 y para el H2: 3

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