ÍNDICE...................................................................................................................................2

INTRODUCCIÓN....................................................................................................3

1.BALANCE DE MATERIA..................................................................................4

1.1DIMENSIONES Y UNIDADES.......................................................................4-6

1.2PROPIEDADES DE MEZCLA Y ESTEQUIOMETRÍA...............................7-11

1.3LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA...........................................12-13

CONCLUSIÓN.......................................................................................................14

BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................15

INTRODUCCIÓN

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La presente investigación comprende sobre el tema de Balance de Materia y algunos subtemas que integran el tema abordado. El balance de materia   es un método matemático utilizado principalmente en Ingeniería Química. Se basa en la ley de conservación de la materia (la materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma). En la ingeniería de procesos uno de los conceptos básicos es el proceso de balance de materia y se utiliza para contabilizar los flujos de materia entre un determinado proceso industrial y entre las distintas operaciones que lo integran.

Los balances de materia permiten conocer los caudales y las composiciones de todas las corrientes de un sistema. Es un proceso en el que tiene lugar los cambios del balance de materia, éste informa sobre el estado inicial y final del sistema. Los balances se plantean alrededor de un entorno o en una determinada región del espacio perfectamente delimitada.

El principio general de los cálculos de materia de balance de materia es establecer un número de ecuaciones independientes igual al número de incógnitas de composición y masa.

En el diseño de un proceso o el análisis de uno ya existente no están completos hasta que se establece que las entradas y salidas de todo el proceso, y de cada unidad por separado, satisfacen las ecuaciones del balance.

En los cálculos de ingeniería resulta indispensable escribir el valor y la unidad de cada cantidad. Las variables fundamentales suelen llamarse dimensiones básicas o magnitudes físicas y no son más que una propiedad que puede medirse como la masa, tiempo, temperatura, etc.

En el caso de presentarse un sistema en el que intervenga una o varias transformaciones químicas, será necesario considerar a las especies químicas individuales que compongan la mezcla. En la cual deberán aplicarse conceptos básicos de ecuaciones estequiométricas y pesos atómicos y moleculares, los que son fundamentales para la aplicación del principio de conservación de la materia.

1. BALANCE DE MATERIA

Los balances de materia no son más que la aplicación de la Ley de conservación de la masa: “La materia no se crea ni se destruye”. Lo que se este enunciado significa en la práctica y cómo

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puede aprovecharse el concepto para resolverse problemas con diversos grados de complejidad requiere una explicación bastante extensa.

La ingeniería química se centra en operaciones como las reacciones químicas, el transporte de fluidos, la reducción y la amplificación de tamaño del equipo, la generación y el transporte de calor, la destilación, la absorción de gases, los biorreactores y demás cosas que causan cambios físicos y químicos en los materiales.

Un balance de materia no es más que una contabilización de material.

1.1 Dimensiones y Unidades

Uno de los aspectos a resolver en un ejercicio de balance de materia y energía en los procesos es la utilización de unidades adecuadas. Las dimensiones son los conceptos básicos de la medición, tal como longitud, tiempo, masa y temperatura, entonces las unidades son los medios de expresar las mediciones, pies o centímetros para el caso de longitud y horse power (Hp) y watt para potencia.

Un sistema de unidades se agrupa en magnitudes fundamentales y un conjunto de magnitudes derivadas las cuales se definen en función de las fundamentales.

Los sistemas de unidades se clasifican en sistemas absolutos (Sistema internacional y CGS), cuyas magnitudes fundamentales Masa, Longitud, tiempo, temperatura y mol y la fuerza es una magnitud derivada y sistemas gravitacionales (Sistema Ingles británico y sistema ingles Estadounidense), cuyas magnitudes fundamentales son: Masa, longitud, tiempo, temperatura, mol y fuerza.

En los Estados Unidos Mexicanos el Sistema General de Unidades de Medida es el único legal y de uso obligatorio. El Sistema General de Unidades de Medida se integra, entre otras, con las unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades: de longitud, el metro; de masa, el kilogramo; de tiempo, el segundo; de temperatura termodinámica, el kelvin; de intensidad de corriente eléctrica, el ampere; de intensidad luminosa, la candela; y de cantidad de sustancia, el mol, así como con las suplementarias, las derivadas de las unidades base y los múltiplos y submúltiplos de todas ellas, que apruebe la Conferencia General de Pesas y Medidas y se prevean en normas oficiales mexicanas. También se integra con las no comprendidas en el sistema internacional que acepte el mencionado organismo y se incluyan en dichos ordenamientos. (Artículo 5 de la Ley sobre metrología y normalización).

Dimensión: es aquella propiedad que puede medirse, por ejemplo: longitud, tiempo, masa, temperatura, mol; o calcularse multiplicando o dividiendo otras dimensiones.

Unidad es una forma particular de asignar un número a la dimensión cuantitativa. Las unidades pueden tratarse como variables algebraicas al sumar, restar, multiplicar o dividir cantidades.

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Es un conjunto de dimensiones básicas (Masa, Longitud, Tiempo y Temperatura) y un conjunto de dimensiones derivadas (área, Volumen, Velocidad, Aceleración, Presión, Calor, trabajo, potencia, densidad, viscosidad, calor específico, flujo volumétrico, flujo másico, etc.).

La unidad para la dimensión de fuerza es el Newton (N), que expresa la fuerza F como el producto de la masa por la aceleración, F = ma. El Newton se define como la fuerza que debe aplicarse a una masa de 1 kg para producir una aceleración de 1 m/s2.

F=Newton ,N=Kg ms2F=masa∗aceleraci ón

gc

Donde, gc factor de conversión que relaciona kilogramos masa con los kilogramos fuerza. En el sistema internacional

gc=1.0Kg−mN−s2

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1.2 Propiedades de mezcla y Estequiometria

Se les denomina como mezclas a las diversas sustancias y materiales que están formados por dos o más componentes mezclados entre sí, forman materiales que cuyos componentes pueden ser separados tomando como base las propiedades y características de cada sustancia o elemento que las conforma, pero que no se encuentran combinados químicamente, es decir, sus componentes no tienen reacciones químicas entre sí y conservan sus propiedades individuales, (a este respecto se destaca que sí existen algunas mezclas que tienen reacción entre sus componentes bajo ciertas condiciones ambientales).

En las mezclas se dan combinaciones físicas de elementos y de compuestos, pero en donde cada sustancia o elemento conserva sus propiedades químicas sin interactuar químicamente con el otro u otros componentes de la mezcla.

Las mezclas pueden ser:

Aleaciones Coloides Soluciones Suspensiones

Se encuentran dentro de la naturaleza tanto componiendo parte de los seres vivos, así como conformando los diversos materiales existentes en el medio ambiente, formando minerales, soluciones líquidas, y gases en el aire, existiendo en los diversos estados de la materia, sólido, líquido y gaseoso.

Algunas de las características que poseen las mezclas:

División.- Las mezclas se dividen en dos ramas principales, en mezclas heterogéneas y homogéneas, mismas que a su vez son subdivididas en mezclas simples, suspensiones, coloides y soluciones.

Mezclas heterogéneas son aquellas en las que pueden reconocerse sus diversos componentes debido a la diferencia de las propiedades de cada componente.

Mezclas simples o groseras, en ellas sus componentes se pueden distinguir a simple vista gracias a su tamaño, es el caso de varias sustancias minerales.

Suspensiones en ellas sus partículas son finas y se encuentran suspendidas en un medio líquido (agua u otro líquido), pero se sedimentan al estar en estado de reposo por un tiempo.

Mezclas homogéneas en estas las partículas se pueden distinguir a simple vista o por medio del microscopio.

Coloides, son las mezclas en donde las partículas no son visibles a simple vista (su tamaño oscila entre 1 nm y 1 µm), y no son filtrables.

Soluciones verdaderas, son homogéneas debido a que una vez que están mezclados sus componentes, no se pueden distinguir a simple vista y estos sólo se pueden separar por métodos físicos (filtración, decantación, destilación, etc.).

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Componentes.- Se conforman por una o varias sustancias, mismas que pueden ser elementos distintos mezclados, diversos compuestos, o elementos y compuestos mezclados entre sí.

Proporciones variables de sus componentes.- Sus componentes tienen proporciones variables, en ellas los componentes (elementos o compuestos diversos), conservan sus propiedades químicas y pueden ser separados mediante procedimientos mecánicos y físicos. Un ejemplo de mezcla muy simple de separar sería el caso de una ensalada en donde los diferentes componentes, (lechugas, jitomates, pepinos, o frutas, se pueden separar fácilmente al encontrarse tan solo mezclados (revueltos o combinados entre sí), los diversos componentes que la conforman.

Sus componentes no pierden sus propiedades.- Los materiales de que se conforman estas mezclas no pierden sus propiedades químicas particulares, a diferencia de los compuestos en donde sí existe una interacción química.

La cantidad de componentes es variable.- Los diversos componentes de que están formadas no están siempre presentes en las mismas proporciones, puede haber una mayor o menor cantidad de uno o de varios de los componentes de la mezcla comparativamente a los demás.

Sus componentes se pueden separar por medios físicos.- Los materiales de que están conformadas pueden separarse mediante diversos métodos físicos, como la filtración, la decantación, la destilación, la evaporación, o mediante la acción del calor, como cuando se usa para separar aleaciones de metales, ya que los metales se funden a diferentes temperaturas, o mediante las fuerzas magnéticas como en el caso de el hierro en una mezcla de arena y hierro en polvo, a diferencia de los compuestos en donde debe de haber una reacción química de por medio para poder realizar la separación de los componentes.

Disposición irregular de las partículas.- En muchas mezclas las partículas que la componen se encuentran distribuidas de manera irregular, esto es muy fácil de observar por ejemplo en varias rocas o en la tierra, en donde se puede observar la irregularidad de la distribución de las sustancias de que están compuestas. Esta irregularidad abarca también al tamaño de las partículas, pues usualmente varían de tamaño unas de otras dentro de la misma mezcla.

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Estequiometria

En una reacción química se observa una modificación de las sustancias presentes: los reactivos se consumen para dar lugar a los productos.

A escala microscópica, la reacción química es una modificación de los enlaces entre átomos, por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, pero los átomos implicados se conservan. Esto es lo que llamamos la ley de conservación de la masa, que implica las dos leyes siguientes:

La conservación del número de átomos de cada elemento químico La conservación de la carga total

Las relaciones estequiometrias entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y están determinadas por la ecuación (ajustada) de la reacción.

El primero que enunció los principios de la estequiometria fue Jeremías (1762-1807), en 1792, quien describió la estequiometria de la siguiente manera:

«La estequiometria es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa de los elementos químicos que están implicados (en una reacción química)».

Estequiometría: es la proporción teórica en que se combinan las especies químicas en una reacción química. La ecuación estequiométrica de una reacción química relaciona moléculas o número de moles de todos los reactivos y productos.que participan de la reacción.

Cálculos estequiométricos

Los cálculos estequiométricos se basan en las relaciones fijas de combinación que hay entre las sustancias en las reacciones químicas balanceadas. Estas relaciones están indicadas por los subíndices numéricos que aparecen en las fórmulas y por los coeficientes. Este tipo de cálculos es muy importante y se utilizan de manera rutinaria en el análisis químico y durante la producción de las sustancias químicas en la industria. Los cálculos estequiométricos requieren una unidad química que relacione las masas de los reactantes con las masas de los productos. Esta unidad química es el mol.

Mol

Es uno de los más importantes en la química. Su comprensión y aplicación son básicas en la comprensión de otros temas. Es una parte fundamental del lenguaje de la química. Cantidad de sustancia que contiene el mismo número de unidades elementales (átomos, moléculas, iones, etc.) que el número de átomos presentes en 12 g de carbono 12. Cuando hablamos de un mol, hablamos de un número específico de materia. Por ejemplo si decimos una docena sabemos que son 12, una centena 100 y un mol equivale a 6.022x 10 Este número se conoce como Número de Avogadro y es un número tan grande que es difícil imaginarlo.

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Un mol de azufre, contiene el mismo número de átomos que un mol de plata, el mismo número de átomos que un mol de calcio, y el mismo número de átomos que un mol de cualquier otro elemento.

Mezcla, proporciones y condiciones estequiometrias

Cuando los reactivos de una reacción están en cantidades proporcionales a sus coeficientes estequiométricos se dice:

La mezcla es estequiométrica; Los reactivos están en proporciones estequiométricas; La reacción tiene lugar en condiciones estequiométricas;

Las tres expresiones tienen el mismo significado.

En estas condiciones, si la reacción es completa, todos los reactivos se consumirán dando las cantidades estequiométricas de productos correspondientes.

Si no en esta forma, existirá el reactivo limitante que es el que está en menor proporción y que con base en él se trabajan todos los cálculos.

Ejemplo

¿Qué cantidad de oxígeno es necesaria para reaccionar con 100 gramos de carbono produciendo dióxido de carbono?

Masa atómica del oxígeno = 15,9994.

Masa atómica del carbono = 12,0107.

La ecuación química que representa la reacción química es:

C(s) + O2 g ------ Co2 g

Se tienen las siguientes equivalencias a partir de la reacción química y las masas atómicas citadas:

12,0107 gramos de C = 1 mol de átomo de C

1 mol de átomo de carbono = a un mol de molécula de oxigeno

1 mol de molécula de oxigeno =31,9988, gramos de oxigeno

Esta última relación es consecuencia de la fórmula química del oxígeno molecular (O2)

1 mol de molécula de oxigeno = 2.159994 gramos de oxigeno

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Entonces para determinar la masa de oxígeno podemos realizar los siguientes "pasos": determinamos las moles de átomos de carbono (primer factor), con estas moles fácilmente determinamos las moles de moléculas de oxígeno (segundo factor a partir de coeficientes de la ecuación química), y finalmente obtenemos la masa de oxígeno (tercer factor).

X= 100 g de C. 1 mol de C . 1 mol de O2 . 31,9988 g de O2

12,0107 g de C 1 mol de C 1 mol de O2

Realizadas las operaciones:

x= 266, 41 gramos de oxigeno

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Materias primas Proceso 1 Proceso 2

Proceso 3

Recirculación

Subproducto Gas

Subproducto Sólido o Líquido

©Barrios Quiroz, 2003

Producto Terminado

1.3 Ley de la conservación de la masa

Una de las leyes de básicas de la física es la ley de la conservación de la masa. Esta expresa en forma simple que la masa no puede crearse ni destruirse solo transformarse, por consiguiente la masa total de todos los materiales que entran en un proceso debe ser igual a la masa total de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso.

Entradas = Salidas + Acumulación

Expresado en otras palabras, “lo que entra debe de salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso de estado estable.

Para resolver un problema de balance de materiales es aconsejable proceder mediante una serie de etapas definidas, tales como:

Trácese un diagrama simple del proceso. Este puede ser un diagrama de bloques que muestre simplemente la corriente de entrada con una flecha apuntando hacia dentro y la corriente de salida con una apuntando hacia fuera. Inclúyase en cada flecha composiciones, cantidades, temperaturas, y otros detalles de la corriente. Todos los datos pertinentes deben quedar incluidos en este diagrama.

Escríbanse las ecuaciones químicas involucradas (Si las hay).

Seleccione una base parapara el cálculo. En la mayoría de los casos, el problema concierne a la cantidad específica de una de las corrientes del proceso, que es la que se selecciona como base.

Procédase al balance de materiales. Las flechas hacia dentro del proceso significaran entradas y las que van hacia fuera salidas. El balance puede ser un balance total de materiales o un balance de cada componente presente (cuando no se verifican reacciones químicas).

Ejemplo de diagrama de procesos:

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En toda reacción química la masa se conserva, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos.

Las reacciones químicas no hacen desaparacer átomos ni crean otros nuevos, por tanto: Todos los átomos que aparecen a la izquierda de la ecuación (reactivos) deben aparecer

en las mismas cantidades a la derecha (productos). Ejemplo: 2H2S + SO2 → 3S + 2H2O

También llamada La ley de conservación de la masa o Ley de Lomonósov-Lavoisier en honor a sus creadores. Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Esta ley es fundamental para una adecuada comprensión de la química. Está detrás de la descripción habitual de las reacciones químicas mediante la ecuación química, y de los métodos gravimétricos de la química analítica.

Una salvedad que hay que tener en cuenta es la existencia de las reacciones nucleares, en las que la masa sí se modifica de forma sutil. En estos casos en la suma de masas hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y energía.

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CONCLUSIÓNA lo largo de la presente investigación se concluye que es importante saber que es un balance de materia al igual que tener conocimiento sobre los temas a tratar o profundizarse en ellos. Es fundamental que el alumno(a) o ingeniero(a) debe aprender que los cálculos de balance son casi siempre un requisito previo para todos los demás cálculos al resolver problemas de ingeniería química tanto sencillos como complejos.

En esta investigación se dio a conocer los subtemas de Dimensiones y Unidades, Propiedades de mezcla y estequiometria y la Ley de la conservación de la materia.

El balance de materia sirve para conocer los flujos que entran y salen de una planta (o un sector de ella). Supone que quieras producir un compuesto valioso A a partir de tu materia prima B. 

Es necesario saber el sistema unidades y dimensiones para así poder realizar con facilidad los problemas de balance de materia. Al resolver problemas se tendrá que aplicar cierto criterio ingenieril. Pensamos que las matemáticas son una ciencia exacta, pero la clave del éxito consiste en aplicar un poco de sentido común a la resolución de los problemas.

Toda la teoría que se reunió en este trabajo es con el fin de conocer un poco más los temas tratados.

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BIBLIOGRAFÍAhttp://cef.uca.edu.sv/descargables/2011_12_cursoMAGMA/balance_de_materia_y_energia.pdf

http://www.tesoem.edu.mx/alumnos/cuadernillos/2009.006.pdf

http://www.ejemplode.com/38-quimica/3600-caracteristicas_de_las_mezclas.html

http://www3.fi.mdp.edu.ar/procesosindustriales1/archivos/Balances%20con%20reaccion%20quimica.pdf

http://es.scribd.com/doc/18463344/7-Balance-de-Materia#scribd

http://clickmica.fundaciondescubre.es/conoce/grandes-descubrimientos/18-edad-moderna/153-ley-de-la-conservacion-de-la-materia

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