Tarea Autónoma 1

Tema:

Líquidos iónicos: Hacia el desarrollo de sistemas sustentables de separación

Objetivo:

Demostrar la utilidad de los liquidos iónicos como solventes en procesos de separación, para el desarrollo de técnicas con un mínimo impacto sobre el medio ambiente.

Introducción:

Los líquidos iónicos han contribuido en el desarrollo de la “Química Verde”, debido a sus peculiares propiedades, se han estudiado sus potenciales aplicaciones. Entre ellas en sistemas de separación por extracción líquido-líquido, ya que tiene un papel importante como disolvente de extractantes para la recuperación de iones metálicos en solución. Poseen gran potencial de aplicación, debido a su muy baja presión de vapor, esto los clasifica como disolventes que no generan contaminación atmosférica.

“Líquido Iónico(LI)”, son sustancias compuestas por aniones y cationes en estado líquido, es decir cualquier sal fundida a cualquier temperatura entra en esta definición. El interés surge por sus singulares propiedades fisicoquímicas como; nula capacidad de evaporarse, por lo que se califica como solventes verdes; capacidad de disolver compuestos orgánicos e inorgánicos; gran estabilidad a altas temperaturas; sustitutos de solventes orgánicos (contaminantes en procesos industriales).

Donde lo primeros estudios sobre LI se dieron entre los años 50-60, siendo producidos y sintetizados sin conocimiento de sus potenciales usos, hasta ahora. Fue hasta 1992 que Wilkes y Zawarotko desarrollan los modernos LI, que no se descomponen en presencia de agua. Esta propiedad dio paso para la experimentación de aplicaciones en diversas áreas de la química. 

La extracción líquido-líquido es un proceso de separación ampliamente utilizado. Sin embargo, emplea diluyentes que generan compuestos orgánicos volátiles. Puesto que los LI se han considerados disolventes sustitutos, debido a su baja presión de vapor.  Se ha evaluado sustituir completamente los compuestos orgánicos volátiles por LI, obteniendo resultados que demuestran la factibilidad de su utilización para este sistema.

En la actualidad, su experimentación crece y se diversifica, buscando mejorar la eficiencia en sus aplicaciones y desarrollando alternativas con menor impacto ambiental. (Cholico-González, y otros 2007)

Tabla resumen de la revisión:

Aplicación	Metodología	Identificación de problemas principales	Resultados	Referencia
Como solventes verdes, abarca un amplio uso, desde la industria petroquímica hasta la industria nuclear. En el ámbito de la química orgánica, se los aplica como medio de reacción en una gran variedad de transformaciones y reacciones químicas.	Tienen la capacidad de disolver compuestos tanto orgánicos como inorgánicos y su alta estabilidad a elevadas temperaturas. Para extracción de iones metálicos requiere la utilización de un extractante de soluto (LI) que debe favorecer la extracción de una de las especies preferentemente que a otra.	Se han mostrado dos vertientes principales, una respecto al estudio de las propiedades de los LI y de los nuevos compuestos sintetizados, y la otra, en cuanto a la búsqueda de su aplicación una vez que se han conocido sus singularidades y características.	La experimentación con los LI crece y se diversifica desarrollando alternativas con menor impacto ambiental. En la actualidad los LI a base de sales de fosfonio, tienen un gran interés debido a su producción a gran escala, lo que permite reducir sus costos y hace posible su uso a nivel industrial.	Cholico González, Diana; Rafael Ríos, Ricardo Navarrete, Imelda Saucedo y Mario Ávila. <<Líquidos iónicos: Hacia el desarrollo de sistemas sustentables de separación. >> 2007. http://entretextos. leon.uia.mx/num/ 14/PDF/E14-Art4.pdf

Conclusiones:

La aplicación de líquidos iónicos seguirá creciendo en diversas áreas, sobre todo en sistemas de separación, para la recuperación de especies de naturaleza diversa. Específicamente los LI derivados de fosfonio, son compuestos que por experimentación han demostrado ser adecuados para sustituir a disolventes convencionales, lo que permitirá desarrollar sistemas de separación sustentables, es decir, con un impacto mínimo al medio ambiente.

Investigación 2

Universidad de Guayaquil

Facultad de Ingeniería Química

Segundo Parcial

Investigación #2

Tema:

Diferencia entre Gas y Vapor

En Física y Química tanto GAS como VAPOR se refieren a sustancias en estado gaseoso, es decir el estado de agregación en que la materia no tiene forma ni volumen propio. La diferencia está en que un vapor puede convertirse en un líquido aumentando suficientemente la presión, mientras que un gas no puede convertirse en un líquido a presión alguna si además no se lo enfría. Todas las sustancias tienen una temperatura crítica que marca la transición entre ambos estados. Por encima de esta temperatura crítica la sustancia es un gas y no puede licuarse (transformarla en un líquido) por compresión. Por debajo de esa temperatura crítica, esa misma sustancia se puede pasar al estado líquido aumentando la presión y se la llama vapor.

Ejemplo:

El nitrógeno tiene una temperatura crítica de -147 ºC (o sea 147 ºC bajo cero) A temperatura ambiente no puede ser transformado en un líquido por más que se lo comprima y se dice que es un gas. Pero si se lo enfría a menos de 147 ºC bajo cero, se puede obtener en estado líquido. En ese caso, del nitrógeno en estado gaseoso a menos de 147 ºC se dice que es un vapor.

El agua tiene una temperatura crítica de 374 ºC. A 100 ºC el agua en estado gaseoso es un vapor, vapor de agua. A más de 374 ºC no, es un gas.

Erróneamente se cree que gas y vapor son lo mismo, ignorando que son sustancias muy diferentes. Existen cuatro estados de la materia: líquido, sólido, plasma y gaseoso. Este último estado se presenta cuando hay mucho espacio entre las moléculas, permitiendo de este modo que las mismas se muevan en diferentes direcciones y constantemente se expandan.

Tomando en cuanta lo que hemos dicho más arriba acerca del estado gaseoso, a continuación, te decimos qué es lo que diferencia al gas del vapor.

Vapor:

Es un gas que se obtiene por evaporación o ebullición del agua líquida o por sublimación del hielo. Es inodoro e incoloro y, a pesar de lo que pueda parecer, las nubes o el vaho blanco de una cacerola o un congelador, vulgarmente llamado "vapor", no son vapor de agua sino el resultado de minúsculas gotas de agua líquida o cristales de hielo.

El vapor es un tipo de gas, pero en todo momento está en constante transición entre el estado gaseoso y el líquido. Es un gas cuando está por debajo de su temperatura crítica, pero puede ser condenado como líquido incrementando su presión sin reducir su temperatura.

También se puede describir al vapor como un estado de equilibrio entre lo líquido y lo gaseoso. Además de líquido su estado puede llegar a ser sólido.

Muy enrarecido, el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental. En ciertas condiciones, a alta concentración, parte del agua que forma el vapor condenso y se forma niebla o, en concentraciones mayores, nubes.

Gas:

Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene, con respecto a los gases las fuerzas gravitatorias y de atracción entre partículas resultan insignificantes.

Por otra parte, un gas es una sustancia que no puede volverse líquida con tan sólo aplicarle presión. A diferencia del vapor (y como habrás notado luego de leer la introducción) uno de los estados de la materia es el gaseoso, pero no se habla de un estado “vaporizado”.

Estados de la Materia

A una temperatura ambiente el gas seguirá siendo gas en su natural estado. Si se quieres cambiar esta fase, entonces es necesario que se cambien tanto la temperatura como la presión.

Diferencia:

La diferencia entre un gas y un vapor son sus propiedades físicas ya que el gas es un estado de la materia y solo cambia su estructura haciéndolo reaccionar ya sea combinándolo o aplicándole algún tipo de energía y el vapor generalmente es el resultado del calentamiento de una sustancia liquida (el agua es la más representativa pero no la única).

Finalmente, los gases se pueden someter a compresión fácilmente, pero no tanto como el vapor; ya que este último se encuentra en un constante estado de transición. Cuando un gas es puesto en un contenedor, éste lo llena y ocupa más espacio que sustancias en estado líquido o sólido.

Las partículas de vapor pueden tener forma definida cuando se les observa bajo microscopio, contrario a las de gas que no tienen forma definida.

Investigación 1

Universidad de Guayaquil

Facultad de Ingeniería Química

Segundo Parcial

Investigación #1

Ø  Efectos de la presión sobre los equilibrios

Principio de Le Chatelier: Un sistema, sometido a un cambio, se ajusta el sistema de tal manera que se cancela parcialmente el cambio.

Factores que influyen en la reacción: Concentración Presión Temperatura.

Presión: Es importante hacer notar, que la presión sólo afecta a aquellos productos o reactivos que se encuentran en fase gaseosa. A mayor presión, el equilibrio tenderá a irse a donde hay menor número de moles. De acuerdo con la ley general del estado gaseoso.

PV=RnT que implica que, a mayor número de moles, mayor presión.

En las reacciones de gas, si no hay cambio en el número de moles, entonces la presión no tiene efecto sobre el equilibrio.

Ejemplos:

1.      Una mezcla gaseosa constituida inicialmente por 3,5 moles de hidrógeno y 2,5 de yodo, se calienta a 400ºC con lo que al alcanzar el equilibrio se obtienen 4.5 moles de HI, siendo el volumen del recipiente de reacción de 10 litros. Calcule: a) El valor de las constantes de equilibrio K_c y K_p; b) La concentración de los compuestos si el volumen se reduce a la mitad manteniendo constante la temperatura a 400ºC.

a) Equilibrio:     H₂ (g) +      I₂ (g)    Á   2 HI (g)

Moles inic.:         3,5             2,5                 0

Moles equil:        1,25           0,25             4,5

Conc. eq(mol/l)   0,125         0,025          0,45

b)  En este caso, el volumen no influye en el equilibrio, pues al haber el mismo nº de moles de reactivos y productos, se eliminan todas las “V” en la expresión de K_C.

Por tanto, las concentraciones de reactivos y productos, simplemente se duplican:

Se puede comprobar como:

2.      En la reacción de formación del amoniaco, hay cuatro moles en el primer miembro y dos en el segundo; por tanto, hay una disminución de volumen de izquierda a derecha:

N2 (g) + 3 H2 (g) Û 2 NH3 (g)

Si disminuimos el volumen del sistema el efecto inmediato es el aumento de la concentración de las especies gaseosas y, por tanto, de la presión en el recipiente. Dicho aumento se compensa parcialmente si parte del N2 y del H2 se combinan dando NH3, pues así se reduce el número total de moles gaseosos y, consecuentemente, la presión total. El equilibrio se desplaza hacia la derecha.

Si aumentamos el volumen ocurrirá todo lo contrario.

3.      Un aumento en la presión de un sistema en que ocurre el siguiente equilibrio.

2 NO2 (g)    ⇄    N2O4 (g)

La reacción se trasladará para el lado con menor número de moles de gas, a fin de atenuar la elevación de la presión. Por otra parte, si la presión disminuye, la reacción se trasladará para el lado con mayor número de moles de gas para ayudar a no reducir la presión.

Disminuye la presión

< ——

2 NO2(g) ⇄  N2O4(g)

—— >

Aumenta la presión

Cuando la reacción alcanza el equilibrio, un aumento de la presión hace con que la reacción prosigo en el sentido del N2O4, porque eso reduce los moles totales de gas presentes y consecuentemente, la presión.

Ø  Efectos de las concentraciones en los equilibrios.

Si una vez establecido un equilibrio varía la concentración de algún reactivo o producto, el equilibrio desaparece y se tiende hacia un nuevo equilibrio.

Las concentraciones iniciales de este nuevo equilibrio son las del equilibrio anterior con las variaciones que se hayan introducido.

De modo que si disminuyera la concentración de algún reactivo: disminuiría el denominador en Q, y la manera de volver a igualarse a K_C sería que aumentase la concentración de reactivos (en cantidades estequiométricas) y, en consecuencia, que disminuyesen las concentraciones de productos, con lo que el equilibrio se desplazaría hacia la izquierda, es decir, se obtiene menos producto que en condiciones iniciales.

Se puede argumentar que, si aumentase la concentración de algún producto, el equilibrio se desplazaría a la izquierda, mientras que, si disminuyese, se desplazaría hacia la derecha.

Ejemplo:

1.      En el equilibrio anterior: PCl₅(g) Á PCl₃(g) + Cl₂(g) ya sabemos que, partiendo de 2 moles de PCl₅(g) en un volumen de 5 litros, el equilibrio se conseguía con 1,45 moles de PCl₅, 0,55 moles de PCl₃ y 0,55 moles de Cl₂ ¿cuántos moles habrá en el nuevo equilibrio si una vez alcanzado el primero añadimos 1 mol de Cl₂ al matraz? (K_c = 0,042)

Equilibrio:                     PCl₅(g)       Á      PCl₃(g)    +       Cl₂(g)
Moles inic.:                   1,45                     0,55                 0,55 + 1
Moles equil.              1,45 + x                0,55 – x             1,55 – x

Resolviendo la ecuación se obtiene que: x = 0,268

Equilibrio:                 PCl₅(g)       Á      PCl₃(g)    +       Cl₂(g)
n_eq (mol)               1,45+0,268          0,55–0,268      1,55–0,268
                                  1,718                  0,282                1,282
conc (mol/l)              0,3436                0,0564              0,2564

El equilibrio se ha desplazado a la izquierda. Se puede comprobar como:

2.      Por ejemplo:

H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g)

Si se añade gas H2 en el recipiente, el equilibrio se desplaza hacia la derecha y el sistema de disminuir la concentración de H2. (Principio de Le Chatelier)

3.      Tres contenedor dado a continuación están en equilibrio con las reacciones dadas.

Si los volúmenes de ellos disminuyeron desde el punto I y II, en la que encontrar equilibrio contenedor se desplaza hacia la derecha.

Solución:

I. En primer contenedor, no hay cambio en el número de moles. Así, la presión no afecta esta reacción.

II. En segundo recipiente, no hay cambio en el número total de moles. Pero, en esta reacción moles de gas en esta reacción disminuye. Así, el equilibrio se desplaza hacia la derecha.

III. Como se puede ver en la reacción, el número de moles de descensos. Por lo tanto el equilibrio se desplaza hacia la derecha.

Ø  Efectos de la temperatura sobre las constantes de equilibrio.

Se observa que, al aumentar T, el sistema se desplaza hacia donde se consuma calor, es decir, hacia la izquierda en las reacciones exotérmicas y hacia la derecha en las endotérmicas.

Si disminuye T el sistema se desplaza hacia donde se desprenda calor (derecha en las exotérmicas e izquierda en las endotérmicas).

Ejemplos:

1.      Si en una reacción exotérmica aumentamos la temperatura cuando se haya alcanzado el equilibrio químico, la reacción dejará de estar en equilibrio y tendrá lugar un desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda (en el sentido en el que se absorbe calor). Es decir, parte de los productos de reacción se van a transformar en reactivos hasta que se alcance de nuevo el equilibrio químico.

Si la reacción es endotérmica ocurrirá lo contrario. 

2.      ¿Hacia dónde se desplazará el equilibrio al: 

a) disminuir la presión? 

b) aumentar la temperatura?

H₂O(g) + C(s) Á CO(g) + H₂(g) (DH > 0)

Hay que tener en cuenta que las concentraciones de los sólidos ya están incluidas en la K_C por ser constantes.

a) Al bajar "p" el equilibrio se desplaza hacia la derecha (donde más moles de gases hay: 1 de CO + 1 de H₂ frente a 1 sólo de H₂O)

b) Al subir "T" el equilibrio también se desplaza hacia la derecha (donde se consume calor por ser la reacción endotérmica).

3.      H₂(g) + I₂(g) ↔ 2HI(g) + Calor

La reacción es exotérmica dada anteriormente. Para mantener la temperatura de equilibrio debe ser constante. Si el calor se da al sistema, según el sistema de principio de Le Chatelier quiere disminuir esta temperatura y desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda o la derecha. Constante de equilibrio de esta reacción: