Capitulo 6

Unidad

6
Introducción

Balances de Masa con Reacción Química

Hasta ahora hemos venido estudiando que la masa de cada compuesto se
conserva. Esto es totalmente válido en aquellos sistemas en los cuales no
hay reacción química, es decir, se trabaja en procesos únicamente físicos.
De ahora en adelante, vamos a comenzar a trabajar con balances de
materiales en sistemas en los cuales sí hay reacciónquímica y, por lo tanto,
“la masa de cada una de las especies ya no se conserva”. Así, se tiene que
hallar una nueva ecuación de balance que tome en cuenta la desaparición
de algunas especies, así como la aparición de otras. Para ello tenemos que
estudiar las ecuaciones químicas o estequiométricas.

Objetivo

Al terminar esta Unidad el estudiante deberá ser capaz de resolver las
ecuaciones debalance de masa de un sistema que no depende del tiempo
pero que tiene presente cambios químicos.

Contenido

Esta unidad consta de los siguientes temas:

Tema

Página

1. Balances de masa con reacción química

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2. Balances por componente con reacciones químicas

158

múltiples

Aura L. López de Ramos, Lourdes Iturralde, José A. Pimentel y Jean-Marie Ledanois

Balances de Masa con ReacciónQuímica…

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Tema 1
Balances de masa con reacción química
Dalton demostró que las sustancias químicas consistían en proporciones
fijas de átomos de diferentes tipos de elementos. De esta manera él
estableció una base lógica para la Ley de las Proporciones Múltiples, la
cual expresa que cuando una sustancia se combina con otra en mayor
proporción, estas proporciones están relacionadas entre sí pornúmeros
enteros. Esta Ley, junto con el concepto de molécula de Avogadro y la
suposición de que los átomos de cada tipo deben conservarse, llevaron al
desarrollo de la ecuación estequiométrica:
aA + bB Æ cC + dD
Esta ecuación lo que expresa es: “a moléculas del compuesto A se
combinan con b moléculas del compuesto B para producir c y d moléculas
de los compuestos C y D respectivamente.” En donde a, b,c y d son los
llamados coeficientes estequiométricos.
Ejemplo:
CO + 3H2 Æ CH4 + H2O
C3H6 + 4O2 Æ 3CO2 + 3H2O

Balances por componente con reacción química

A continuación vamos a estudiar aquellos sistemas en los cuales se produce
únicamente una reacción química. En estos tipos de sistemas los flujos
molares de las especies que entran no son iguales a los que salen. Es decir:
Nsentrada ≠ NssalidaSigue........

150

Principios de Ingeniería Química

151
Continuación de balances de masa con reacción química........

Por ese motivo es necesario definir la razón molar de producción de s (Rs)
como la diferencia entre los flujos de entrada y de salida de la especie s:
Rs = Nssalida -Nsentrada

Fs salida − Fs entrada
Rs =
Ms
en donde Ms es el peso molecular de la especie s.

Velocidad dereacción
A pesar de que ya tenemos una ecuación de balance para cada componente
en sistemas con reacción química, ésta viene expresada en términos de la
tasa de producción de una sustancia dada. Es preferible buscar una
expresión en términos de una reacción dada que sea independiente de la
sustancia elegida como referencia. Para ello definiremos la velocidad de
reacción (r) de cualquier reacciónmediante:

r=

Rs
σs

en donde σs representa el coeficiente estequiométrico de la sustancia s en la
reacción, se le asignará convencionalmente un signo negativo a los
coeficientes de los reactivos y un signo positivo a los de los productos. Las
nuevas ecuaciones de balance serán de la forma:
Nssalida = Nsentrada ± σsr
Fssalida = Fsentrada ± σsMsr
En esta forma, en sistemas donde haya una sola reacciónquímica, se tendrá
únicamente una variable adicional: la tasa o velocidad de reacción r.

Sigue........

Balances de Masa con Reacción Química…

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Continuación de balances de masa con reacción química........

La velocidad de reacción tiene unidades de mol/h y participa en la ecuación
de balance como si fuera un flujo de componente. Por lo tanto, las
ecuaciones de balance son homogéneas no...