Balance de materia y energia

UNIDAD 3.- BALANCES DE MATERIA EN SISTEMAS REACTIVOS.

ESTEQUIOMETRÍA
Es la parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas entre las sustancias que intervienen en una reacción química (reactivos y productos).
Estas relaciones pueden ser:
mol-mol
mol-gramos
gramos-gramos
mol-volumen
volumen-gramos
volumen-volumen
Las relaciones pueden ser: entre reactivos y productos,sólo entre reactivos o sólo entre productos.
Cualquier cálculo estequiométrico que se lleve a cabo, debe hacerse en base a una ecuación química balanceada, para asegurar que el resultado sea correcto.
Ejemplos
1.- ¿Cuántas moles de H2O se producirán en una reacción donde tenemos 1,57 moles de O2, suponiendo que tenemos hidrógeno de sobra?

El cociente:

es la relación estequiométrica entreel H2O y el O2 de la ecuación ajustada de esta reacción.

FACTOR MOLAR
Es una unidad química usada para expresar la concentración de soluto en solvente. Nos expresa la proporción en que se encuentran los moles de soluto con respecto a los moles totales de solución, que se calculan sumando los moles de soluto(s) y de disolvente. Para calcular la fracción molar de una mezcla homogénea, se empleala siguiente expresión:

También puede expresarse así:

Donde nsol serían los moles de soluto y ndisol los moles de la solución completa y, todo esto, multiplicado por 100.
Ejemplo
Solución Agua - Etanol 96%

Para conocer la fracción molar de por ejemplo el alcohol en la mezcla anterior, necesitamos conocer el peso molecular de los componentes de la mezcla:

PM Agua = 18 g /mol
PMEtanol = 42 g/mol

moles de etanol = 96 / 42 = 2.285 moles
moles de agua = 4 g / 18 = 0.2222 moles

suma de moles agua + moles etanol = 2.508 moles

Por lo tanto, la fracción molar del etanol es:

x(etanol) = 2.285 / 2.508 = 0.911

REACTIVO LIMITANTE Y REACTIVO EN EXCESO
Cuando se ha ajustado una ecuación, los coeficientes representan el número de átomos de cada elemento en los reactivosy en los productos. También representan el número de moléculas y de moles de reactivos y productos. 
Cuando una ecuación está ajustada, la estequiometria se emplea para saber las moles de un producto obtenidas a partir de un número conocido de moles de un reactivo. La relación de moles entre reactivo y producto se obtiene de la ecuación ajustada. A veces se cree equivocadamente que en lasreacciones se utilizan siempre las cantidades exactas de reactivos. Sin embargo, en la práctica lo normal suele ser que se use un exceso de uno o más reactivos, para conseguir que reaccione la mayor cantidad posible del reactivo menos abundante. 
Reactivo limitante
Cuando una reacción se detiene porque se acaba uno de los reactivos, a ese reactivo se le llama reactivo limitante. 
Aquel reactivo que seha consumido por completo en una reacción química se le conoce con el nombre de reactivo limitante pues determina o limita la cantidad de producto formado.
Reactivo limitante es aquel que se encuentra en defecto basado en la ecuación química ajustada.
EJEMPLOS
Ejemplo 1:
Para la reacción:

¿Cuál es el reactivo limitante si tenemos 10 moléculas de hidrógeno y 10 moléculas de oxígeno?Necesitamos 2 moléculas de H2 por cada molécula de O2
Pero tenemos sólo 10 moléculas de H2 y 10 moléculas de O2.
La proporción requerida es de 2 : 1
Pero la proporción que tenemos es de 1 : 1
Es claro que el reactivo en exceso es el O2 y el reactivo limitante es el H2
Como trabajar con moléculas es lo mismo que trabajar con moles. 
Si ahora ponemos 15 moles de H2 con 5 moles de O2 entonces como laestequiometria de la reacción es tal que 1 mol de O2 reaccionan con 2 moles de H2, entonces el número de moles de O2 necesarias para reaccionar con todo el H2 es 7,5, y el número de moles de H2 necesarias para reaccionar con todo el O2 es 10.
Es decir, que después que todo el oxígeno se ha consumido, sobrarán 5 moles de hidrógeno. El O2 es el reactivo limitante
Una manera de resolver el...