Diseño de reactores

LA REACCIÓN QUÍMICA

En el desarrollo de un producto en la industria de procesos químicos el Ingeniero se enfrenta a una serie de preguntas sobre la reacción química: ¿A partir de cuáles reacciones químicas se puede obtener el producto? ¿Cuál o cuáles escoger para diseñar el proceso? Seleccionada una reacción química, ¿a cuáles condiciones de concentración, temperatura y presión se debe operar?Dada una composición de alimento, ¿cuál es la composición final de la masa reaccionante? ¿Cuánto calor se libera o absorbe en la reacción? Puesto que la reacción no procede “más allá” del equilibrio y puesto que, a medida que la reacción se aproxima al equilibrio disminuye la velocidad de reacción, ¿cómo calcular ese límite natural que es el equilibrio? La búsqueda de respuestas a estas y otraspreguntas sobre la reacción química conduce al estudio de la estequiometría, la cinética y la termodinámica de la reacción química. Ese es el objeto de este capítulo. Se trata de un repaso de conceptos y técnicas de cálculo que el lector fácilmente recordará de sus cursos de química básica, estequiometría, fisicoquímica y termodinámica.

2.1 Definiciones Básicas La reacción química y la ecuaciónde la reacción La reacción química es el fenómeno en el que los reactivos se convierten en productos. Cambia la identidad química; se destruyen y reconforman enlaces químicos. Considérese el caso de la producción de ácido nítrico a parir de dióxido de nitrógeno según la reacción:
3NO2 H 2O 2 HNO 3 NO

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La ecuación 1 representa la reacción química: los reactivos, dióxido de nitrógenoy agua, se convierten en productos, ácido nítrico y monóxido de nitrógeno. Adicionalmente, la ecuación 1 contiene información sobre la estequiometría de la reacción: por cada 2 moles de dióxido de nitrógeno que reaccionen, que cambien de identidad química, reaccionará un mol de agua, cambiará la identidad química de un mol de agua, y se formarán, aparecerá una nueva identidad química, 2 moles deácido nítrico, y también se formará, aparecerá otra nueva identidad química, un mol de monóxido de nitrógeno. Principios de conservación de la masa y la energía en las reacciones químicas En las reacciones químicas se cumplen los principios generales de conservación de la masa y de la energía. El principio de conservación de la masa fue establecido por Lavoisier en el siglo XVIII: “en una reacciónquímica, la suma de la masa de los reactivos es igual a la suma de la masa de los productos”. De otra parte, se acostumbra a enunciar así el principio de conservación de energía en las reacciones químicas: la suma de la entalpía de los productos menos la suma de la entalpía de los reactivos es igual al calor de reacción. Balancear la ecuación es encontrar coeficientes estequiométricos tales que secumpla el principio de conservación de la masa. En la ecuación 1, por cada tres átomos de nitrógeno en los reactivos resultan tres átomos de nitrógeno en los productos. Se conserva el número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. Igual ocurre con cada uno de los elementos que participan en la reacción. De la ecuación 1 se puede deducir que la reacción conlleva ladestrucción de enlaces químicos, en los reactivos, y la generación de nuevos enlaces químicos, en los productos. Cada enlace tiene una energía asociada, por consiguiente, cada especie tiene una entalpía molar. Al comparar la suma total de la entalpía de los reactivos y la suma total de la entalpía de los productos, puede ocurrir que los reactivos tengan un mayor valor de entalpía que los productos, en esecaso, al ocurrir la reacción química se libera energía que, puesta en términos de entalpía, se llama calor de reacción, y se calcula como la diferencia de entalpía total de los productos y la entalpía total de los reactivos. Se dice que la reacción es exotérmica y el calor de reacción es negativo. En el caso opuesto, si la entalpía total de los productos es mayor que la entalpía total de los...