UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA INGENIERIA QUIMICA- ALIMENTOS

ESTEQUIOMETRIA

Industrialicemos nuestras materias primas, Trabajemos hoy por una Bolivia mejor

EGR. ALFREDO LUIS ROJAS B. AUX. LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL

Alfredo Luis Rojas Barquera

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Contenido 1

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LA UNIDAD DE MOL _______________________________________________ 3 1.1

Átomos y Moléculas ____________________________________________________ 3

1.2

Pesos moleculares y moles _______________________________________________ 3

CALCULOS QUIMICOS_____________________________________________ 4 2.1

Reactivo limitante y reactivo exceso _______________________________________ 5

2.2

Rendimiento de una Reacción ____________________________________________ 7

ESTEQUIOMETRIA EN LA INDUSTRIA ______________________________ 7

Sus objetivos al estudiar este capitulo serán ser capaz de: Definir una unidad de mol. Convertir de moles a masa y viceversa para cualquier compuesto químico, dado su peso molecular. Escribir y balancear ecuaciones de reacciones químicas. Calcular las cantidades estequiometricas de los reactivos y productos dada la reacción química. Definir reactivo en exceso, reactivo limitante, conversión, grado de conversión y rendimiento de una reacción. Mostrar procesos industriales donde se apliquen cálculos estequiometricos.

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LA UNIDAD DE MOL

¿Qué es un mol? La mejor respuesta es que un mol es un cierto numero de moléculas, átomos, electrones u otro tipo de partícula.

1.1 Átomos y Moléculas Aproximadamente 400 a.C., el filosofo griego Democrito sugirió que toda materia estaba formada por partículas minúsculas, discretas e indivisibles, a las cuales llamo átomos. Sus ideas fueron rechazadas durante 2000 años, pero a finales del siglo dieciocho comenzaron a ser aceptadas. En 1808, el maestro de escuela ingles, John Dalton, publico las primeras ideas “modernas” acercas de las existencia y naturaleza de los átomos. Resumió y amplio los vagos conceptos de antiguos filósofos y científicos. Esas ideas forman la base de la teoría atómica de Dalton. Los postulados de Dalton se puede enunciar en la siguiente forma condensada: ¾ Un elemento esta compuesto de partículas pequeñas llamadas átomos ¾ Los átomos de un elemento no pueden crearse, destruirse o transformarse en átomos de otros elementos. ¾ Los compuestos se forman cuando átomos de elemento diferentes se combinan entre si en una proporción fija. ¾ Los números relativos y tipos de átomos son constantes en un compuesto dado

1.2 Pesos moleculares y moles La unidad correspondiente al SI ( Sistema Internacional), y empleada en forma universal por los científicos, es la mol. Esta unidad se define como la cantidad de sustancia que contiene tantas edintidades ( átomos, moléculas u otras partículas) como el numero de átomos en 0.012 Kg. de carbono-12 puro. Múltiples experimentos han ajustado ese número al valor actual de : 1 mol = 6.02245 * 1023 partículas El peso formula ( PF) de una sustancia es la suma de los pesos atómicos (PA) de los elementos de la formula, multiplicados cada uno por el numero de veces en que esta presente el elemento. Es la masa en unidades de masa atómica, uma, de una forma unitaria.

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Los pesos formulas, al igual que los pesos atómicos en los cuales se basan, son masas relativas expresadas en uma. Así para el NaOH se determina como: Na O H

1 * 23.00 uma de Na 1 * 1.01 uma de H 1 * 16.00 uma de O ∑ = 40.01 uma

Ejemplo Si una cubeta de laboratorio contiene 20 Ib de NaOH ( peso molecular = 40 ) a) ¿ Cuantas libras mol de NaOH contiene? b) ¿Cuántos gramos mol de NaOH contiene? Solucion: a) 2 Ib NaOH *

1Ib mol NaOH = 0.050 Ib mol NaOH 40 IbNaOH

b) 2 Ib NaOH *

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454 g 1 g mol NaOH * = 22.7 g mol 40 g NaOH 1 Ib

CALCULOS QUIMICOS

Como ya sabe el lector, la ecuación química proporciona una información tanto cuantitativa como cualitativa indispensable para calcular las cantidades de sustancias que se combinan en un proceso químico. Por tanto la estequiometria se ocupa de estudiar las relaciones cuantitativas entre las masas, volúmenes y el número de moles de moléculas de los reactivos que intervienen en una reacción química y los productos obtenidos. Ejemplo

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Se tiene 10 kg. de Heptano proveniente de una planta de Petroquímica donde reacciona por completo con la cantidad estequiometrica de O2 ¿Cuántos Kg de CO2 se obtendrá como producto? Solución: ¾ Plantear la ecuación química: C 7 H 6 + O2 → CO2 + H 2 O

¾ Igualar la ecuación química

C 7 H 6 + 11O2 → 7CO2 + 8 H 2 O ¾ A partir de la base de calculo relaciones los moles y los coeficientes

estequiometricos para la resolución Base de Calculo: 10 Kg. C7H6 10 Kg C 7 H 6 *

2.1

1 Kg mol C 7 H 6 7 Kg mol CO2 44 Kg CO2 * * = 30.8 Kg .CO2 100.1 Kg C 7 H 16 1 Kg mol C 7 H 16 1 Kg mol CO2

Reactivo limitante y reactivo exceso

¾ Reactivo Limitante Supongamos que estamos preparando un almuerzo para un grupo de escolares; un sándwich de jamón y queso. Para preparar un sándwich necesitaremos dos rebanadas de pan de molde, una loncha de jamón y otra de queso. Hay 45 rebanadas de pan, 25 lonchas de queso y 19 de jamón. Podremos preparar 19 sándwich de jamón y ni uno mas porque no hay mas jamón. Decimos entonces que el jamón es el ingrediente limitante del número de sándwiches preparados. En una reacción química la situación es similar; una vez se haya consumido de los reactivos de la reacción:

2 H 2( g ) + O2[ g ] → 2 H 2 O(l ) Así si queremos obtener a partir de 10 moles de hidrogeno y 7 moles de oxigeno, como la estequiometria de la reacción es 2 moles de hidrogeno reaccionan con 1 mol de oxigeno Industrialicemos nuestras materias primas por una Bolivia mejor

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para dar dos moles de agua, una vez haya reaccionado todo el hidrogeno nos quedara dos moles de O2 y se habrán obtenido 10 moles de agua Al reactivo que se ha consumido en su totalidad en una reacción química se le denomina

reactivo limitante, ya que limita la cantidad de producto formado. Así en el ejemplo el H2 era el reactivo limitante, ya que con los 7 moles de oxigeno podríamos haber obtenido 14 moles de agua

¾ Reactivo en exceso Al resto de reactivos, presentes en mayor cantidad que la necesaria para reaccionar con la cantidad del reactivó limitante, se les denomina reactivos en exceso.

Ejemplo Considere la siguiente reacción:

2 NH 3( g ) + CO2( g ) → ( NH 2 )2 CO(ac ) + H 2 O(l ) Suponga que mezclar 637.2 g de NH3 con 1142 g de CO2 . ¿Cuántos gramos de urea (NH2)2CO se obtendrán?

¾ Primero convertir los gramos de reactivos en moles 637.2 g NH 3 *

1 mol NH 3 = 37.42 moles NH 3 17.03 g NH 3

1142 g CO2 *

1 mol CO2 = 25.95 moles CO2 44.01 g CO2

¾ Definir las proporciones estequiometricas

CO2 1 = NH 3 2 CO2 25.95 0.69 = = NH 3 37.42 1 ¾ Comparación de relaciones molares

Podemos decir que el CO2 es el reactivo limitante y el exceso es el NH3 25.95 mol CO2 *

1mol ( NH 2 )2 CO = 25.95 moles ( NH 2 )2 CO 1 mol CO2

¾ Convertir en masa

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25.95 mole ( NH 2 ) 2 CO *

2.2

7 60.6 g ( NH 2 )2 CO =1572.6 g ( NH 2 )2 CO 1 mol ( NH 2 ) 2 CO

Rendimiento de una Reacción

La cantidad de producto que se obtiene si reacciona todo el reactivo limitante se denomina el rendimiento teórico de la reacción. La cantidad de producto que se obtiene realmente en una reacción es el rendimiento real Rendimiento real < Rendimiento teórico

Razones para explicar la diferencia entre rendimiento real y teórico: ¾ Muchas reacciones son reversibles, de manera que no s e proceden al 100 % de

izquierda a derecha. ¾ Aun cuando la reacción se completa en un 100%, resulta difícil recuperar todo el

producto del medio de la reacción ( como sacar toda la mermelada de un bote) ¾ Los productos formados pueden seguir reaccionando entre si o con los reactivos,

para formar todavía otros productos. Estas reacciones adicionales reducen el rendimiento de la primera reacción. El rendimiento porcentual o porcentaje de rendimiento describe la relación del rendimiento real y el rendimiento teórico: Porcentajede ren dim iento =

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Re n dim iento real *100% Re n dim iento teorico

ESTEQUIOMETRIA EN LA INDUSTRIA

Planificar procesos para con llevar a ecuaciones químicas es dar participación a la estequeometria para realizar cálculos en la industria como ser rendimientos de reacción, determinación de la masa de reactivos y productos. La estequiometria es la arma de un laboratorista, para que realice cálculos estequiometricos en la determinación de algún analito, preparación de reactivos, etc. Así en Vidriolux Industrialicemos nuestras materias primas por una Bolivia mejor

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¿Calcular cuanta arena sílicea , sosa calcinada y caliza calcinada se requiere para obtener 24 toneladas de vidrio en Vidriolux y cuya formula aproximada es Na2O.CaO6.SiO2? considerar que el rendimiento en la calcinación de la sosa es de 75 % y para la caliza es de 90 %. ¾ Definir la ecuación química

6 SiO2 + Na 2 O + CaO → Na 2 O.CaO.6 SiO2 silice

sosa

caliza

SiO 2 → Silice Na 2O + CO 2 → Na 2CO3 CaO + CO 2 → CaCO 3

¾

Relacionar estequiometricamente tomando como base de calculo las 24 toneladas de vidrio

24 Ton vidrio *

1 Ton mol vidrio  6 Ton mol SiO 2  60 Ton SiO 2 * = 18.07 Ton SiO 2 * 478 Ton vidrio  1 Ton mol vidrio  1 Ton mol SiO 2

24 Ton vidrio * 24 Ton vidrio *

1Ton mol vidrio  1 Ton mol Na 2 O  62 Ton Na 2 O 100% * * * = 4.15 Ton Na 2 O 478 Ton vidrio  1 ton mol vidrio  1 Ton mol Na 2 O 75%

1Ton mol vidrio  1 Ton mol CaO  56 Ton CaO 100% * * * = 3.12 Ton CaO 478 Ton vidrio  1 ton mol vidrio  1 Ton mol CaO 90%

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PROYECTOS BOLIVIANOS PARA PRODUCIR FIERRO Y ACERO UTILIZANDO GAS NATURAL REFORMADO.

La directa correlación que existe entre el consumo del acero y el desarrollo económico de un país es un hecho firmemente establecido en el mundo. Consecuentemente, las perspectivas del crecimiento futuro de la economía boliviana estarán estrechamente ligadas al desarrollo siderúrgico, especialmente si el país cuenta con el Mutun, una de las reservas más grandes de menas de hierro en Sudamérica. Un índice muy elocuente de la relación de la siderurgia con la economía general de un país es la relación entre el consumo del acero y el producto bruto interno. Es así que, tanto en los países desarrollados y con tradición de producción siderúrgica, como en casi todos los países en desarrollo deseosos de dar una base sólida a sus programas de industrialización y de ocupación de mano de obra, el conseguir el abastecimiento fluido de acero se ha convertido en el eje de una política moderna. En la década de los 70, durante el gobierno de Banzer la empresa estatal SIDERSA contrató a consultores extranjeros para la elaboración de estudios de factibilidad con consultoras americanas para la producción de fierro y acero utilizando las enormes reservas de hematita del Mutum que actualmente se ubican en 4.000 millones de toneladas con una ley del 50% Fe. En efecto, desde 1972 han sido muchos los estudios técnico-económicos que se han realizado sobre los yacimientos ferríferos bolivianos. Sin embargo, en opinión del autor, sólo tres estudios tienen bastante detalle de análisis sobre los aspectos técnico-económicos del yacimiento, ellos son: “Oportunidades para la Producción de Acero en Bolivia”, Realizado por la

consultora Arthur D. Little, Inc. de USA, en asociación con Prudencio Claros y Asociados de Bolivia. Informe Final Agosto de 1972. “Estudio Preliminar de Reservas, Minería, Concentración e Instalaciones del Depósito de Hierro Bolivia”. Realizado por la consultora Káiser Engineers, USA para

SIDERSA. Informe Final Julio de 1978.

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El Gobierno de Banzer gastó alrededor de 11 millones de dólares americanos en los 2 estudios, pero por razones de una falta de definición de una política nacional respecto a la industrialización del hierro del Mutun y como aún no se conocían las reservas de gas natural en los campos bolivianos, estos proyectos fueron postergados por el Gobierno de Banzer. Posteriormente, en 1984, la Unidad Promotora del Hierro y Acero de Santa Cruz, contrata los servicios de la consultora brasilera COBRAPI y su informe tiene el siguiente título: —

“Estudio de Minería, Concentración y Reducción del Fierro del Depósito del

Mutun, Bolivia”. Realizado por la consultora brasilera COBRAPI para SIDERSA. Informe

Final Julio de 1985. Este estudio costó 650 mil dólares americanos y nuevamente fue postergado por razones geopolíticas del Gobierno de Paz Estensoro. Parecen haber existido motivos fundamentales para esta falta de definición, entre ellas: (a)

En el pasado, una falta de definición de SIDERSA para lograr una política

siderúrgica nacional. Esta falta produjo innumerables estudios e informes, en ocasiones contradictorios, con una consecuente dispersión de esfuerzos y fondos económicos, sin arribar a definiciones que permitan al Gobierno de turno decidir el camino más adecuado para la explotación de nuestros recursos ferríferos. (b)

El mantenimiento de los objetivos argentinos y paraguayos a la importación de

Bolivia de solo concentrados de fierro. Desde el punto de vista del interés de Bolivia, la sola exportación de materia prima no es comercialmente interesante y no justifica económicamente el riesgo de una elevada inversión. (c)

El bajo consumo boliviano de hierro y acero (apenas de 100.000 tons/año en la

actualidad), comparado con los países vecinos, lo que no hace atractiva la inversión de capital en la instalación de hornos de fundición y de acería en el país. (d)

La situación de una sobre-oferta mundial de hierro y acero, por la constante baja en

el consumo de estos materiales en los países altamente desarrollados, v.g. Japón, USA, Europa, hecho que induce a bajar los precios mundiales de estos materiales.

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Pero, las razones expuestas no deberían ser el fundamento primario para no desarrollar una siderurgia nacional. La historia nos demuestra que los países europeos (v.g. Alemania, Francia e Italia) comenzaron con producciones modestas de hierro y acero sólo para satisfacer sus necesidades internas y recién luego se proyectaron al mercado internacional. Lo mismo ocurrió en el Brasil, Argentina y Chile hasta no hace poco; sólo en Venezuela se proyectó desde el principio una siderurgia para la exportación.

5.1. Tratamiento Metalúrgico Previo a la Reducción Directa del Fierro. En los estudios citados existe concordancia en los datos que se dan sobre las leyes de la mena de Mutun; en efecto la mena tiene un contenido de 50 % Fe, 26 % de sílice y 0,05 % P. Esta calidad de mena es muy pobre en contenido de fierro y un tanto alta en sílice, pero excelente en contenido de P. Generalmente, las acerías exigen concentrados de leyes mayores a 65 % Fe, por lo que casi siempre las menas de fierro tienen que ser beneficiadas previamente para ser enviadas al horno de reducción y ese es el caso del Mutun El beneficio de menas de fierro no es difícil. Comienza con una reducción de tamaño (trituración y molienda) de la mena entregada por la mina, seguido de una tamización, lavado y separación por cualquiera de los siguientes tres métodos: gravítico (espirales de Humphrey), por flotación catiónica (con aminas primarias como colectores) o por separación magnética de alta intensidad (tipo Jones), el proceso depende de la naturaleza física y mineralógica de la mena. (ver Figura 4) El mineral concentrado con una ley > 65 % Fe deberá ser peletizado o aglomerado antes de ser enviado al horno de reducción. La peletización se efectúa mezclando una cantidad pequeña de aglomerante (bentonita o hidróxido de cal) con el mineral concentrado y luego sarandeado en tambores rotatorios o “pailas” especialmente diseñadas; hay que controlar el contenido de humedad por debajo del 10 %. Los pellets “verdes” son quemados en un horno a 1.200oC dando un producto mecánicamente resistente para aguantar el tratamiento metalúrgico de reducción directa con gas reformado. Tradicionalmente, la reducción del mineral hematítico peletizado se realiza por reducción directa a metal con gas reformado por el proceso MIDREX. En la fabricación de acero, es más conveniente utilizar el Horno Eléctrico por ser el más eficiente. En todo caso, será absolutamente necesario realizar pruebas de laboratorio para definir la tecnología a ser Industrialicemos nuestras materias primas por una Bolivia mejor

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adoptada y establecer los parámetros operacionales del proceso. Nunca ha sido aconsejable diseñar y construir plantas en base a datos extrapolados de otras experiencias, la práctica de una buena ingeniería debe estar siempre basada enteramente en datos generados en pruebas con insumos y condiciones locales.

Reducción Directa del Fierro con Gas Natural Reformado. La reducción directa del fierro utilizando gas natural reformado es un proceso muy conocido en el mundo, y muchos países productores de acero (v.g. USA, Canada, Ucrania, Brazil y Venezuela) producen actualmente alrededor de 10 millones de toneladas año de fierro y acero con esa tecnología. El proceso de reducción directa del fierro a partir del concentrados de hematita utilizando gas natural reformado como reductor se desarrolla en dos etapas bien definidas que son:

• Reforma. En esta etapa el gas natural se hace reaccionar con vapor de agua en presencia de un catalizador de níquel. El gas natural así reformado produce tres moléculas de hidrógeno y una de monóxido de carbono.

CH4 + H2O

------> 3 H2 + CO

Esta reacción es muy eficiente con rendimientos mayores al 90%.

• Reducción de Fierro. En esta etapa, tanto el hidrógeno molecular y el monoxido de carbono producidos son utilizados directamente para reducir la hematita en un horno de retorta a 1.600oC mediante las siguientes reacciones:

Fe2O3 + 3 H2 ------> Feo ( 4-5%C) + H2O Fe2O3 + CO ------> Feo ( 4-5%C) + CO2 Este proceso produce el llamado “fiero esponja” con un contenido de carbono entre 4 a 5 % y fue desarrollado por HYLSA de México en la década de los 60 y posteriormente la norteamericana MIDREX adquirió la tecnología para comercializarla mundialmente a partir de la década de los 80. Según la consultora americana A. D. Little, el costo de inversión para la planta de tratamiento metalúrgico sería de $US 160 millones. Industrialicemos nuestras materias primas por una Bolivia mejor

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Producción de Acero En esta etapa, el fierro esponja es enviado a un horno eléctrico con electrodos de grafito, donde se insufla aire comprimido para rebajar el contenido de carbono del fierro esponja. Luego esta mezcla es sometida a una temperatura de 800oC para producir acero según la siguiente reacción:

Feo ( 4-5%C) + O2

------> Fe—C ( 2%C) + CO2

El acero así producido con un rendimiento mayor al 90% y es totalmente comerciable con el nombre de palanquilla, que es luego utilizado como materia prima para su transformación en otros derivados del acero (v.g. acero inoxidable). Por ejemplo, Aceros TESA de Oruro compra palanquilla del Paraguay la Argentina para luego transformarlo en diversos productos comerciables.

Costos de Inversión. Según los expertos, la inversión en una planta de fierro para producir un millón de toneladas año por el proceso MIDREX llega alrededor de los $US 640 millones. Sólo que en el caso Boliviano la mayor parte del fierro y acero así producidos tendrá que ser exportado porque el consumo nacional es de apenas 100 mil toneladas año para los dos productos combinados. Aún así, es importante mencionar que debemos seguir adelante con el proyecto porque el precio que se paga en Bolivia por un kilogramo de hierro de construcción ($US 1,0) es en realidad el precio que tiene un kilogramo de acero especial en el Brasil o en Venezuela. No podemos seguir gravando onerosamente la economía del pueblo boliviano, especialmente si tenemos yacimientos de hierro que son técnica y económicamente viables de explotarlos.

OBTENCION DEL HIERRO El tratamiento preliminar del mineral de fierro ( Fe2O3) para concentrarlo en contenido de Fe se realiza generalmente por flotación o separación magnética de alta intensidad (HIMS). El concentrado comercial contiene 68 % y se peletiza en gran parte para conseguir un tamaño de fragmentos los mas homogéneos posibles que sean resistentes mecánicamente

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para la introducción en el alto horno. La figura siguiente muestra un flujograma del proceso que se sigue para la producción de concentrado, fierro colado y acero colado

Hematina 50 % Fe

Colector Cationico

Espumante MIBC

(mina Primaria) Flotación

Concentrado 68% Fe Reducción (Horno Retorta)

Fierro Esponja 4-5 % C

Laminado, Troquelado

Fierro Laminado 4-5% C

Fierro perfilado de construcción

Aceracion

Palanquilla Acero dulce