El principio de Conservación de la Materia (Balance de Materia)

La ley de conservación de la materia, conocida también como ley de conservación de la masa o
simplemente como ley Lomonósov-Lavoisier (en honor a los científicos que la postularon),
es aquel principio de la química que plantea que la materia no se crea ni se destruye durante
una reacción química, sólo se transforma.

Esto significa que las cantidades de las masas involucradas en una reacción determinada
deberán ser constantes a lo largo de la misma, es decir, no habrán cambiado en sus proporciones
cuando la reacción culmine, aunque sí se pueden haber transformado.

Postula que la cantidad de materia antes y después de una transformación es siempre la misma.
Es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. 
Se resumen con la célebre frase: “nada se pierde, nada se crea, todo se transforma”.

La materia es el término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los
atributos de gravedad e inercia.

La ley se puede enunciar como «En una reacción química ordinaria la masa permanece constante
es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos».

Una salvedad que hay que tener en cuenta es la existencia de las reacciones nucleares, en las que
la masa sí se modifica de forma sutil, en estos casos en la suma de masas hay que tener en cuenta
la equivalencia entre masa y energía.

Esta ley es fundamental para una adecuada comprensión de la química. Está detrás de la descripción
habitual de las reacciones químicas mediante la ecuación química, y de los métodos gravimétricos
de la química analítica.

Análisis de problemas de balance de materia

En general para abordar un problema de balance de materia se pueden seguir los pasos que
se señalan a continuación :

1.- Interpretar adecuadamente el enunciado del problema.

Conviene leer el problema varias veces para comprenderlo y asimilarlo bien. Tratar de
identificar qué datos son conocidos y cuáles desconocidos. Si existe una o más reacciones
químicas involucradas o por el contrario no hay ninguna. Si se conocen bien todas y cada
una de las sustancias químicas que intervienen (elementos químicos y fórmulas de las
moléculas) y que cambios pueden sufrir en las condiciones a que van a ser sometidas.

Se presupone siempre que las condiciones son estacionarias, es decir, independientes
del tiempo y que no existe acumulación de masa en los equipos del proceso, de manera
que la entrada de materia tiene que ser igual a la salida conservándose los principios que
se indicaron más arriba.

Es preciso desarrollar el sentido común y los conocimientos de química para aventurar hipótesis
correctas como por ejemplo que en toda combustión de una sustancia orgánica a alta
temperatura y con aire suficiente todo el carbono se convierte en dióxido de carbono,
todo el hidrógeno en agua, todo el azufre en anhídrido sulfuroso y todo el nitrógeno en
nitrógeno molecular. Se considera por lo tanto, salvo indicación expresa, despreciable
la formación de CO y de NOx.

Existen una serie de datos implícitos que se consideran conocidos "a priori" como la
composición del aire (79% N2 y 21% O2) en el que se asimilan los gases inertes contenidos
en el aire por simplificación a nitrógeno. La ecuación de estado de un gas perfecto PV = nRT,
se supone válida y general para cualquier gas, lo que permite que 1 mol de cualquier gas
ocupe 22,414 litros en condiciones normales ( 1 atm y 0ºC o 273ºK). También debe
considerarse que toda composición gaseosa se expresa habitualmente en % en volumen porque
se suele analizar así, además por lo señalado antes el % molar y el % volumétrico coinciden
a cualquier presión y temperatura.

2.- Dibujar un diagrama de flujo

En el que se representen las corrientes de entrada y salida por flechas y las operaciones
o procesos como cajas rectangulares . En ellas tendrán lugar por ejemplo reacciones
químicas o procesos de mezcla o separación con una o varias entradas y en general una
o varias salidas a veces con distintas fases : líquida, sólida o gaseosa.

3.- Colocar en el diagrama los datos conocidos y desconocidos.

En las corrientes de entrada y salida del diagrama de flujo se identifican las sustancias
químicas, fases y se indican las composiciones en caso de ser conocidas y las cantidades
de flujo de materia de las sustancias que sean datos en el problema.

4.- Colocar en las cajas del diagrama las reacciones ajustadas y rendimientos de operación.

En caso de existir una o varias reacciones se ajustarán y asignarán a los procesos
correspondientes así como su rendimiento o eficiencia tanto para aquéllas como
para los procesos de separación.

5.- Seleccionar una base sencilla para los cálculos.

Dado que en general las reacciones entre sustancias químicas proceden en general
de forma sencilla en moles ( número de veces en que está contenido el peso molecular
de la sustancia en gramos), resulta cómodo elegir 1 o 100 moles como referencia o
bien 1 o 100 Kmol del reactante principal o del más complejo si se conoce su composición
molar, como base de cálculo.

6.- Inspeccionar el diagrama y leer de nuevo el enunciado.

Conviene de nuevo identificar las sustancias químicas y las corrientes del proceso y
comprobar las composiciones y datos conocidos y desconocidos o sujetos a alguna
condición particular.

Técnicas de solución. Enlazando con el método anterior se seguirían los pasos siguientes :

7.- Desarrollar un balance de materias parcial o total

Para cada elemento químico o sustancia que no reacciona se puede establecer un balance que
iguale la entrada a la salida. Para ello conviene empezar con las sustancias más fáciles, es decir,
aquellas que estén en una sola fase o una corriente única o bien que no reaccionen como sucede
con los componentes inertes, cenizas etc. Por ejemplo el balance de nitrógeno en los procesos de
combustión de hidrocarburos con aire, permite relacionar rápidamente las corrientes de entrada
y salida.

Aunque normalmente se puede plantear los balances de muchas maneras, una solución muy
frecuente es hacerlo como ecuación matemática por elemento químico que iguale la suma de
moles de entrada de cada sustancia que contenga el elemento en cuestión a la suma de moles
de sustancias de salida que contengan dicho elemento, en ambos casos se afectará a cada sustancia
de un factor dado por el número de veces que el elemento aparezca en la molécula.

Cuando existe un exceso de reactante, puede ser conveniente calcular la cantidad que queda
después de la reacción por diferencia entre el valor inicial y la cantidad que ha reaccionado de
acuerdo con la estequiometría de las reacciones que tengan lugar.

8.- Resolución del sistema de ecuaciones.

El sistema de ecuaciones expresado por los balances elementales se resolverá por los métodos
habituales de resolución de sistemas de ecuaciones líneales (p.ej. método de eliminación de Gauss).

9.- Comprobar que la solución es lógica y no hay errores.

Mediante la realización de un balance global de materia se puede comprobar que las masas
totales entrante y saliente son iguales. Esta condición es redundante y combinación lineal de
la suma de todos los balances elementales pero puede servir de prueba de que no hay errores.

Asimismo conviene desconfiar de los resultados obtenidos muy pequeños o muy grandes.

Balance de materia en los que no intervienen reacciones químicas.

Al efectuar balances de masa en estado estacionario, hay dos formas básicas de expresar los
flujos que intervienen en el proceso como variables. Se pueden plantear balances de masa
globales (BMG), que involucran las diferentes corrientes que entran o salen del sistema, o
balances de masa particulares (BMP) para cada uno de los componentes del mismo.

Por ejemplo, analicemos el sistema constituido por el evaporador, supuesto en estado
estacionario y sin reacción química.

- Balance de materia con reacciones químicas

Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determinar la
composición de los humos en % base seca.

1.- El metano es un gas a temperatura ambiente, si se quema con aire suficiente
se convierte en CO2 y H2O. En la salida que serán los humos aparecerá por lo
tanto CO2 , H2O, N2 y O2 por haber aire excedente. No aparecerá el metano CH4
porque la reacción con aire suficiente se considera completa. El exceso se supone siempre
sobre la cantidad estequiométrica.

La base más cómoda de cálculo está en el enunciado y es 1 Kmol de CH4.

7.- Existe una condición particular que liga el oxígeno estequiométrico con el aire total
que entra (exceso del 20%) :

Oxígeno estequiométrico : 2 Kmol ya que la reacción requiere 2 moles de oxígeno por
mol de metano.

Aire necesario de entrada : 2·1,2/0,21 Kmol.

Resulta cómodo calcular el oxígeno que sale por diferencia entre el que entra y el que
ha reaccionado :

O2 a la salida Kmol = 2·1,2 - 2 = 0,4 Kmol.

Balance de Carbono :

A la entrada : CH4 : 1 Kmol = CO2 a la salida. Por lo tanto CO2 = 1 Kmol.

Balance de Nitrógeno :

A la entrada 2· 1,2·0,79/0,21 Kmol = N2 a la salida.

Balance de Hidrógeno :

A la entrada (1Kmol CH4) · 4 = H2O ·2 en salida

H2O = 2 Kmol en la salida, aunque al pedir la composición en base seca no es necesaria.

8.- La composición molar queda :

CO2 : 1·100/(0,4 + 1 + 9,02) = 9,59 %

N2 : 9,02·100/(0,4 + 1 + 9,02) = 86,57 %

O2 : 0,4·100/(0,4 + 1 + 9,02) = 3,84 %

9.- Comprobación :

Masa a la entrada : 1 Kmol CH4 · 16 + 2,4 Kmol O2 · 32 + 2,4 · 0,79/0,21 Kmol N2· 28 = 345,6 Kg.

Masa a la salida : 1 Kmol CO2 · 44 + 2,4 · 0,79/0,21 Kmol N2· 28 + 0,4 Kmol O2 · 32 +

2 Kmol H2O · 18 = 345,6 Kg

El resultado es por consiguiente correcto.

Balance de materia con múltiples subsistemas.

En sistemas de múltiples unidades se puede formular un conjunto más amplio de

ecuaciones de balance. Por cada unidad del proceso es posible plantear tantas ecuaciones
de balance por componentes como componentes hay (una ecuación por cada componente)
más una ecuación de balance global (por unidad). Por cada frontera que agrupe dos o más
unidades también se puede hacer lo mismo, así como para el sistema total.

Es importante determinar cuántas incógnitas hay en el problema y cuáles ecuaciones son
independientes. Hay que verificar que el subsistema (o sistema total) analizado tiene cero
grados de libertad, antes de escribir las ecuaciones. La idea sigue siendo comenzar a resolver
el problema formulando las ecuaciones de balance que involucren el menor número de incógnitas.
Véanse los ejemplos siguientes.

Procesos con corriente de reciclo, derivación y purga

Se presenta recirculación cuando uno de los productos de una unidad se devuelve a
otra unidad anterior:

En este caso la alimentación (A) a la primera unidad es igual a la alimentación fresca (AF)
al proceso más la recirculación (R). Existen varias razones  para utilizar la recirculación
en un proceso químico, como por ejemplo: recuperación y utilización de reactivos no consumidos,
recuperación de catalizadores, dilución de un flujo de un proceso, circulación de un fluido de
trabajo como en los refrigeradores.

Se presenta desviación (o bypass) cuando una fracción de la alimentación a una unidad del
proceso se desvía de la unidad y se combina con el flujo de salida de la misma o de otra
unidad posterior. Generalmente, la finalidad de utilizar la desviación es influir en la composición
y las propiedades del producto.

Se presenta purga cuando una fracción de la re circulación  se extrae del proceso  para eliminar
una acumulación de materiales inertes o indeseados.

Los cálculos de desviación, re circulación y purga se realizan de la misma manera: se dibuja
y se etiqueta el diagrama de flujo y se usan los balances generales, los balances de las unidades
del proceso y los balances alrededor del punto de mezclado para determinar las incógnitas del
problema

n8 Sistemas Binarios (Equilibrio S-L y L-L)

El equilibrio de fases es el estudio del equilibrio que existe entre o en los diferentes estados de materia;
es decir sólido, líquido y gas.
El equilibrio se define como una etapa cuando el potencial químico de cualquier componente presente
en el sistema permanece estable con el tiempo.

La fase es una región en la que la interacción intermolecular es espacialmente uniforme o en otras palabras las propiedades físicas y
químicas del sistema son iguales en toda la región. Dentro del mismo estado, un componente puede existir en
dos fases diferentes, como los alótropos de un elemento.
Además, dos compuestos inmiscibles en el mismo estado líquido pueden coexistar en dos fases.

El equilibrio de fases tiene una amplia gama de aplicaciones en industrias que incluyen la producción de diferentes
alótropos de carbono, la reducción del punto de congelación del agua mediante la disolución de sal (salmuera),
la purificación de componentes por destilación, el uso de emulsiones en la producción de alimentos, la industria farmacéutica, etc.

El equilibrio sólido-sólido ocupa un lugar especial en la metalurgia y se utiliza para hacer aleaciones de diferentes propiedades físicas y químicas.
Por ejemplo,
el punto de fusión de las aleaciones del cobre y la plata es más bajo que el punto de fusión del cobre o de la plata.

Para sistemas binarios, de dos componentes, las condiciones de presión y temperatura para las cuales están en equilibrio dos fases (líquida y gaseosa) se transforma
en un área. Y cada componente tiene una partición de equilibrio en las fases liquida y gaseosa. Es decir para cada componente existen
n moles en la fase liquida, que están en equilibrio con n moles en la fase gaseosa, a determinada condición de presión y temperatura.

Cuando revisamos el diagrama de fases de un componente puro, como el agua (H2O) o el dióxido de carbono (CO2), se observa que existen lugares
en el grafico de presión vs temperatura donde están en equilibrio dos y hasta tres fases, En el caso de dos fases la zona de equilibrio se restringe
a una simple línea, y en el caso de la tres fases a un solo punto.

Para sistemas binarios, de dos componentes, las condiciones de presión y temperatura para las cuales están en equilibrio dos fases (liquida y gaseosa)
se transforma en un área. Y cada componente tiene una partición de equilibrio en las fases liquida y gaseosa. Es decir para cada componente existen n
moles en la fase liquida, que están en equilibrio con n moles en la fase gaseosa, a determinada condición de presión y temperatura.

A una determinada temperatura el sistema se encuentra en fase 100% liquida por encima de la curva
de presión de burbujeo.
Y se encontrara en fase 100% gas por debajo de la curva de puntos de rocío. Dentro del área formada
por estas dos curvas el sistema se encontrará en equilibrio entre una fase líquida y otra gaseosa.

Solubilidad es la mayor cantidad de soluto (gramos de sustancia) que se puede disolver en 100 gr.
de disolvente a una temperatura fija, para formar una disolución saturada
en cierta cantidad de disolvente. Las sustancias no se disuelven en igual medida en un mismo disolvente. Con el fin de poder
comparar la capacidad que tiene un disolvente para disolver un producto dado, se utiliza una magnitud que recibe el nombre de solubilidad.

La capacidad de una determinada cantidad de líquido para disolver una sustancia sólida no es ilimitada.
Añadiendo soluto a un volumen dado de disolvente se llega a un punto a partir del cual la disolución no admite
más soluto (un exceso de soluto se depositaría en el fondo del recipiente). Se dice entonces que está saturada. Pues bien, la solubilidad
de una sustancia respecto de un disolvente determinado es la concentración que corresponde al estado de saturación a una temperatura dada.

Las solubilidades de sólidos en líquidos varían mucho de unos sistemas a otros. Así a 20 ºC la solubilidad del cloruro de sodio (NaCl) en agua es 6 M
y en alcohol etílico (C2H6O), a esa misma temperatura, es 0,009 M. Cuando la solubilidad es superior a 0,1 M se suele considerar la sustancia como
soluble en el disolvente considerado; por debajo de 0,1 M se considera como poco soluble o incluso como insoluble si se aleja bastante de este valor de referencia.

La solubilidad depende de la temperatura; de ahí que su valor vaya siempre acompañado del de la temperatura de trabajo. En la mayor parte de los casos,
la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura. Se trata de procesos en los que el sistema absorbe calor para apoyar con una cantidad de energía
extra el fenómeno la solvatación. En otros, sin embargo, la disolución va acompañada de una liberación de calor y la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura.

   Las curvas de enfriamiento,  son una representación gráfica de la temperatura (Tº) de un material frente al tiempo (t) conforme este se enfría.
 La variable independiente es el tiempo (eje X) y la variable dependiente es la temperatura (eje Y). Los datos para dichas curvas se obtienen dejando enfriar
lentamente una mezcla fundida de composición conocida y registrando la temperatura a intervalos regulares. Existen diversos factores que pueden alterar una
curva de enfriamiento, algunos de estos son: 

• La temperatura inicial de la sustancia en enfriamiento. 
• La temperatura ambiente a la que la sustancia comienza a fluir. 
• La presión y volumen de la sustancia que se encuentra en enfriamiento. 

Estas curvas son sumamente importantes ya que son capaces de brindar información sobre el cambio de fase de una sustancia:

• A-B: Corresponde al enfriamiento de la fase líquida, en ella solo existe una fase y la pendiente está determinada por el calor específico
• del fundido y la diferencia de temperaturas entre la masa líquida y su alrededor. Cuando comienza la cristalización del sólido aparece
• un cambio en la pendiente (punto b).
• B-C: Se observa un cambio de la pendiente de la línea b-c. A medida que continúa la cristalización, la masa líquida se hace mayor
• en el otro componente ocasionando un descenso continuo de la temperatura. A lo largo de esta zona existen dos fases: sólido-líquido
• y un grado de libertad, bien sea la composición o la temperatura. Mientras coexisten las dos fases, la temperatura varía y el enfriamiento
• continúa hasta llegar al punto c que corresponde a la temperatura en que aparece el segundo sólido.
• 
  
• C-D: En este tramo, la temperatura de la mezcla es constante como puede ver en la gráfica. A esta temperatura los dos sólidos cristalizan
• a la vez a una razón igual a sus concentraciones molares en el líquido.

• Cuando el sistema se ha solidificado por completo, se vuelve a un sistema de dos fases y la temperatura desciende nuevamente.

• 
  

Ahora bien, los metales puros son aquellos elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores de calor y electricidad.
Estos poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio), y sus sales forman iones electro positivo en disolución.
Estos pueden ser: 

• Isomorfo, es decir que adopta cristales semejantes a las diferentes temperaturas. El metal en fase líquido se solidifica a la temperatura
• de solidificación Ts, permanece un tiempo a dicha temperatura y continua enfriándose en estado sólido hasta la temperatura ambiente

• Alotrópico, es decir que adopta diferentes tipos de cristales a diferentes temperaturas,
• se producen diferentes cambios de fase no sólo a la temperatura de solidificación sino en cada cambio de estructura interna. 

• Aleaciones:

 Un elemento base con un punto de fusión A y un elemento

aleante con un punto de fusión B. En una aleación la curva

de enfriamiento varía, ya que al tener elementos con distinta

temperatura desolidificación primero se solidifica el de mayor

temperatura de fusión Ts1 y a continuación el otro elemento Ts2.

La inmiscibilidad se trata de un concepto que deriva de miscibilidad, tal como se conoce a la particularidad o propiedad de ciertas sustancias
para combinarse o mezclarse en distintas proporciones y formar a partir de ello una solución homogénea. Lo más común es que esta noción
sea aplicada a los líquidos, aunque también puede referirse a materiales sólidos o gases. Cuando dos sustancias tienen la capacidad de constituir
una solución homogénea más allá de las proporciones implicadas, se dice que son miscibles.

En cambio, si no tienen dicha capacidad, se las calificará como inmiscibles. Esto quiere decir que es inmiscible toda sustancia que no consigue
conformar una franja homogénea de ningún modo. Un ejemplo de sustancia inmiscible es el agua. Lo mismo ocurre con el éter etílico. La miscibilidad
de las sustancias orgánicas y de los lípidos con el agua se encuentra determinada por las propiedades de la cadena de hidrocarburos.

Sucede que en algunas sustancias que sienten poca afinidad la una por la otra que, al ir aumentando la cantidad de una en otra, su punto de fusión comienza
a descender. Esto quiere decir que el compuesto es “estable” a temperaturas  cada vez más bajas, pero se vuelve inestable conforme aumenta la temperatura.
Para compensar esta inestabilidad, el sistema compuesto por estas sustancias comienza a aumentar el grado de desorden entre las moléculas, lo que ayuda a
compensar el exceso de energía.

Es equivalente a cuando se caliente el agua a 100 grados a nivel del mar, la energía es tanta que el sistema no puede ser estable en estado líquido, así que el
agua pasará a estado gaseoso, que es mucho más desordenado, para compensar el incremento en la energía.

Los diagramas eutécticos son aquellos que se presentan cuando ambos componentes, en presencia uno del otro, comienzan a disminuir su punto de fusión.
Sin embargo, este punto o temperatura de fusión no puede descender indefinidamente, tiene un punto máximo. Ese punto máximo se llama punto eutéctico y
cuando aparece, se trata entonces de un diagrama eutéctico.

Si se añaden pequeñas cantidades de tolueno a un recipiente que contiene benceno puro, observamos que, con independencia de la cantidad de tolueno
que se ha añadido, la mezcla obtenida permanece como una fase líquida. Los dos líquidos son completamente miscibles.

En contraste con este comportamiento, si se añade agua a nitrobenceno, se forman dos capas líquidas distintas; la capa acuosa contiene sólo un vestigio
de nitrobenceno disuelto, mientras que la capa de nitrobenceno contiene sólo un vestigio de agua disuelta. Tales
líquidos son inmiscibles. Si se añaden pequeñas cantidades de fenol a agua,
al principio el fenol se disuelve para dar una sola fase; sin embargo en algún punto de la adición, el agua se satura y una adición posterior de fenol produce
dos capas líquidas, una rica en agua y la otra rica en fenol.

Estos líquidos son parcialmente miscibles. Cuando dos líquidos se mezclan en diferentes proporciones a ciertas condiciones de temperatura y presión
se producen dos fases líquidas de diferente concentración que están en equilibrio termodinámico, entonces se tiene el fenómeno de Equilibrio Liquido- Liquido (ELL).

Los criterios de equilibrio para ELL son los mismos que para el EVL, es decir, uniformidad de T y P y de la fugacidad fi, para cada una de las especies
químicas a través de ambas fases. La descripción termodinámica de ELL está en función de T, P y fugacidad (f) para cada especie química en ambas fases.
Para el ELL en un sistema de N especies a T y P uniformes, se identifican las fases líquidas por medio de subíndices a y B, y se escriben los criterios de equilibrio como:

fi=fi   i=1,2,…,N