Toxicidad

El grado de toxicidad (peligro para la salud) se basan en la exposición de personas por cualquier vía, y son: 4 (muerte), 3 (lesión mayor temporal o permanente que puede poner en peligro la vida), 2 (lesión menor temporal o permanente), 1 (lesión menor, fácilmente reversible) y 0 ( no hay efecto tóxico a menos que la dosis sea abrumadora). Las demás especificaciones tienen clasificaciones análogas. La inflamabilidad se basa en experimentos, e incluye: 4 (forma mezclas explosivas en aire con polvos, aerosoles, gotitas de líquido), 3(se puede encender a temperatura ambiente, arde con rapidez utilizando oxígeno que contiene la propia sustancia, contiene materiales que se encienden espontáneamente cuando se exponen al aire), 2(materiales que se deben someter a calentamiento moderado o exponerse a altas temperaturas para encenderse, y pueden liberar mezclas de vapores peligrosas en aire) y 0 ( no combustibles: no arden en aire a 815°C [1500°F] durante un periodo de 5 minutos). Las especificaciones de reactividad son similares.

Inflamabilidad

El punto de inflamación de una sustancia es la temperatura del aire a la que el vapor que está sobre una sustancia producirá un destello o explotará en presencia de una flama. Por ello, el punto de inflamación es uno de los factores que siempre debemos tener en cuenta al manejar líquidos. Otras propiedades de los materiales también son importantes. Las normas municipales exigen clasificar y manejar las sustancias químicas de acuerdo con su 1) grado de toxicidad, 2) grado de inflamabilidad, 3) grado de reactividad y 4) punto de inflamación. En la tabla 1.6 se presentan estos parámetros para algunos compuestos comunes. Las cantidades almacenadas en exceso de ciertas cantidades mínimas se deben informar según la norma. Por ejemplo, en el caso de materiales inflamables, es obligatorio informar.

Concentraciones (III)

Es importante recordar que en una disolución ideal, como las de gases o una mezcla simple de hidrocarburos líquidos o de compuestos de naturaleza química similar , los volúmenes de los componentes pueden sumarse sin error apreciable para obtener el volumen total de la mezcla. En las llamadas mezclas no ideales esta regla no se cumple y el volumen total de la mezcla es mayor a menor que la suma de los volúmenes de los componentes puros.

Más adelante usaremos flujos de corriente y su composición para realizar balances de materia. Para calcular la velocidad de flujo másico,  m a  partir de una velocidad de flujo volumétrico, q, multiplicamos la velocidad de flujo volumétrico por la concentración en masa, así:

Cómo se calcularía la velocidad de flujo volumétrico a partir de una velocidad de flujo másico conocida?

Con la velocidad de flujo volumétrico se puede calcular la velocidad media, v, en una tubería si se conoce el área, A, de la tubería, a partir de la relación:

q = Av

Ejemplo Uso de las ppm

Actualmente, la OSHA establece un límite durante una exposición de 8 horas en aire, para HCN, de 10.0 ppm. Una dosis letal de HCN en aire (según el Índice Merck) es de 300 mg/kg de aire a temperatura ambiente. A cuántos mg de HCN/kg de aire equivalen las 10.0ppm? Qué fracción de la dosis letal son las 10.0 ppm?

Concentraciones (II)

Un ejemplo representativo del uso de algunas de estas medidas de concentración es el conjunto de normas con que la Environment Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos) define los niveles en que los cuatro contaminantes más comunes del aire podrían dañar a las personas expuestas a ellos durante periodos determinados.

1. Dióxido de azufre: 365μ g/m³ como promedio durante un periodo de 24 horas.
2. Material en forma de partículas: 260μ g/m³ como promedio durante un periodo de 24 horas
3. Monóxido de carbono: 10 mg/m³ (9ppm) como promedio durante un periodo de 8 horas; 40 mg/m³ (35ppm) como promedio durante una hora.
4. Dióxido de nitrógeno: 100 μ g/m³ como promedio durante un año.

Concentraciones

Concentración es la cantidad de un soluto en una cantidad especificada de disolvente, o de disolución, en una mezcla de dos o más componentes; por ejemplo:

1. Masa por unidad de volumen (lbm de soluto/ft³, g de soluto/L, lbm de solugo/bbl, kg de soluto/m³)
2. Moles por unidad de volumen (lb mol de soluto/ft³, g mol de soluto/L, g mol de soluto/cm³)
3. Partes por millón (ppm); partes por billón (ppb): un método para expresar la concentración de disoluciones muy diluidas. Ppm equivale a una fracción de peso para sólidos y líquidos por que la cantidad total de material es de un orden de magnitud mucho más grande que la cantidad de soluto; es una fracción molar para los gases. Por qué?
4. Otros métodos de expresar la concentración con los que conviene famializarse con molaridad (g mol/L) y normalidad (equivalentes/L).

Análisis químico de diversos desperdicios de porcentajes

Composición de aire limpio y seco cerca del nivel del mar

Concentración es la cantidad de un soluto en una cantidad especificada de disolvente, o de disolución, en una mezcla de dos o más componentes; por ejemplo:

Seudopeso molecular medio del aire, que se puede calcular con base en 100 moles de aire

Una cantidad útil en muchos cálculos es el seudopeso molecular medio del aire, que se puede calcular con base en 100 moles de aire:

Análisis de una mezcla

Cuando se necesita el análisis de una mezcla, puede haber cierta confusión en cuanto a si los números que se obtienen representan una fracción en masa (peso) o una fracción molar.

En este libro, siempre se supondrá que la composición de los gases se da en porcentaje o fracción molar, a menos que se indique específicamente otra cosa.

Los análisis de líquidos y sólidos por lo regular se dan en porcentaje o fracción en masa (peso), aunque ocasionalmente se indican en porcentaje molar.

En este blog, siempre se supondrá que los análisis de liquidos y sólidos, están dados en porcentaje de peso, a menos que se indique específicamente otra cosa.

A menudo usaremos la composición del aire 21% de O2 y 79% de N2; el N2 incluye el Ar y los demás componentes y tiene un seudopeso molecular de 28.2

Ejemplo Fracción molar y fracción en masa (peso)

Un limpiador de cañerias de grado industrial contiene 5.00 kg de agua y 5.00 kg de NaOH. Cuál es la fracción en masa (peso) y la fracción molar de cada uno de los componentes dentro del recipiente del limpiador de cañerias?

Fracción molar y fracción en masa (peso)

La fracción molar es simplemente la cantidad de moles de una sustancia específica divididos entre el número total de moles presentes. Este definición se cumple para los gases, líquidos y sólidos. De manera similar, la fracción en masa (peso) no es más que la masa (el peso) m de la sustancia dividida entre la masa (el peso) total de todas las sustancias presentes. Aunque lo que se pretende expresar es la fracción en masa, en ingeniería suele usarse el término fracción en peso. Matemáticamente, estas ideas pueden expresarse como.

Volumen específico

El volumen específico de un compuesto es el recíproco de la densidad, es decir, el volumen por unidad de masa o cantidad unitaria de material. Las unidades del volumen específico pueden ser ft³/lbm, ft³/lb mol, cm³/g, bbl/lb, m³/kg o relaciones similares

Ejemplo Aplicación del peso específico relativo

En la producción de un medicamento con peso molecular de 192, la corriente de salida del reactor fluye a una velocidad de 10.3 L/min. La concentración del medicamento es del 41.2% (en agua), y el peso específico relativo de la disolución es 1.025. Calcule la concentración del medicamento (en kg/L) en la corriente de salida, y la velocidad de flujo del medicamento en kg mol/min.

Solución
Para la primera parte del problema, debemos transformar la fracción en masa de 0.412 en masa por litro. Por comodidad, tomaremos como base 1.000 kg de la disolución de salida.

Véase la figura E1.11

No intente obtener la densidad y peso específico relativo

No intente obtener un peso específico relativo medio o una densidad media para una mezcla de sólidos o líquidos multiplicando los pesos específicos relativos o densidades de los componentes individuales por las respectivas fracciones en masa de los componentes en la mezcla y sumando los productos. La forma correcta de usar el peso específico relativo se ilustra en el siguiente ejemplo del siguiente post.

Ejemplo densidad y peso específico relativo

Si el dibromopentano (DBP) tiene un peso específico relativo de 1.57, Cuál es su densidad en a) g/cm³? b) lbm/ft³ y c) kg/m³?

Peso específico relativo (II)

En la industria petrolera el peso específico relativo de los productos del petróleo suele informarse en términos de una escala de hidrómetro llamada °API. La ecuación de la escala API es

El volumen, y por tanto la densidad, de los productos del petróleo varia con la temperatura, y la industria petrolera ha establecido los 60°F 915.55°C) como la temperatura estándar para el volumen y el peso específico relativo API. La escala °API está cayendo en desuso conforme se adoptan las unidades del SI para mediciones de densidad

Peso específico relativo (I)

A menudo se piensa que el peso específico relativo es una relación adimensional. De hecho, debe considerarse como el cociente de dos densidades - la de la sustancia de interés, A, y la de una sustancia de referencia- cada una de las cuales tiene sus unidades asociadas. En simbolos:

La sustancia de referencia en el caso de los líquidos y sólidos normalmente es el agua. Así, el peso específico relativo es el cociente entre la densidad de la sustancia en cuestión y la densidad del agua. El peso específico relativo de los gases con frecuencia se mide tomando cono referencia el aire, pero puede referirse a otros gases. Para ser precisos al referirse al peso específico relativo, se debe indicar la temperatura a la que se mide cada la densidad.

De este modo,

p.e.r. = 0,73(20°/4°)

se puede interpretar como sigue: el peso específico relativo cuando la disolución está a 20°C y la sustancia de referencia (agua) está a 4°C es de 0.73. Si se desconocen las temperaturas para las que se expresa el p.e.r., se debe suponer la temperatura ambiente y 4°C, respectivamente. Puesto que la densidad del agua a 4°C es muy cercana a 1.0000g/cm³, los valores numéricos de la densidad y del peso específico relativo en el sistema Si son prácticamente iguales. Con las densidades en el sistema estadounidense se expresan en lb/ft³, y la densidad del agua es de alrededor de 62.4 lb/ft³, queda claro que en este sistema los valores del peso específico relativo y de la densidad no son numéricamente iguales. La base de datos de Yaws y colaboradores (1991) es una fuente de valores de densidad para líquidos,  el CD que acompaña al libro contiene esta base de datos.

La densidad es la razón de la masa por unidad de volumen

Por ejemplo, kg/m³ o lb/ft³. Se expresa tanto por un valor numérico como por unidades adecuadas. Para determinar la densidad de una sustancia, es preciso conocer tanto su volumen como su masa. Las densidades de los líquidos y los sólidos no cambian significativamente con la presión en condiciones ordinarias, pero sí cambian con la temperatura, como se aprecia en la figura 1.1.

La figura 1.2 ilustra que la densidad también varía con la composición. En algunos lugares se agrega anticongelante al radiador de los automóviles en el invierno. El encargado de la estación de servicio verifica la concentración anticongelante midiendo el peso especifico relativo y, de hecho, la densidad de la disolución del radiador una vez que ésta se ha mezclado bien. El hidrómetro incluye un pequeño termómetro que permite leer la densidad corregida por la temperatura.

Conceptos principales Temas Convenciones para los métodos de análisis y medición

Existen ciertas definiciones y convenciones que repasaremos en esta sección, ya que se usarán constantemente en todo el blog. Si las memoriza ahora, de inmediato adquirirá una perspectiva más clara y se ahorrará muchos problemas más adelante.

Temas Convenciones para los métodos de análisis y medición

En esta sección repesaremos algunas de las convenciones comunes que se usan para informar las propiedades físicas, incluidas la densidad, el peso específico relativo, las medidas de concentración, la inflamabilidad y la toxicidad.

Convenciones para los métodos de análisis y medición

• Definir la densidad y el peso especifico relativo
• Calcular la densidad de un líquido o un sólido dad su peso especifico relativo y viceversa
• Consultar e interpretar el significado de los datos de densidad y peso específico relativo de un líquido o un sólido en las tablas de referencia.
• Especificar los materiales de referencia comunes que se usan para determinar el peso específico relativo de líquidos y sólidos
• Convertir la composición de una mezcla de fracción (o porcentaje) molar a fracción ( o porcentaje) en masa (peso), y viceversa
• Convertir la concentración de un material de una medida a otra, incluidas masa/volumen, moles/volumen, ppm y molaridad.
• Calcular la masa o el número de moles de cada uno de los componentes de una mezcla, dada la composición porcentual ( o fracción), y viceversa, y calcular el seudopeso molecular medio.
• Convertir una composición dada en porcentaje en masa (peso) a porcentaje molar, viceversa.
• Comprender las medidas de inflamabilidad y toxicidad.

Ideas clave del mol

1. El mol en unidades del SI (g mol en este blog) es una cantidad de materia aproximadamente igual a 6.02 x 10(elevado a 23)
2. Con el fin de evitar conversiones, usaremos también en este libro lb mol (453.6 x 6.02 x 10^23 moléculas) y kg mol o kilo mol o kmol (1000x6.02x10^23 moléculas)
3. El peso (en realidad la masa) molecular no es más que la masa por mol de un compuesto o elemento.

En retrospectiva sobre el mol

Hemos explicado que un mol es una cantidad dada de entidades, y que aunque la designación oficial de mol en las unidades del SI se refiere a 6.02 x 10(elevado a 23) moléculas, por conveniencia usamos también en este blog lb mol, kg mol, etc. EL peso molecular tiene el mismo valor en cualquier sistema de unidades, a saber, la masa de un mol.

Usos de los pesos moleculares (II)

Cuántas libras de NaOH hay en 7.50 g mol de NaOH?

Solución

Uso de los pesos moleculares

Si una cubeta contiene 2.00 lb de NaOH (peso molecular = 40.0),

a) Cuántas libras mol de NaOH contiene?
b) Cuántos gramos mol de NaOH contiene?

Solución

Cálculo del peso molecular

Desde el descubrimiento de la superconductividad hace ya casi 100 años, los científicos e ingenieros han especulado sobre la forma en que podría mejorar el aprovechamiento de la energía. Hasta hace poco casi ninguna aplicación era viable económicamente porque las aleaciones de niobio que se empleaban tenían que enfriarse por debajo de 23 K con He líquido. Sin embargo, en 1987 se logró la superconductividad en un material de Y-Ba-Cu-) a 90 K, situación que permite el empleo de enfriamiento con N2 líquido, que no cuesta mucho.

Cuál es el peso molecular de la siguiente celda de material superconductor?

Solucion

Conceptos principales de mol (IV)

Un compuesto está constituido por más de un átomo, y el peso molecular de un compuesto no es más que la suma de los pesos del los atómos de los que se compone. Así, H2O consiste en dos atómos de hidrógeno y uno de oxígeno, y el peso molecular del agua es (2)(1.008) + 16.000 = 18.02. Todos estos pesos son relativos al átomo de C que pesa 12.000, y es posible anexar a estos pesos cualquier unidad de masa que se desee; por ejemplo, se puede decir que el de H2 es 2.016g/g mol, 2.016 lb/lb mol, 2.016 ton/ton mol, etcétera.

Es posible calcular los pesos moleculares medios de mezclas de composición constante aunque los componentes no estén unidos químicamente, si se conoce con precisión su composición. Más adelante mostraremos cómo calcular la cantidad ficticia denominada peso molecular medio del aire. Desde luego, para un material como el aceite combustible o el carbón, cuya composición tal vez no se conozca con exactitud, no es posible determinar un peso molecular exacto, aunque puede estimarse un peso molecular medio aproximado satisfactorio para los cálculos de ingeniería. tenga presente que el símbolo lb se refiere a lbm a menos que se indique otra cosa.

Conceptos principales de mol (III)

Los valores de los pesos moleculares (masas moleculares relativas) se derivan de las tablas de pesos atómicos, los cuales se basan en una escala arbitraria de las masas relativas de los elementos. El peso atómico de un elemento es la masa de un átomo basado en una escala que asigna una masa de exactamente 12 al isótopo d ecarbono C, cuyo núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones. Los químicos e ingenieros de todo el mundo utilizan los términos "peso" atómico y "peso" molecular en lugar de los términos más exactos de "mas" atómica y "masa" molecular, dado que las masas atómicas comparativas se determinaron incialmente pesando, en tanto que se calcularan en un campo gravitacional común los valores relativos obtenidos para los "pesos" atómicos serían iguales a los de las "masa" atómicas.

En esta escala de pesos atómicos, el hidrógeno tiene 1.008, el carbono tiene 12.01 y así sucesivamente.

Conceptos principales de mol (II)

Si queremos convertir el número de moles en masa, utilizamos el peso molecular, que es la masa de un mol:

el g mol = masa en g / peso molecular

la lb mol = masa en lb/ peso molecular

o bien

masa en g = (peso molecular)(g mol)
masa en lb = (peso molecular)(lb mol)

Es más no hay razón para no realizar cálculos en términos de toneladas mol, kilogramos mol y otras unidades correspondientes si se definen de manera análoga, aunque no sea unidades estándar.

Conceptos principales de mol (I)

Al parecer, fue William Ostwald quien en 1896 introdujo la palabra mol, tomándola de la palabra latina moles que significa "montón" o "pila". Si pensamos en un mol como una enorme pila de partículas habremos captado la idea general. El comité Internacional de Pesas y Medidas propuso na definición más precisa en 1969, al probar al mol (cuyo símbolo es mol en el SI) como "la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0.012kg de carbono 12". Las entidades pueden ser átomos, moléculas, iones u otras partículas.

En el SI, un mol se compone de 6.02x10(elevado a 23) moléculas  aunque, por conveniencia en los cálculos , podemos utilizar  otras especificaciones no estándar  como la libra mol (lb mol, compuesta por 6.02x10(elevado a 23) x 453.6 moléculas), el kg mol (kilomol, kmol, compuesto por 1000 moles) y así sucesivamente. Tales abreviaturas en la definición de mol ayudan a evitar el excesivo detalle en muchos cálculos. A fin de no confundir las unidades, usaremos la designación de g mol para el mol del SI.

Qué es un mol?

La mejor respuesta es que un mol es un cierto número de moléculas, átomos, electrones u otro tipo de partículas.

Ideas clave de los cálculos de Ingeniería Química

1. Podemos sumar, restar o igualar las mismas unidades, pero no unidades distintas
2. Podemos multiplicar o dividir unidades distintas, pero no cancelarlas.
3. Los ingenieros químicos deben ser capaces de realizar cálculos empleando unidades tanto del SI como del sistema estadounidense de ingeniería.
4. Siempre trabaje con las unidades junto con los números en sus cálculos (en papel, en la computadora o mentalmente.)
5. gc es un factor de conversión requerido en el sistema estadounidense de unidades.
6. Todas las ecuaciones válidas deben tener consistencia dimensional.

Consistencia dimensional - Detalles adicionales (III)

Un modo más riguroso pero también más complicado de tratar la incertidumbre de los números es aplicar estadísticas a los cálculos. Lo que interviene aquí es el concepto de límites de confianza para los números con que se inicia un cálculo, y la propagación de errores paso  por paso a través de cada etapa de cálculo hasta el resultado final. Sin embargo, ni siquiera un análisis estadístico es exacto, porque manejamos razones no lineales de números. su el lector desea mayor información sobre este enfoque, deberá consultar un libro de estadística.

En este libro basaremos la mayor parte de las respuestas en el error absoluto, pero es posible que utilicemos una o dos cifras extra en ciertos cálculos intermedios. Tenga presente que algunos números son exactos, como el 1/2 de la ecuación K = 1/2mv² y el 2 del exponente. También encontraremos enteros como 1,2,3, etc. que en algunos casos son exactos (dos reactores, tres flujos de entrada) pero en otros son aproximaciones convenientes de ciertas mediciones durante la resolución de problemas (3 moles, kg). Podemos suponer que 10 kg incluye un número raonable de cifras significativas con relación a los valores de los demás parámetros indicados en un ejemplo o problema, como 10Kg → 10.00kg. También encontramos ocasionalmente fracciones 2/3, que pueden tratarse como 0.6667 dependiendo de la exactitud de los demás valores de un problema.

Siéntase en libertad de redondear parámetros como π = 3.1416, √2= 1.1414 o el número de Avogrado N = 6.02 x 10(elevado a 23). En síntesis, asegúrese de redondear las respuestas a sus problemas, aunque los cálculos intermedios se realicen con números de 10 dígitos o más en su computadora, porque las respuestas finales no pueden ser más exactas que los números introducidos en el problema durante su resolución. En este texto usaremos por comodidad 273k como la temperatura equivalente a 0°C en lugar de 273.15K, introduciendo así un error relativo de 0.15/273.15 = 0.00055 en un cálculo de temperatura (o un error absoluto de 0.15). Éste es un error tan pequeño en relación con los demás errores conocidos o supuestos de los cálculos que en casi todos los casos pueden ignorarse. No obstante, tenga presente que al sumar, restar, multiplicar y dividir los errores que se introducen se propagan a la respuesta al final.