UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE COAHUILA

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

Titular: Lucero Rosales Marines

BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA

INGENIERO QUÍMICO

Cuadernillo de Trabajo

Alumno: ______________________________________________________Clave: 667119

AGOSTO - DICIEMBRE 2013 SALTILLO; COAHUILA

MÉXICO

Unidad IINTRODUCCIÓN

1.1 Unidades y Dimensiones

1.- Anota una “F” si es unidad fundamental o una “D” si es unidad Derivada.

a). - Kg/m3 _____ b).-Nw/m2 _____

c). - Seg. _____ d).-Kg. _____

3).- J/s _____

2.- En el SI, el peso de un hombre de 180lb parado en la superficie de la tierra es de aproximadamente:

a) 801 N c) ninguno

b) 81.7 kg d) ambos

3.- Relaciona las Columnas y Escribe en el paréntesis la respuesta Correcta.

a) Peso ( ) Son las que se Definen por si Mismas.b) Mol ( ) es un cierto número de moléculas,

Átomos, electrones u otro tipo de partículas.c) Peso atómico ( ) Cantidad elegida para medir por comparación.d) Unidades Fundamentales ( ) cantidad de moles de una sustancia específica divididos

Entre el número total de moles presentes.e) Proceso ( ) Es la masa de la sustancia dividida entre la masa total de todas las

sustancias presentes.f) Unidad ( ) Fuerza con la cual un cuerpo actúa sobre un punto de apoyog) Fracción en masa ( ) Kilogramo, metro, segundoh) Fracción molar ( ) Sucesión de Transformaciones, interacciones y “actuaciones” de un

sistema determinadoi) Unidades Patrón ( ) Es la masa de un átomo basada en una

Escala que asigna una masa de exactamente 12 al isótopo de carbono 12Cj) Unidades derivadas

4.- ¿Cuánto vale gc y que unidades tiene?

5.- Comente los errores de los siguientes dos enunciados tomados de un libro de texto:

a) El peso es el producto de la masa por la fuerza de la gravedad.

b) Una persona de 67kg en la Tierra pesara solo 11kg en la Luna

6.- A pesar de la adopción del sistema de unidades SI en Europa, la gente sigue usando el kilogramo como unidad de peso y fuerza además de masa. Por ejemplo, una persona todavía compra 10kg de papas y no 98 newtons de papas, y pea la cantidad adquirida de tal modo que el peso es 10kg. La presión de los neumáticos

de automóvil se expresa en Kg/cm2 (o simplemente kg) y no por centímetro cuadrado o pascales. ¿Por qué persiste este uso?

7.- ¿Qué diferencia hay entre un Kilogramo mol y una libra mol?

8.- Rellene el siguiente cuadro según corresponda

Símbolo Variable Unidades Sistema Inglés Unidades Sistema cgs

Cp. Capacidad Caloríficacal−gr(g )(°C )

Diámetro Interno del Tubo cm

Glb

(seg )( ft)2

Btu

(seg ) (ft )2 (° F )

Conductividad térmica

µgr

(cm )(seg)

1.2 Conversión de Unidades

9.- Si un auto se desplaza a una rapidez de 28 m/s ¿Esta rebasando el límite de rapidez de 55 millas/hr?

10.- Todo el oro que se halla extraído de minas podría fundirse y moldearse en un cubo de aproximadamente 20mts de grueso. Utilice el hecho de que 1kg de oro ocupa un cubo de 3.73cm de lado y que el oro se venden unos 12,000 dólares por kilogramo para estimar el valor de todo el oro extraído de las minas de este planeta exprese su resultado en peso tomando en cuenta que 1 dólar son 14 pesos.

11.- Una Compañía de gas de Massachusetts cobra 1.30 dólares por 15.0 ft3 de gas natural.

a).- Convierta esta relación en dólares por litro de gasb).- Al hervir un litro de agua se consumen 0.304ft3 de gas, empezando a una temperatura ambiente promedio (25°C) ¿Cuánto costaría calentar un recipiente con 2.1Lt de agua?

12.- En Fobos, la luna de Marte, la aceleración debida a la gravedad es de 4.95 ft/seg2. Suponga que un astronauta camina en Fobos, y que esta persona junto con su traje espacial y equipo tenía un peso en la Tierra de 252 lbf.

a) ¿Qué masa en lbm tiene el astronauta junto con su traje y equipo?

b) ¿Cuánto pesaría el astronauta con su traje en Fobos, en libras?

13.- Convierta 10 gal/hr a m3/seg; 50 lbf/pulg2 a N/m2.

14.- Una familia estadounidense que visita México quiere llenar el tanque de gasolina de su automóvil con 15 galones de gasolina. México utiliza el sistema métrico ¿Cuántos litros de gasolina debe pedir? Si la gasolina cuesta $5.70pesos el litro y el tipo de cambio es de 14.56 pesos por dólar ¿Cuánto gastaron en dólares?

15.- La Gasolina se vendía en 1987 a $0.899 dólares por galón.

a).- ¿Cuál era el costo por litro?b).- ¿Cuánto costaría llenar un tanque de 80 Lt?c).- ¿Cuánto cuesta recorrer 551millas si el carro promedia 21 millas por galón?d).- ¿Cuánto puede recorrerse con $45.00 dólares?

16.- Se quiere construir un salón de clase en Ciencias Químicas pero las dimensiones con las que se cuentan son 40m x 20m x 12 m. La densidad del aire en saltillo es 1.29 kg/m3. Cuáles son:

a) El volumen del salón en pies cúbicos

b) El peso en libras del aire en el salón.

17.- Un adulto en reposo necesita 240ml de oxigeno puro/minuto y tiene un frecuencia respiratoria de 12 veces por minuto. Si el aire inhalado contiene 20% de oxigeno en volumen y el aire exhalado 18%. Cual es el volumen de aire por respiración. (Supóngase que el volumen del aire exhalado es igual al inhalado).

18.- Un animal se mueve a una rapidez de 5.00 furlongs por quincena (una rapidez no muy común). Dado que 1.0 furlong=220 yardas y una quincena = 14.7dias, determine la rapidez del animal en m/seg.

1.3 Fracción mol y Fracción en Peso

19.-El Contenido normal de plomo es la sangre humana es de aproximadamente 0.40ppm. (Es decir 0.40gr. de plomo por millón de gramos de sangre). Un valor de 0.80ppm se considera peligroso. ¿Cuántos gramos de plomo están contenidos en 6.0x103g de sangre (la cantidad de sangre en un adulto promedio) si el contenido es de 0.62ppm.

20.-La capa más delgada de la tierra denominada corteza, contiene solo 0.50% de la masa total de la tierra y aun así es la fuente de casi todos los elementos (la atmósfera proporciona oxígeno, hidrógeno y algunos otros gases). El silicio es el segundo elemento más abundante de la corteza de la tierra (27.2% en masa). Calcule la masa de silicio en Kg. En la corteza terrestre. La masa de la tierra es 5.9x1021 toneladas.

21.- Una Disolución de cloruro sódico en agua contiene 230 gramos de NaCl por litro a 20ºC. La densidad de la disolución a esta temperatura es 1.148 gramos por centímetro cúbico.

Calcular lo Siguiente:a).- La Composición por ciento en peso.b).- El tanto por ciento de agua en volumenc).- La composición molar por ciento.d).- La composición atómica por cientoe).- Molalidad.

f).- Libras de NaCl por libra de H2O

22.- Ante la pregunta ¿Que es un mol? se obtuvieron las siguientes respuestas. Explique cuáles son correctas y cuáles no lo son, y por qué.

a) Un mol es el peso molecular expresado en gramos.b) Un mol es la cantidad de materia que hay en un gramo.c) Un mol es cierto número de cm3 de una sustancia u otra.d) Un mol es el peso de una molécula expresado en gramos.e) Un mol es el número de moléculas que hay en un gramo de una sustancia.

23.- Se le pide preparar una disolución para laboratorio de H2SO4 0.10 molar (0.10 mol H2SO4/L) a partir de H2SO4 concentrado (96%). De un manual se obtiene el peso específico relativo del H2SO4 al 96% que es 1.858. Calcule

a) El peso de ácido al 96% necesario para preparar un litro de disolución.b) El volumen de ácido al 96% utilizado por litro de disolución.c) La densidad de la disolución 0.1 molar.d) Las ppm de H2SO4 en la disolución 0.1 molar.

24.- Un cantinero asegura que su marca de ron es tan fuerte que lo cubos de hielo no flotan en él. ¿Es esto posible?

1.4 Análisis Dimensional

25.- Una antigua unidad de longitud llamado codo, era igual a seis palmos, donde una palma era el ancho de cuatro dedos de una mano abierta. El arca de Noé medía 300 codos de largo, 50 codos de ancho y 38 codos de alto. Estime el volumen del arca en metros cúbicos. También estime el volumen de una casa común en metros cúbicos y compárela con el arca.

26.- Cierto o falso: El análisis dimensional proporciona el valor numérico de las constantes de proporcionalidad que pueden aparecer en una expresión algebraica

27.- Demuestre que la expresión x=vt+1 /2a t 2 es dimensionalmente correcta, en donde x es una coordenada y tiene unidades de longitud, v es la velocidad, a es la aceleración y t es el tiempo.

28.- El volumen total de agua de mar es de 1.5x1021 Lt. Supóngase que esta agua contiene 3.1% en masa de cloruro de sodio y su densidad es de 1.03gr/ml. Calcule la masa total de cloruro de sodio

29.- El magnesio es un metal valioso utilizado en aleaciones, baterías y en la fabricación de reactivos, que se obtiene principalmente del agua de mar, la cual contiene 1.3gr de Mg. Por kilogramo de agua. Tomando los datos del problema anterior, calcule el volumen de agua de mar en litros, necesarios para obtener 8.0x104 ton de Mg.

30.- ¿Cuales de las ecuaciones siguientes son dimensionalmente correctas?

a) v=v0+ax

b) v2=ax

c) y= (2m ) cos (km )Donde k=2m−1

d) El radio r de un círculo inscrito en cualquier triangulo cuyos lados sean a, b, c está dado por

r=[ (s−a ) ( s−b ) ( s−c /s ) ]12, donde s es la abreviatura de (a+b+c ) /2

31.- En Melmak, un planeta imaginario, la edad de los melmacianos se mide en tempak equivale a 5años, 2 meses, 6dias y 15 horas. Entonces cuando Alf cumple 200años acá en la tierra esto a cuantos tempak equivale aproximadamente.

32.-En el Planeta Cozak la medida de longitud es Lzak (10pie), y la de tiempo es el tzak (90min). Si la velocidad máxima terrestre es 100 km/hr, entonces cuanto equivale esta velocidad en el Planeta Cozak.

33.-La Ecuación de la capacidad calorífica para el dióxido de carbono es como sigue:

Cp= 6.339 + 10.14x10-3Tk- 3.415x10-6Tk 2

Donde: Cp es la capacidad calorífica en cal/ (mol-gr) (°K) y Tk la temperatura en grados Kelvin

Se desea transformar la ecuación en una nueva forma, en la que Cp sea la capacidad calorífica en Btu/ (lb) (°F) y la temperatura Tf está en la escala Fahrenheit.

34.- El consumo de gas natural de una compañía satisface la ecuación empírica. V=1.5t + 0.008t2, donde V es el volumen en millones de pies cúbicos y t el tiempo en meses. Exprese esta ecuación en unidades de pies cúbicos y segundos. Ponga las unidades apropiadas a los coeficientes. Suponga que un mes tiene 30 días.

1.5 Base de Cálculo

35.- Una disolución de naftaleno, C10H8, en benceno, C6H6, contiene 25 moles por cierto de naftaleno. Expresar la composición de la solución en tanto por ciento en peso.

36.- Una disolución acuosa contiene un 40% de Na2CO3 en peso. Expresar la composición en moles por ciento.

37.- Un gas Natural tiene la siguiente composición, en tanto por ciento en volumen:

Metano, CH4 83.5%Etano, C2H6 12.5%Nitrógeno, N2 4.0%

Calcular: a).- La Composición en moles por cientob).- La composición en % en peso.c).-El peso Molecular medio.d).- La densidad en condiciones normales, en libras por pie cúbico.

38.- Un diario traía recientemente el siguiente encabezado: “Una gota más o menos. El concesionario de una gasolinera se niega a pagar la gasolina, encogida”. Según el concesionario de una gasolinera, cuando se paga por un galón de gasolina se debe recibir un galón de gasolina. Asegura que cada año paga miles de galones que no recibe, y ha interpuesto una demanda para resolver la cuestión.La cuestión es la gasolina “encogida”. Según el Ameritan Petroleum Institute, la gasolina se contrae a razón de seis galones por cada 10,000 galones por cada grado Fahrenheit que baja la temperatura, y se expande en la

misma proporción cuando se eleva la temperatura. En un embarque típico de 8000galones de refinería a, digamos 75°F, esto significa una pérdida de 72 galones cuando la gasolina se almacena en los tanques subterráneos de la gasolinera, que está a 60°F, de donde subsecuentemente se vende a los clientes. “Puede parecer poca cosa”, dice el operador, “pero yo manejo grandes volúmenes y pierdo entre 3,000 y 4,000 dólares al año por la contracción”. Las principales compañías petroleras ajustan su facturación por cambios en la temperatura cuando se envían embarques grandes entres sí pero, según un vocero de una compañía petrolera, “a la gasolineras no se les factura así porque los cambios de temperatura en invierno y en verano se equilibran y los concesionarios de las gasolineras salen más o menos a mano”. El siguiente encabezado fue “Los concesionarios no están de acuerdo: dicen que es absurdo”. ¿Por qué cree usted que los concesionarios opinan que no es justa a facturación sin tomar en cuenta la temperatura?

39.- Una torre de vacío que se usa para procesar petróleo residual experimenta una coquización (formación de carbono) severa en su interior cuando llueve. La coquización ocurre cuando la temperatura del fluido es excesiva. La temperatura de los residuos entrantes se controla mediante un registrador-controlador de temperatura (TRC) conectado a un termopar que se inserta en un termopozo de la tubería que introduce el residuo a la columna. El TRC estaba operando a 700°F, en tanto que el interior de la columna estaba a 740°F (demasiado caliente). ¿Cuál puede ser él problema?

1.6 Concentraciones

40.- ¿Cuál es el peso molecular del ácido acético?

41.- Hay el doble de la cantidad de cobre en 480gr. Que en 240gr. De este metal, pero ¿Hay el doble de cobre en 480gr de cobre que de plata en 240gr de plata?

42.- Responda Verdadero o Falso a las siguientes cuestiones

a) La densidad y el peso específico relativo del mercurio son iguales.

b) El recíproco de la densidad es el volumen específico

c) Parte por millón denota una concentración que es una relación molar.

d) La concentración de un componente en una mezcla no depende de la cantidad de mezcla

43.- Para etanol, un manual cita: p.e.r 60°F=0.79389. ¿Cuál es la densidad del etanol a 60°F?

44.- Un recipiente contiene 1.704lb de HNO/lb de H2O y tiene un peso específico relativo de 1.382 a 20°C. Calcule la composición de las siguientes formas:

a) Porcentaje en peso de HNO

b) Libras de HNO, por pie cúbico de disolución a 20°F

c) Molaridad a 20°F

45.- Una disolución contiene 25% en peso de sal de agua y tiene una densidad de 1.2 gr/cm3. Exprese la composición como:

a) Kilogramos de sal por pie cúbico de disolución.

b) Libras de sal por pie cúbico de disolución.

46.- Una mezcla licuada de n-butano, n-pentano y n-hexano tiene la siguiente composición porcentual:

n-C4H10 5

n-C5H12 3

n-C6H14 2

Para esta mezcla, Calcule:

a) La fracción en peso de cada componenteb) La fracción molar de cada componentec) El porcentaje molar de cada componented) El peso molecular medio

47.- Un tanque de refinería que antes contenía gasolina se usó para almacenar pentano. El tanque se desbordó cuando el indicador de nivel decía que apenas estaba lleno en un 85%. El indicador de nivel era una celda de DP que mide el peso del fluido. ¿Puede explicar cuál fue el error?

1.7 Ecuación Química y Estequiometria

48.- Se efectúa una reacción entre 9gr. De Aluminio y 60gr de acido Clorhídrico para obtener cloruro de aluminio. ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿Cuál es el peso del reactivo en exceso?

49.-Calcula cuántos mililitros de ácido clorhídrico, HCL, 0.125M reaccionaran totalmente con 0.5gr. De CaCO3 contenidos en una tableta antiácida.

50.- La reacción de fase gaseosa entre metanol y ácido acético para formar acetato de metilo y agua

CH3OH + CH3COOH CH3COOCH3 + H2O

(A) (B) (C) (D)

Se lleva a cabo en un reactor intermitente y produce hasta el equilibrio. Cuando la mezcla de reacción alcanza

el equilibrio, las reacciones molares de las cuatro especies reactivas satisfacen la relación:yc yDy A yB

=4.87

a) Suponga que la alimentación al reactor consiste en nA0, nB0, nC0, nD0 y nI0 gr-mol de A, B, C, D y un gas inerte I, respectivamente. Sea ξ (mol) el grado de avance de la reacción. Escriba expresiones para los gr-mol de cada especie reactiva en el producto final. Después, use estas expresiones y la relación de equilibrio dada y derive una ecuación para ξe, el grado de avance de la reacción en el equilibrio, en términos de nA0, nB0, nC0, nD0 y nI0.

b) Si la alimentación al reactor contiene cantidades equimolares de metanol y ácido acético y ninguna otra especie, calcule la fracción de conversión en el equilibrio.

c) Se desea producir 70 gr-mol de acetato de metilo comenzando con 80 gr-mol de ácido acético. Si la reacción procede hasta el equilibrio, ¿Cuánto metanol debe alimentarse? ¿Cuál es la composición del producto final?

d) Si deseara efectuar el proceso del inciso b) o c) a nivel comercial, ¿Qué necesitaría conocer además de la composición en el equilibrio para determinar si el proceso sería redituable? (Mencione varios factores).

51.- Ocurrió un accidente un trabajador perdió la vida. Se debía limpiar un evaporador grande de acero con tubos de calentamiento interno que se había usado con cloruro de magnesio. Se apagó, drenó y lavó. Al día siguiente, dos empleados que participaban en el mantenimiento del evaporador entraron en el recipiente para reparar los tubos. Al parecer, perdieron el conocimiento por falta de oxígeno. Posteriormente, uno de los empleados se recuperó y logró escapar, pero el otro nunca recupero el sentido y murió varios días después. ¿Qué cree usted que pudo haber causado el accidente (la falta de oxígeno)?

52.- El Oxido de calcio se forma descomponiendo piedra caliza (CaCO, puro). En cierto horno, la reacción tiene un grado de conversión del 70%.

a) ¿Qué composición tiene el producto sólido que se extrae del horno?

b) ¿Cuál es el rendimiento en términos de libras de CO, producidas por libra de piedra caliza cargada al horno?

53.- Un bolígrafo con fugas deja manchas notorias. Las fugas de información aparecen en los noticieros nacionales. Pero un tanque de almacenamiento subterráneo con fugas es extremadamente difícil de detectar. Sugiera algunas formas de detectar tanques con fugas. ¿Qué tan efectivos son los métodos de control por inventarios?

54.- Una revista informo que cuando hay un derrame de petróleo crudo en el mar y se usan bacterias degradadores de petróleo para limpiarlo, éstas requieren el oxígeno disuelto en más de 300,000 galones de agua de mas saturada de aire para descomponer apenas 1gal de crudo ¿Podría ser correcta esta estimación?

55.- Escriba ecuaciones de reacción balanceadas para las siguientes reacciones:

a) C, H y Oxígeno para formar dióxido de carbono y agua

b) FeS y oxígeno para formar Fe, O y dióxido de azufre

56.- La OSHA exige el uso de equipo respiratorio cuando se trabaja dentro o cerca de tanques que contiene trazas de disolventes. Durante la demolición de un tanque viejo, un contratista adquirió varios cilindros de aire comprimido, pintados de color gris. Después de dos días se dio cuenta de que necesitaban más cilindros y envió un camión para comprar otro cilindro. El conductor regresó con un cilindro pintado de negro. Ninguno de los trabajadores, ni siquiera la persona encargada del equipo respiratorio, se percató del cambio o, si lo hizo, le concedió alguna importancia. Cuando se puso en servicio el nuevo cilindro, la careta de un soldador se incendió. Por fortuna, el trabajador se la arranco de inmediato y no sufrió lesiones. ¿Cuál es la causa más probable de este incidente?

57.- Si 1kg de benceno se oxida con oxígeno, ¿Cuántos kilogramos de Oxígeno, se requerirán para convertir todo el benceno en CO y H2O?

58.- La fabricación electrolítica de cloro gaseoso a partir de una disolución de cloruro de sodio tiene lugar según la siguiente reacción:

2NaCl + 2 H2O 2 NaOH + H2 + Cl2

a) ¿Cuántos kilogramos de Cl2, podemos producir a partir de 10m3 de una disolución salina que contiene 5% en peso de cloruro de sodio? El peso específico relativo de la disolución con referencia al agua a 4°C es 1.07

b) Suponga que 50kg de NaCl reaccionan con 10Kg de H2O-- ¿Cuál es el reactivo limitante?-- ¿Cuál es el reactivo en exceso?-- ¿Que componentes contendrá la disolución producto si la reacción se completa en un 60%?

59.- Los contaminantes producidos por la combustión de diesel representa un peligro para el aparato respiratorio y son una causa potencial de cáncer, según la Environmental Protection Agency. En Estados Unidos, el Acta del Aire Limpio de 1990 requirió reducir el contenido de azufre del diesel empleando en las autopistas de 0.30% en peso a 0.05% en peso: una reducción sustancial. ¿Cómo podría lograrse esto de forma económica: en el pozo petrolero, en la refinería, en la gasolinera o en el automóvil?

60.- Se desea preparar una disolución de cloruro sódico en agua que tenga una molalidad de 1.8. Calcúlese el peso de cloruro sódico que habría que colocar en un matraz aforado de 1000cm3 para obtener la concentración deseada llenando el matraz con agua, y manteniendo la temperatura de la disolución a 30°C