Construcción de un reactor químico y distintas reacciones

Por Paula Sánchez Santos con tutor Gregorio Rosa Palacios en el IES Arquitecto Ventura Rodríguez Boadilla Del Monte, 28660 Madrid

A Noviembre 2022

CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR QUÍMICO Y DISTINTAS REACCIONES

Paula Sánchez Santos

Tutor: Gregorio Rosa Palacios

Este proyecto ha sido realizado en el Bachillerato de Excelencia en el IES Arquitecto Ventura Rodríguez en Boadilla del Monte, 28660 Madrid A Noviembre 2022

Construcción de un reactor químico y distintas reacciones por Paula Sánchez Santos se distribuye bajo una licencia de Creative Commons ReconocimientoNoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Para ver una copia de esta licencia, visita https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Este proyecto de investigación ha sido realizado en el IES Arquitecto Ventura Rodríguez bajo la tutoría de Gregorio Rosa Palacios, a quién quiero expresar mi gratitud por su dedicación y gran paciencia en el desarrollo del trabajo. Gracias a su ayuda y a sus consejos, este trabajo ha podido salir adelante.

Además quiero manifestar mi agradecimiento a la profesora Raquel Ariza por toda la ayuda prestada y al propio IES por proporcionarme acceso a las diferentes herramientas que he necesitado para su elaboración.

A todos los profesores que me han aconsejado y ayudado cuando lo he necesitado.

Debo agradecer también a mis compañeros de 2ºD por compartir todas sus experiencias conmigo y todo el apoyo moral durante el que está siendo, el curso más enrevesado de nuestras vidas.

Y por último a mi familia por haberme apoyado incluso en los momentos más duros de todo el trascurso hasta el día de hoy, pero sobre todo a mi madre María Jesús, quién me ha guiado cuando estaba desesperada y siempre ha estado ahí para animarme.

Paula Sánchez Santos

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Construcción de un reactor químico y distintas reacciones

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RESUMEN

Con el presente proyecto se pretende facilitar un diseño para su implementación en prácticas de laboratorio que refuercen los conocimientos teóricos adquiridos en asignaturas como Física, Química y Tecnología, en nivel de Bachillerato a través de la construcción de un reactor químico sencillo con: recipiente de reacción, placa protoboard, sensores y una placa Arduino. En una primera etapa se ha diseñado el circuito a partir de un kit básico Arduino y el software correspondiente, y se han programado sensores compatibles, que recepcionan señales del entorno exterior y envían la información al resto del circuito. Se han seleccionado sensores de temperatura, humedad, presión o presencia de alcohol y gas. En una segunda etapa, el conjunto se ha instalado en el interior de un recipiente donde se va a producir una reacción química con el objeto de obtener información de los cambios en su entorno. Por último, el reactor se ha probado con una selección de reacciones químicas y experimentando en distintas condiciones variando la proporción de los reactivos o con presencia/ausencia de catalizador, para obtener las condiciones suficientes para su uso en el laboratorio.

ABSTRACT-----------------------------------------------------

The main objective of this project is to provide a design for its implementation in laboratory practices that increase the theoretical knowledge acquired in subjects such as Physics, Chemistry and Technology at the Bachillerato level through the construction of a simple chemical reactor with: a reaction container, a protoboard, different sensors and an Arduino board. In a first stage, the circuit had been designed with a basic Arduino kit and the corresponding software, and compatible sensors have been programmed. These ones receive signals from the external environment and send the information to the rest of the circuit. Sensors for temperature, humidity, pressure or presence of alcohol and gas have been selected. In a second stage, the set has been installed inside a container where a chemical reaction will take place in order to obtain information on changes in its environment. Lastly, the reactor has been tested with a selection of chemical reactions and experimenting under different conditions, varying the proportion of reagents or with the presence/absence of catalyst, to obtain sufficient conditions for use in the laboratory.

Keywords: chemical reactions, sensors, chemical reactor, Arduino, program, circuit

Paula Sánchez Santos

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CONTENIDOS

Agradecimientos 5 Resumen y Abstract................................................................................7 Planteamiento y objetivos.....................................................................11

Etapa I: Marco Teórico

1.1 Las reacciones químicas....................................................................13

1.1.1 Producción de Vapor de Agua.................................................13

1.1.2 Producción de gases y presión 15 1.1.3 Variación de la energía térmica 15 1.2 Reactores químicos 16 1.3 Tecnología y programación 18

1.3.1 Sensores..................................................................................18 1.3.2 Arduino...................................................................................19

Etapa II: Diseño, construcción y programación

2.1 Selección de materiales y coste total del proyecto.............................20 2.2 Bocetos y esquemas eléctricos 23 2.3 Construcción y programación 24 2.4 Experimentación 26

Etapa III: Conclusiones

3.1 Conclusiones de la experimentación 29 3.2 Posibles mejoras...............................................................................30 Bibliografía/Webgrafía.........................................................................31

Sánchez Santos

Paula

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PLANTEAMIENTO Y OBJETIVOS

El presente proyecto se enmarca en el área de la Ingeniería Química, disciplina que desde sus inicios, en torno al año 1800, está orientada a la síntesis de la información, los conocimientos y la experiencia en una gran variedad de campos para diseñar el equipo necesario en el que se puedan desarrollar las reacciones químicas (en este caso en un reactor químico) de la forma más eficiente

De esta manera, los reactores químicos se diseñan para maximizar la conversión de reactivos a productos en una reacción química con el menor coste posible.

La aplicación de estos diseños desde la experimentación en laboratorio y plantas piloto, hasta su utilización en la industria, requiere de conocimientos de termodinámica, cinética química, mecánica de fluidos, balances de materia y energía, etc.

Además para el desarrollo de los Sistemas de automatización industrial (fábricas e industria), los sensores son una parte clave. Los sensores de automatización industrial son dispositivos de entrada que proporcionan una señal (salida) con respecto a una cantidad física específica (entrada), que permite monitorizar el trascurso de la reacción.

En los sistemas de automatización industrial, los sensores miden variables de proceso (temperatura, presión, flujo, pH, turbidez), variables eléctricas (voltaje, corriente, frecuencia), variables mecánicas (rotación, número de ciclos, presiones estáticas y dinámicas) y variables ambientales (humedad, vibración, velocidad y dirección del viento).

Así, conseguirán detectar, analizar, medir y procesar gran cantidad de datos, lo que facilitará la realización de pruebas en el diseño de los reactores químicos y en la implantación de controles en los procesos en los que se desarrollan.

Si bien la Ingeniería Industrial y la automatización de los procesos industriales se encuentran fuera del alcance de los estudios de Bachillerato, es importante el entendimiento de su potencialidad dado que están presentes en gran variedad de procesos industriales como la producción de alimentos o medicamentos, el tratamiento de aguas, la producción petroquímica, y actualmente con gran desarrollo en industrias para el reciclaje de residuos.

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Se consideró por tanto de interés, desarrollar un Proyecto que pueda ser considerado para la iniciación de los alumnos en el diseño de un reactor químico, con los siguientes objetivos:

1. Desarrollar un prototipo electrónico con Arduino que permita medir condiciones específicas producidas por una reacción química.

2. Facilitar un modelo experimental para el entendimiento de los cambios en las reacciones químicas.

3. Aplicar la programación para establecer el sistema de monitorización de los cambios producidos en el entorno de una reacción química.

Para alcanzar estos objetivos se establece como objetivo general del proyecto es construir un reactor químico capaz de medir diferentes cantidades físicas con sensores programados en Arduino, para facilitar el diseño e implementación de prácticas de laboratorio que refuercen los conocimientos teóricos adquiridos en asignaturas como Física y Química y Tecnología de Bachillerato y que facilite la compresión del desarrollo y automatización de procesos industriales

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.

1.1 LAS REACCIONES QUÍMICAS

Una reacción química es el proceso en el cual dos o más sustancias, llamadas productos, cambian su estructura molecular y sus enlaces para dar otras sustancias llamadas reactivos. Por ejemplo, cuando la leña arde se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono y vapor de agua y al mismo tiempo se genera gran cantidad de energía química en forma de luz y calor.

Podemos distinguir cuatro tipos diferentes de reacciones según su estructura:

● Reacciones de síntesis o adición (1): dos o más sustancias se combinan para formar otra sustancia más compleja (producto).

● Reacciones de descomposición (2): ocurre un proceso contrario a la adición. Un compuesto químico se divide en sustancias más simples.

● Reacciones de sustitución o desplazamiento (3): donde un átomo se sustituye por otro átomo. Las sustancias que intervienen sufren cambios en su estructura para dar origen a otras sustancias.

● Reacciones de doble sustitución (4): en las que dos compuestos intercambian elementos.

1) 3) 4)

2) Imagen 1.Diagrama de los tipos de reacciones (Fuente: propia)

1.1.1 Producción de Vapor de Agua

El vapor de agua se forma cuando el H2O pasa de estar en estado líquido a estado gaseoso. Hablando a nivel molecular esto ocurre cuando las moléculas de H2O se liberan de las uniones que las mantenían juntas.

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Cuando calentamos el agua estas uniones se rompen más rápido de lo que pueden formarse y por ello son capaces de forman moléculas independientes que componen el vapor de agua.

Existen dos tipos de vapor:

• Vapor seco: se distingue por tener todas sus moléculas en estado gaseoso. Se utiliza para limpiar o desinfectar con instrumentos como vaporetas.

• Vapor húmedo: tiene una pequeña porción de moléculas que ceden su energía y condensan algunas gotas de agua. Por lo que es una mezcla del agua en estado líquido y gaseoso.

Si hablamos de vapor de agua es imprescindible explicar qué es la humedad. Definimos la humedad como la cantidad de vapor de agua que se encuentra en el aire.

Las reacciones químicas exotérmicas en las que se produce agua, se puede generar vapor de agua que modificará la humedad en su entorno.

El sensor de humedad utilizado en este proyecto mide la humedad relativa, que es la relación entre la cantidad de vapor de agua contenida en el aire (humedad absoluta) y la máxima cantidad que el aire sería capaz de contener a esa temperatura (humedad absoluta de saturación) El resultado siempre es un porcentaje y está descrito por la siguiente ecuación:

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1.1.2 Producción de gases y presión

Uno de los indicadores de un cambio químico puede ser el desprendimiento espontáneo de un gas al mezclar los reactivos.

Cuando en una reacción química entre sólidos y líquidos se produce un gas, podemos tener dos situaciones: sistema abierto y sistema cerrado.

Todas las reacciones que se realizan en un recipiente abierto son reacciones que se producen a presión constante puesto que el sistema está en equilibrio con el entorno y la presión se mantiene constante, igual a la atmosférica.

En un sistema cerrado como es un reactor químico, la presión atmosférica inicial, puede verse modificada por la propia reacción química si transcurre con producción de gas o con consumo de él (por ejemplo de oxígeno en una reacción de combustión)

Los gases se diferencian unos de otros en función de sus variables de estado. Estas magnitudes son la presión, el volumen y la temperatura.

En cuanto a la variación de presión (aumento o disminución) en el interior de un reactor químico puede afectar a la propia cinética de la reacción. La monitorización de la presión permite identificar las mejores condiciones para el funcionamiento del reactor, de manera que se optimice el proceso de la reacción química.

1.1.3 Variación de la Energía Térmica

Las variaciones bruscas de temperatura, sin haber enfriado o calentado previamente, es indicador de la presencia de un cambio químico, debido a las diferencias de energía entre los reactivos y los productos.

Las reacciones pueden ser de dos tipos según si liberan o absorben energía:

● Reacciones endotérmicas: son reacciones que absorben energía en forma de luz y calor, como la fotosíntesis de las plantas (6CO2 + 6H2O + energía

→ C6H12O6 + 6O2)

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● Reacciones exotérmicas: son reacciones que desprenden energía en forma de luz o calor, como la combustión del metano (CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + calor)

Imagen 3. Esquema de los dos tipos de reacciones según si desprenden o no calor (Fuente: Educapedia)

1.2 REACTORES QUÍMICOS

Un reactor químico es un equipo capaz de desarrollar una reacción química en su interior.

En él ocurre un cambio debido a esta reacción. Su función principal es maximizar las reacciones deseadas con el menor coste y tiempo posible, de manera que sean interesantes a nivel industrial.

Las principales funciones de un reactor son:

● Asegurar el modo en el que fluyen los reactivos en su interior, para conseguir la mezcla deseada con los materiales.

● Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias gracias un catalizador (sustancia que sin ser modificada durante el proceso, cambia la velocidad de una reacción química.) Pueden ser positivos, cuando aceleran la velocidad de reacción, o negativos si disminuye la velocidad de reacción, para conseguir la extensión deseada de la reacción.

Podemos clasificar los tipos de reactores según su modo de operación, la fase que albergan o el tipo de flujo:

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Según su modo de operación:

● Reactores intermitentes o batch: una vez que se alimenta con los reactivos se debe esperar un tiempo a que finalice la reacción y al finalizar, se obtiene un producto. La concentración de los reactivos va cambiando dentro del reactor a medida que avanza el tiempo de permanencia.

● Reactores continuos: reactores químicos que trabajan de manera continua. Mantiene un flujo estable de alimentación de reactivos y salida de productos. Durante su operación los reactivos presentan diferentes composiciones.

● Reactores semi-continuos: híbrido entre un reactor intermitente y uno continuo.

Según la fase que albergan:

● Reactores homogéneos: representan sistemas que requieren de una sola fase para completar la reacción química, generalmente son muy simples.

● Reactores heterogéneos: representan sistemas heterogéneos que requieren más de una fase para completar la reacción. Estos a su vez pueden clasificarse en catalíticos, los que utilizan catalizadores y no-catalíticos, los que no utilizan catalizadores.

Según el tipo de flujo:

● Reactores ideales: pueden ser descritos por ecuaciones simples y no consideran perturbaciones pequeñas dentro o fuera del reactor.

● Reactores no ideales: los cuales consideran las zonas muertas dentro del reactor o el tipo de mezclado, entre otros factores.

Imagen 4. Dibujo de un reactor químico industrial y sus diferentes partes (Fuente: unac.edu.pe)

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El reactor construido para este proyecto es muy sencillo. Según el criterio anterior de reactores industriales sería un reactor intermitente (dado que es necesario alimentar unos reactivos y esperar un tiempo hasta obtener los productos), homogéneo (porque solo consta de una única fase) e ideal (ya que no considera las perturbaciones de exterior).

1.3

TECNOLOGÍA Y PROGRAMACIÓN

1.3.1 Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar distintos estímulos del exterior, transformándolos en impulsos eléctricos que posteriormente serán interpretados por ordenadores o máquinas específicas, que las analizan y los procesan con el objetivo de generar una respuesta.

Los sensores pueden ser considerados como traductores son traductores que están capacitados para explicar propiedades que existen en el ambiente, ya sea física, química, lumínica, etc., en un lenguaje entendible para las máquinas.

Después depende de la programación utilizada cómo usar la información recopilada. Por ejemplo en el caso del sensor de presión puede programarse para pedir la presión en hPa o en atm.

Tanto el sensor de alcohol como el de gas, se dividen en dos partes: una malla y un anillo de sujeción. Al destapar la malla podemos observar un elemento sensitivo (formado por dióxido de estaño, níquel y plomo) unido a conectores con cables de platino. Este tipo de sensores MQ estudian la interacción que tiene la cantidad física que miden y como altera esa interacción a la corriente eléctrica que circula por el sensor.

El SnO2 absorbe O2 cuando se calienta, pero si existe alcohol o gas la cantidad absorbida de O2 es menor. Los electrones circulan libremente, lo que crea una mayor tensión eléctrica y hace que el sensor detecte la sustancia.

En el caso del detector de humedad existe una placa muy parecía al de los sensores MQ, donde al aumentar la humedad la tensión de salida también

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aumentará. Es importante saber que en ningún caso las piezas de conexión son impermeables.

En cuanto al sensor de presión, se caracteriza por tener un error muy bajo de hasta 0,01 ºC y 0,1 hPa. Puede medir tres variables diferentes presión, temperatura y latitud (pero esta última no afecta en ningún caso a las reacciones químicas) porque contiene diferentes módulos que miden las diferentes cantidades físicas convirtiéndolas en un voltaje determinado que corresponde a un número fijo.

1.3.2 Arduino

Arduino es una herramienta eléctrica que permite realizar proyectos interactivos de la forma más sencilla posible. Es uno de los dispositivos de programación más populares por esta misma razón. Nació en 2005 en el instituto Ivrea (Italia) como un proyecto creado para el acercamiento de la programación a estudiantes. Está compuesto por una placa física con un circuito programable y un software instalable en un ordenador, utilizado para cargar el código del programa desde el ordenador a la tarjeta física. Este software te permite indicar a la placa qué hacer enviando las instrucciones al micro-controlador que tiene la placa física.

El cerebro de la placa es ese micro-controlador ATMEL dónde se pueden grabar instrucciones con los programas que interactúan con la placa. Además posee una interfaz de entrada, que es una conexión que se encarga de procesar los datos que entran directamente a la tarjeta, y una interfaz de salida que se encarga de llevar la información procesada por la placa a los diferentes componentes que pueda tener la placa base.

Es necesario una placa base para poder llevar a cabo los proyectos que se puedan crear con Arduino. Una placa base es una base física dónde se conectan todos los componentes que tenga el proyecto. Dependiendo del diseño que se quiera construir, existen 24 placas oficiales de Arduino diferentes.

Para este proyecto se ha utilizado la placa Arduino UNO, el modelo más popular entre todas ellas. Estas son sus partes:

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2.1

Imagen 5 Esquema de las partes de la placa Arduino UNO (Fuente: BricoGeek)

ETAPA II: DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y

SELECCIÓN DE MATERIALES Y COSTE TOTAL

DEL PROYECTO

El reactor construido para este proyecto es muy sencillo, que, según lo indicado en los anteriores apartados, sería un reactor intermitente (dado que es necesario alimentar unos reactivos y esperar un tiempo hasta obtener los productos), homogéneo (porque solo consta de una única fase) e ideal (ya que no considera las perturbaciones de exterior).

Imagen 6. Componentes del reactor químico (Fuente: propia)

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Ordenador portátil

Placa Arduino Placa Protoboard

Caja contenedor

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Como se explicó antes, se eligió la placa Arduino por varios motivos: porque es una de las más sencillas y asequibles a la hora de programar y porque ya tenía conocimientos básicos previos de este tipo de programación.

Para poder completar el circuito hace falta también una placa protoboard y cables hembra-hembra y hembra-macho, que vienen incluidos en el propio kit de iniciación. Se han seleccionado como parámetros a monitorizar el entorno de las reacciones con sensores que miden: temperatura, humedad, presión y producción de gases y alcoholes de baja temperatura de evaporación.

Elegir los detectores fue una tarea más complicada ya que los sensores que pueden ser útiles en un reactor a esta escala no son demasiados. Al final se incluyeron sensores de presión y temperatura, detección de gas y alcohol y humedad, con las siguientes características:

- Kit de sensores Keyestudio Kit 37 in 1 sensores KS0068:

o Sensor de gas para detectar si existe presencia de todo tipo de humo y metano (Keyestudio MQ-2)

o Sensor de presencia de alcohol (Keyestudio MQ-3)

o Sensor de humedad (Keyestudio Water Vapor)

- BMP 280 Preasure Sensor (presión y temperatura).

Se utilizará un sensor de temperatura para motorizar la variación de la misma en el entorno de las reacciones químicas producidas en el reactor. Podremos observar si son reacciones endotérmicas o exotérmicas y si se producen variaciones cambiando las proporciones de los reactivos. Dentro de esta selección había un sensor de temperatura pero al final fue elegido el sensor BMP280 por su mayor precisión.

Se utiliza el reactor para medir la presión barométrica, que es el valor de la presión atmosférica que se mide en un punto en el interior del reactor, teniendo en cuenta que el reactor construido no puede considerarse estrictamente como un sistema cerrado.

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Por último, para seleccionar el tipo de caja del reactor se necesitó investigar sobre los materiales más resistentes a los reactivos, productos y condiciones de la reacción. En general las opciones posibles eran demasiado costosas, por lo que la elección final fue una caja con tapa de PET de 26x35x15 cm de la marca Ikea que permite alojar además del vaso de reacción, todos los componentes citados. Una de las características de esta caja es que permite disponer todos los cables que van conectados al ordenador a través de una abertura lateral.

Imagen 7. Esquema de las medidas de la caja en m (Fuente: propia)

Cuando se comenzó la experimentación, al añadir los reactivos y cerrar la tapa se perdían unos segundos en los que el sistema no permanecía cerrado por lo que se añadió un servomotor con un pequeño cazo programado para añadir reactivos sólidos mientras la tapa permanece bajada y cuando los sensores empiezan a recoger información. Se presenta a continuación la imagen final del reactor:

Imagen 8. Fotografía del reactor químico (Fuente: propia)

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2.2

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El coste total de los componentes se puede ver resumido en la siguiente tabla:

Ítem Unidad/es Precio (€)

Caja Ikea PET 1 12,00

Kit Iniciación Arduino UNO 1 27,99

Keyestudio MQ-3 Alcohol 1 1,57*

Keyestudio MQ-2 Gas 1 1,44*

Keyestudio Water Vapor 1 3,61*

BMP 280 1 6,62*

Cables Hembra-Macho 20 cm 100 2,25 Servomotor l 5,90 Total 61,38

*los precios de los sensores pertenecientes al kit fueron divididos para la elaboración del presupuesto.

BOCETOS Y ESQUEMAS ELÉCTRICOS

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En esta imagen se representa el esquema del cableado de los diferentes sensores a la placa protoboard y al Arduino Cada número representa: 1) Keyestudio Water Vapor 2) BMP 280 Temperature and Pressure 3) Keyestudio MQ-3 Alcohol 4) Keyestudio MQ-2 Gas 5) Servomotor con aspa 6) Placa arduino UNO 7)

Cableado:

Negro (GND): tierra

Rojo (VCC): polo postivo

Azul: señal analógica

Naranja: señal digital 8) Placa Protoboard

2.3 CONSTRUCCIÓN Y PROGRAMACIÓN

El comienzo es una de las partes más importantes del proyecto. En este caso se empezó por la colocación de los sensores y el cableado. Todos los sensores tienen que tener una toma a tierra y tensión positiva. Además de tener una salida digital (permite cambiar intensidades) y en algunos casos salida analógica (pueden leer intensidades con mucha más precisión), que debe estar especificado en el manual del sensor.

A continuación pasamos a la programación digital con el software de Arduino. Podemos programar los sensores de uno en uno y la precisión sería bastante mayor, pero para no complicar el proceso se decidió crear un único programa con todos los sensores.

Primero debemos definir los pines analógicos y digitales en los que estarán colocados los distintos sensores y para el sensor BMP añadimos una librería específica que nos ayuda a facilitar la programación.

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Para todo el proceso de programación del sensor BMP280 se han seguido las instrucciones indicadas en el siguiente video, que se puede visualizar mediante el enlace o el código QR. (https://www.youtube.com/watch?v=LtZ_b2WVMrU).

Lo dividimos en void setup (dónde colocaremos una única función que será la principal) y void loop (el resto del programa que queremos que se repita una y otra vez). Dentro de este último apartado añadiremos los programas específicos de cada sensor.

Todos estos programas se han recogido de los manuales oficiales de cada sensor, ya que la mayoría de empresas incluyen los programas ya hechos para facilitar la instalación de los sensores. (Programa completo en anexos)

La única función que tienen todos los sensores es Serial.print que permite “imprimir” la información captada por los sensores en la pantalla del ordenador dentro del programa Arduino. El servomotor es diferente ya que se programa según los ángulos que forma con las aspas.

Tras comprobar que todos los pasos anteriores son correctos y los sensores funcionan correctamente, pasamos a su colocación dentro de la caja PET. Debemos colocar todos los cables de la forma más sencilla posible para poder pasarlos por el hueco lateral izquierdo.

Imagen 10. Fotografía del reactor cerrado (Fuente: propia)

Esta es una fotografía real del reactor cerrado con el cable azul USB que conecta la placa Arduino UNO con el ordenador y lleva toda la información.

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2.4 EXPERIMENTACIÓN

Para poner a prueba el reactor se propuso la siguiente práctica de laboratorio:

Práctica de Laboratorio “Reacción del Carbonato Cálcico y el Ácido Acético”

Objetivo:

Observar cómo varían las diferentes características físicas que mide el reactor químico cuando el ácido acético reacciona con el carbonato cálcico cuando se mezclan en diferentes proporciones estequiométricas.

Materiales:

• Reactor químico con sensores programados en Arduino

• Hidrogeno carbonato

• Ácido Acético (vinagre)

• Recipiente para la reacción

• Cazo pequeño

Procedimiento:

Primero debemos averiguar las cantidades necesarias de los reactivos para que puedan reaccionar correctamente. La reacción que se produce es la siguiente: 2 CH3COOH + CaCO3 → Ca(CH3COO)2 + H2O + CO2 Ácido Acético + Carbonato Cálcico → Acetato de Calcio + Agua + Dióxido de Carbono

Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción y considerando que los reactivos tienen 100% de pureza y el rendimiento de la reacción es del 100%, 5,00g de Carbonato cálcico reaccionan con 5,99g de ácido acético.

A partir de estos cálculos se seleccionaron diferentes relaciones entre los reactivos para realizar tres experiencias diferentes:

1. Con 10 g de carbonato cálcico y 11,98 g de ácido acético

2. Con 15 g de carbonato cálcico y 17,97 g de ácido acético (Exceso de CaCO3)

3. Con 10 g de carbonato cálcico y 11,98 g de ácido acético (Exceso de CH3COOH)

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En cada caso se colocan el ácido acético en el vaso medidor y el carbonato cálcico en el cazo que sujeta el servomotor.

Se mantiene el tiempo de medición constante en todos los casos: 230 segundos.

Los sensores utilizados en esta reacción son de temperatura y presión, detección de gas y humedad, que toman datos de la reacción.

Se recopilan los datos medidos por los sensores en el programa, se trasladan a una hoja Excel y se presentan en forma de gráfico para facilitar el análisis de los valores en función del tiempo.

Resultados:

Las tablas numéricas de los resultados se encuentran en los anexos

PRIMERA EXPERIENCIA (10g CaCO3 y 11,98g CH3COOH):

Imagen 11. Variación de la Temperatura en el tiempo

Imagen 12. Variación de la Humedad en el tiempo

Imagen 13. Detección de gas (0=No detectado y 1= Detectado)

Imagen 14. Variación de la presión en el tiempo

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SEGUNDA EXPERIENCIA (15g CaCO3 y 11,98g CH3COOH):

Imagen 15. Variación de la Temperatura en el tiempo 2ª Experiencia

Imagen 16. Variación de la Humedad en el tiempo 2ª Experiencia

Imagen 17. Detección de gas (0=No detectado y 1= Detectado) 2ª Experiencia

Imagen 18. Variación de la presión en el tiempo 2ª Experiencia

TERCERA EXPERIENCIA (10g CaCO3 y 17,97g CH3COOH):

Imagen 19. Variación de la Temperatura en el tiempo 3ª Experiencia

Imagen 20. Variación de la Humedad en el tiempo 3ª Experiencia

Imagen 21. Detección de gas (0=No detectado y 1= Detectado) 3ª Experiencia

Sánchez Santos

Imagen 22. Variación de la presión en el tiempo 3ª Experiencia

Paula

3.1 CONCLUSIONES DE LA EXPERIMENTACIÓN

Hemos comprobado que es posible construir un reactor químico con un presupuesto de 61,38 €, a partir de unos sensores y la placa de Arduino Uno.

El reactor ha funcionado correctamente en todas las pruebas realizadas.

A continuación se exponen las conclusiones tras terminar las tres experiencias:

1. La variación de las magnitudes físicas en las diferentes gráficas de cada experiencia es coherente presentando la evolución de las mismas en el trascurso de la reacción química.

2. En las tres experiencias el sensor detecta un aumento de temperatura en el intervalo de tiempo en el que se produce la reacción, como era de esperar al tratarse de una reacción exotérmica.

3. En las tres experiencias se detecta gas y variaciones muy pequeñas en la presión que está relacionada con la producción de CO2 (gas) en la reacción química.

4. En todos los casos se mide un aumento de la humedad que puede ser atribuido al arrastre de moléculas de agua (producto de la reacción) por el dióxido de carbono.

5. Si se compara la misma magnitud en las tres experiencias se aprecia como varía se alcanza el valor máximo en diferentes tiempos, indicando que la segunda experiencia (exceso carbonato sódico) tiene una velocidad de reacción más lenta y la tercera (exceso de ácido acético) más rápida.

En los anexos se añaden algunas propuestas de prácticas de laboratorio para alumnos de 1º o 2º de Bachillerato (incluyendo prácticas con el sensor de alcohol). Con estas prácticas se interdisciplina la programación y la química, donde es posible aprender por un lado a programar con un programa sencillo e intuitivo como Arduino, y a comprender cómo varían las cantidades físicas en diferentes reacciones gracias a la monitorización de estos. La duración de los experimentos puede ser modificada en el programa y en lugar de tomar datos cada dos segundos, tomar datos cada 1 o 2 minutos.

Sánchez Santos

Paula

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Como dificultades que se han presentado en el desarrollo del Proyecto se destacan las siguientes:

- La búsqueda de los programas para el uso de los sensores compatibles con la medición a realizar.

- El sensor de presión utilizado inicialmente presentó fallos de funcionamiento y fue necesario adquirir otro modelo de características similares pero de mejor calidad. Finalmente el sensor nuevo (BMP280) se pudo programar y funcionar correctamente.

- La búsqueda

3.2 POSIBLES MEJORAS

Después de terminar el presente trabajo de construcción y uso de un reactor químico, éstas son las posibles propuestas para mejorar las experiencias:

a. Conseguir que el sistema pueda trabajar en condiciones de sistema hermético y poder obtener resultados más preciosos

b. Añadir más tipos de sensores, por ejemplo de la familia MQ, para la medición de otros gases.

c. Utilizar una caja más adecuada al tamaño de los sensores y de un material completamente transparente (importante, resistente a los productos corrosivos).

d. Desarrollar experiencias prácticas para trabajar en la optimización de procesos químicos sencillos.

e. Añadir una pantalla digital a la placa protoboard para ver desde ella los datos que recogen los sensores.

Paula Sánchez Santos

BIBLIOGRAFÍA / WEBGRAFÍA

✓ [1] “3 Experimentos con bicarbonato de sodio. Profes en Apuros.” https://www.profesenapuros.com/blog/experimentos/3-experimentos-conbicarbonato-de-sodio/

✓ [2] “Arduino: todo lo que necesitas saber | Aula21. AULA21” https://www.cursosaula21.com/arduino-todo-lo-que-necesitas-saber/

✓ [3] “Ejemplos de Reacción de Doble Sustitución. (2017, Enero 24). Químicas.” https://www.quimicas.net/2015/05/ejemplos-de-reaccion-de-doble.html

✓ [4] “Ejemplos de Reacción Exotérmica. (2015, Octubre 26). Químicas.” https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reaccion-exotermica.html

✓ [5] “Experiencias de laboratorio - Química de 2º de BAC. 100cia” http://www.100ciaquimica.net/exper/exp2bqui/e2bq24r.htm

✓ [6] “Fernández, Qué es Arduino, cómo funciona y qué puedes hacer con uno. Xataka”

https://www.xataka.com/basics/que-arduino-como-funciona-que-puedes-haceruno

✓ [7] “Física y Química 1º Bachillerato - Leyes de los gases. Ecuación de los gases ideales. Google Sites.”

https://sites.google.com/iesitaca.org/fsica1bachillerato/fisica-y-quimica-1obachillerato/unidad-5-la-teor%C3%ADa-at%C3%B3mico-molecular-de-lamateria/leyes-de-los-gases-ecuaci%C3%B3n-de-los-gases-ideales

✓ [8] “Física y química 1º Bach Tema 2 – El estado de la materia 1. Mestre a casa.”

https://mestreacasa.gva.es/c/document_library/get_file?folderId=500019476297 &name=DLFE-1511174.pdf

✓ [9] “FUNDACIÓN AQUAE. ¿Sabes qué es un Arduino y para qué sirve?” https://www.fundacionaquae.org/wiki/sabes-arduino-sirve/

✓ [10] “Keyestudio STEAM y Makers - Olot. (n.d.). Innova Didactic.” https://shop.innovadidactic.com/es/96-keyestudio-steam-y-makers

✓ [11] “Presión atmosférica. Netatmo”

https://www.netatmo.com/es-es/glosario/presion-atmosferica

Paula Sánchez Santos

Construcción de un reactor químico y distintas reacciones

✓ [12] “QUÉ es la Energía Térmica | Tipos de Energía Térmica y aplicaciones. REFORMAS Málaga.” https://reformaenergeticamalaga.es/que-es-la-energia-termica.html

✓ [13] “¿QUÉ ES VAPOR SECO? LinkedIn.” https://es.linkedin.com/pulse/qu%C3%A9-esvapor-seco-inoclean-enfoque-eninocuidad

✓ [14] “Relative Humidity. Hyperphysics.” http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Kinetic/relhum.html

✓ [15] “Sensores Eléctricos: Funcionamiento, Tipos, Aplicaciones... Area Tecnologia.” https://areatecnologia.com/electricidad/sensores-electricos.html

✓ [16] Some Chemical Reaction Types. Hyperphysic. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Chemical/reactype.html

✓ [17] “Wikipedia - Reacción química.” https://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmica

✓ [18] “ZS ESPAÑA. ¿Qué es una reacción química? Definición, ejemplos y tipos de reacciones químicas”

https://www.zschimmer-schwarz.es/noticias/que-es-una-reaccion-quimicadefinicion-ejemplos-y-tipos-de-reacciones-quimicas/

✓ [19] “3 Experimentos con bicarbonato de sodio. Profes en Apuros.” https://www.profesenapuros.com/blog/experimentos/3-experimentos-conbicarbonato-de-sodio/

Paula Sánchez Santos