MODELO DE REACCIONES QUÍMICAS Trabajo de investigación presentado como requisito para la nota del curso Araque Farfan Jhon William Ortiz Gomez José Esneyder Reyes Mora Cristian Andres Director Msc. Diego Armando Morales Mosquera Departamento de Matemáticas y Estadı́stica Facultad de Ciencias Exactas. Universidad SURCOLOMBIANA Neiva USCO 1 Matemática Aplicada Índice general 0.1. Modelo De Reacciones Quı́micas . . . . . . . . . . 0.1.1. Deducción del Modelo . . . . . . . . . . . 0.1.2. Solución del Modelo . . . . . . . . . . . . 0.1.3. Análisis Cualitativo y Analı́tico del Modelo 0.1.4. Problemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.1.5. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 . 6 . 7 . 8 . 12 . 19 introducción El presente trabajo tiene como finalidad mostrar el proceso que se lleva a cabo al reaccionar dos sustancias quı́micas, mediante un modelo matemático que está representado por una ecuación diferencial autónoma. A su vez haremos un análisis detallado del modelo, para ser más especı́ficos se desarrollará un análisis cualitativo y analı́tico donde se podrá evidenciar el comportamiento de dicha reacción en un tiempo dado, además se realizarán ejemplos que ilustrarán el funcionamiento del modelo. USCO 3 Matemática Aplicada Marco Teórico Las reacciones Quı́micas Las reacciones quı́micas como ya sabemos, podemos distinguir entre cambios fı́sicos y quı́micos. Los cambios quı́micos, en los cuales se modifica la naturaleza de las sustancias que intervienen, reciben el nombre de reacciones quı́micas. En general, las sustancias o compuestos presentes antes de que ocurra la reacción quı́mica se llaman reactivos y las sustancias que aparecen tras la reacción son los productos. Las reacciones quı́micas ocurren continuamente en la Naturaleza y también pueden reproducirse en el laboratorio de forma controlada. Ello nos ha permitido estudiar cómo y por qué se producen, y extraer provecho de ellas. En ocasiones no es fácil detectar el transcurso de una reacción quı́mica. Algunos hechos pueden servirnos como indicativos de un cambio quı́mico; la aparición repentina de sustancias sólidas (precipitados); el desprendimiento de gases, el aumento o disminución bruscos de la temperatura y los cambios de color son, quizás, los más destacados. Pero ¿qué sucede realmente durante una reacción quı́mica? Tomemos como ejemplo la oxidación del hierro. Lo que observamos es la transformación del metal en herrumbre: ”desaparece el hierro” y “aparece el óxido”. ¿Dónde está el misterio? Actualmente sabemos que las sustancias están formadas por átomos enlazados en unas determinadas proporciones. Durante una reacción quı́mica, lo que sucede es una reorganización de los átomos que forman los reactivos para dar lugar a los productos, sin que, en realidad, aparezca o desaparezca nada. Los átomos del hierro y los del oxı́geno del aire se combinan para producir óxido de hierro. Se conocen millones de reacciones quı́micas diferentes, y cada dı́a se Figura 1: Reacciones de sustancias Tomado de: https://www.lamanzanadenewton.com/materiales/ aplicaciones/lrq/lrq_rq.html descubren algunas más. Muchas son de enorme importancia vital o industrial. El objetivo de los quı́micos es, por un lado, clasificarlas y dilucidar la forma en que ocurren y, por otro, intentar aprovechar el potencial que nos ofrecen. En ocasiones no es fácil detectar el transcurso de una reacción quı́mica. Algunos hechos pueden servirnos como indicativos de un cambio quı́mico; la aparición repentina de sustancias sólidas (precipitados); el desprendimiento de gases, el aumento o disminución bruscos de la temperatura y los cambios de color son, quizás, los más destacados. USCO 4 Matemática Aplicada Por otra parte, siendo dx = kx ∗ dt una reacción de primer orden, en quı́mica, unas pocas reacciones se comportan de acuerdo con la misma ley empı́rica: si las moléculas de una sustancia A se descomponen en moléculas más pequeñas, es natural suponer que la rapidez con la que está descomposición tiene lugar es proporcional a la cantidad de sustancia inicial que no ha experimentado conversión. Esto es, si x(t) es la cantidad de sustancia A restante en un instante cualquiera, entonces la ecuación (*) es válida. En la ecuación (∗), k es negativa, porque x(t) es decreciente. Para la siguiente reacción que corresponde a la conversión de cloruro de ter-butilo en alcohol ter-butı́lico. (CH3 )3 CCL + N aOH −→ (CH3 )3 COH + N aCL La rapidez de la reacción es controlada sólo por la concentración de cloruro de Ter-butilo. Ahora bien, en la reacción. (CH3 )3 CL + N aOH −→ (CH3 )3 OH + N aCL Se tiene que por cada molécula de cloruro de metilo se consume una molécula hidróxido de sodio formándose ası́ una molécula de alcohol metı́lico y una molécula de cloruro de sodio. En este caso, la rapidez con la cual la reacción se desarrolla es proporcional al producto de las concentraciones de CH3 CL Y N aOH restantes. Si x(t) es la cantidad de CH3 OH formado, y si α y β son las cantidades dadas de las dos sustancias quı́micas originales A y B, entonces las cantidades instantáneas que no se convierten en la sustancia quı́mica C son α − x y β − x, respectivamente. En consecuencia, la rapidez de formación de C está dada por siguiente ecuación diferencial. dx = k(α − x)(β − x) dt ∗∗ En donde k es una constante de proporcionalidad. Se dice que una reacción descrita por la ecuación (∗∗) es de segundo orden. USCO 5 Matemática Aplicada 0.1. Modelo De Reacciones Quı́micas 0.1.1. Deducción del Modelo Las reacciones quı́micas pueden denotarse por una ecuación estequiométrica: αA + βB + · · · = α1 P + β2 Q + · · · en la que los sı́mbolos A y B son formulas quı́micas que representan las sustancias que reaccionan para dar productos P y Q. Los números α, β, α1 y β2 , significan que α moléculas de A reaccionan con β moléculas de B para dar α1 moléculas de P y β moléculas de Q. Estas ecuaciones pueden ser escritas como: 0 = −αA − βb + · · · + α1 P + β2 Q + · · · = vA A + vB b + · · · + vP P + vQ Q + · · · y a los números −α, −β, α1 , α2 se les llama números estequiométricos. La velocidad de reacción es la variación de concentración, dividida por el correspondiente número estequiométrico. Esta cantidad de velocidad es la misma para cada sustancia y por lo tanto para una reacción general de la forma (1) tendrı́amos: v=− 1 d[B] 1 d[P ] 1 d[Q] 1 d[A] =− = = = ··· α dt β dt α1 dt β1 dt (1) En las llamadas reacciones elementales del tipo αA + βB + · · · −→ Productos la velocidad de reacción tiene la forma: v = k[A]φ [B]λ · · · (2) donde k es la constante de velocidad de la reacción y los números φ y λ representan el orden de la reacción. Se dice que el exponente φ representa el orden con respecto al reactivo A y λ representa el orden respecto al reactivo B y la suma de φ + β + · · · es el orden de la reacción. De esta manera una reacción de segundo orden con un solo reactivo seria de la forma: 2A −→ Productos y una reacción de segundo orden con dos reactivos, seria: 1A + 1B −→ Productos Ası́, teniendo en cuenta las ecuaciones (1) y (2) la ecuación diferencial que describe una reacción de este tipo es: v=− USCO d[B] d[A] =− = v = k[A]1 [B]1 = k[A][B] dt dt 6 Matemática Aplicada de forma que si llamamos x(t) a la concentración de [A] o [B] que han reaccionado hasta el instante t y las concentraciones iniciales de A y B son [A]0 = α y [B]0 = β, resulta que [A] = (α − x(t)) y [B] = (β − x(t)). En consecuencia: d[B] d[A] =− dt dt d(α − x) d(β − x) =− =− dt dt dx = k(α − x)(β − x) = dt v=− 0.1.2. Solución del Modelo dx = k(α − x)(β − x), dt con α, β > 0 sustancias quı́micas y con k > 0, una constante de proporcionalidad. dx = k(α − x)(β − x) dt 1 dx =k (α − x)(β − x) dt Z Z dx = kdt (α − x)(β − x) (3) (4) Para solucionar el miembro derecho de la ecuación (1) utilizamos fracciones parciales, esto es: 1 A B = + (α − x)(β − x) (α − x) (β − x) 1 = A(β − x) + B(α − x) 1 = Aβ − Ax + Bα − Bx 1 = (Aβ + Bα) + (−B − A)x (5) De (5) tenemos: Aβ + Bα = 1 ⇐⇒ −B − A = 0 Aβ + Bα = 1 −A = B (6) (7) Reemplazando (7) en (6), se obtiene: 1 = Aβ − Aα = A(β − α) ⇐⇒ 1 1 = A =⇒ B = − β−α β−α Luego la ecuación (4) queda: USCO 7 Matemática Aplicada Z Z Z A B dx + dx = kdt α−x β−x Z Z 1 1 1 1 dx − dx = kt + c ⇐⇒ β−α α−x β−α β−x 1 1 ln |α − x| + ln |β − x| = kt + c ⇐⇒ − β−α β−α 1 ⇐⇒ (ln |β − x| − ln |α − x|) = kt + c β−α β−x 1 ⇐⇒ ln = kt + c β−α α−x β−x ⇐⇒ ln = kt(β − α) + c(β − α) α−x β−x = ekt(β−α) · ec(β−α) ⇐⇒ α−x β−x = Cekt(β−α) , con C = ec(β−α) ⇐⇒ α−x ⇐⇒ β − x = Cekt(β−α) (α − x) dx = (α − x)(β − x) Z (˜∗) ⇐⇒ β − x = αCekt(β−α) − xCekt(β−α) ⇐⇒ β − αCekt(β−α) = x − xCekt(β−α) ⇐⇒ β − αCekt(β−α) = x 1 − Cekt(β−α) β − αCekt(β−α) = x(t) 1 − Cekt(β−α) La ecuación (8) es la solución del modelo de reacciones quı́micas. ⇐⇒ 0.1.3. (8) Análisis Cualitativo y Analı́tico del Modelo Para encontrar los punto de equilibrio de nuestro modelo, hacemos dx = 0, esto es: dt dx = 0 ⇐⇒ k(α − x)(β − x) = 0 dt ⇐⇒ α − x = 0 ∨ β − x = 0 ⇐⇒ x = α ∨ x = β. Ahora, observaremos la clasificación de los puntos de equilibrio de nuestro modelo. Como el modelo es una EDO Autónoma, esto significa que dx = g(x), donde g(x) = k(α − x)(β − x) dt Reescribiendo g(x) = k(α − x)(β − x) = kαβ − kαx − kβx + kx2 . Luego, como g(x) es una función diferenciable continua, y además x = α y x = β son puntos USCO 8 Matemática Aplicada de equilibrio, entonces utilizamos el teorema de linearización. Derivamos la función g(x), de tal forma que: g 0 (x) = −kα − kβ + 2kx Para x = α, tenemos: g 0 (α) = −kα − kβ + 2kα = kα − kβ = k(α − β) Donde resultan 3 casos: Caso (i). Si k(α − β) < 0 −→ k < 0 ∨ α < β. Pero, como para el modelo k > 0, entonces tenemos que α < β. Luego, g 0 (α) = k(α − β) < 0 es un sumidero. Esto significa que para el punto de equilibrio x = α la reacción tiende a estabilizarse cuando t −→ ∞, es decir, la velocidad de reacción va hacer más rápida ocasionando que la cantidad sustancia obtenida tiende asintóticamente alrededor de x = α para que la ecuación quı́mica se mantenga en equilibrio. Figura 2: Para α < β Caso (ii) . Si k(α − β) > 0 −→ (k > 0 ∧ α < β) ∨ (k < 0 ∧ β > α) > 0. Pero, como para nuestro modelo k > 0, entonces nos queda que k > 0 ∧ α > β. USCO 9 Matemática Aplicada Luego, g 0 (α) = k(α − β) > 0 es una fuente. Esto significa que la ecuación estequiométrica no va a estar balanceada para el punto de equilibrio x = α. Figura 3: Para α > β Caso (iii) . Si k(α − β) = 0 −→ k = 0 ∨ α = β. Pero k = 0 no puede ser, debido a que es una constante de proporcionalidad, además el teorema de linealización no garantiza la clasificación para este punto. Para x = β, tenemos: g 0 (β) = −kα − kβ + 2kβ = −kα + kβ = k(β − α) Donde resultan tres casos Caso (i). Si k(β − α) < 0 −→ k < 0 ∨ β < α. Pero, como para nuestro modelo k > 0, entonces queda que β < α. Luego, g 0 (β) = k(β − α) < 0 es un Sumidero. Esto significa que para el punto de equilibrio x = β la reacción tiende a estabilizarse cuando t −→ ∞, es decir, la velocidad de reacción va hacer más rápida ocasionando que la cantidad sustancia obtenida tiende asintóticamente alrededor de x = β para que la ecuación quı́mica se mantenga en equilibrio. USCO 10 Matemática Aplicada Figura 4: Para β < α Caso (ii) . Si k(β − α) > 0 −→ (k > 0 ∧ β < α) ∨ (k < 0 ∧ α > β). Pero, como para nuestro modelo k > 0, entonces nos queda que k > 0 ∧ β > α. Luego g 0 (β) = k(β − α) > 0 es una Fuente. Esto significa que la ecuación estequiométrica no va a estar balanceada para el punto de equilibrio x = α. USCO 11 Matemática Aplicada Figura 5: Para β > α Caso(iii) . Si k(β − α) = 0 −→ k = 0 ∨ α = β. Pero k = 0 no puede ser, debido a que es una constante de proporcionalidad, además el teorema de linearización no garantiza la clasificación para este punto. 0.1.4. Problemas. Ejemplo 1 Dos sustancias quı́micas A y B se combinan para formar una sustancia quı́mica C. La reacción que resulta entre las dos sustancias quı́micas es tal que por cada gramo de A se usan 4g de B. Se observa que se forman 30g del compuesto C en 10 minutos. Determine la cantidad C en un instante cualquiera si la rapidez de la reacción es proporcional al producto de las cantidades de A y B restantes y si en un principio hay 50g de A y 32g B. ¿Qué cantidad de compuesto C hay después de 15 minutos? Interprete la solución cuando t −→ ∞. Solución. Sea x(t) el número de gramos de compuesto C presentes en un instante cualquiera. Se sabe que x(0) = 0 y x(10) = 30. Suponiendo que hay 2 gramos de compuesto C habrá α gramos de A y β gramos de B. Por USCO 12 Matemática Aplicada 2 tanto, α + β = 2, β = 4α. De esta manera, se tiene que utilizar α = gramos de sustancia A 5 8 y β = gramos de B. 5 x 4 Para x gramos de C se deberán emplear gramos de A y x gramos de B. Las cantidades 5 5 4 x restantes de A y B en un instante cualquiera son 50 − y 32 − x. 5 5 La rapidez con que el compuesto quı́mico C se forma satisface la ecuación x 4 dx ∝ 50 − 32 − x dt 5 5 1 4 Se factoriza del primer término y del segundo, luego se introduce la constante de propor5 5 cionalidad dx = k(40 − x)(250 − x) dt La ecuación anterior representa un caso particular de la ecuación (2) que modela una reacción quı́mica de segundo orden donde α = 40 y β = 250, por lo tanto, haciendo uso de la ecuación (8) que soluciona el modelo y además aplicando las condiciones iniciales x(0) = 0 y x(10) = 30, tenemos: β − αCekt(β−α) 1 − Cekt(β−α) 250 − 40Cek(0)(210) x(0) = 1 − Cek(0)(210) 250 − 40C x(0) = 1−C 250 − 40C 25 0= =⇒ =C 1−C 4 x(t) = USCO 13 Matemática Aplicada Ahora, conocido el valor de C y utilizando x(10) = 30, se encuentra el valor de la constante de proporcionalidad k: x(10) = 30 = 30 − 250 − 250ek(10)(210) 1 − 25 ek(10)(210) 4 250 − 250e2100k 1 − 25 e2100k 4 375 2100k e = 250 − 250e2100k 2 375 2100k 220 = 250e2100k − e 2 125 2100k 220 = e 2 88 = e2100k 25 88 ln = 2100k 25 k = 0.000599268 Sustituyendo el valor de k resulta que 1 − e0.1258t x(t) = 1000 4 − 25e0.1258t La ecuación anterior nos indica la cantidad de compuesto C en cualquier instante t. Figura 6: Convergencia para x(t) cuando t −→ ∞. En la figura se muestra que x −→ 40 cuando t −→ ∞. Esto significa que se forman 40 gramos de compuesto C y que quedan USCO 14 Matemática Aplicada 1 50 − (40) = 42g de sustancia A 5 4 32 − (40) = 0g de sustancia B 5 Ejemplo 2 Obtención del producto C en una reacción de dos sustancias A y B. La reacción que utilizaremos es: A + B −→ C que es derivada de la ecuación de equilibrio. Tomemos la siguiente reacción en particular para ilustrar lo anterior 2Na (s) + Cl1 (s) −→ 2NaCl(s) Tomando en cuenta datos experimentales podemos establecer las condiciones iniciales Condición inicial t = 0; x(c) = 0 Despues de cierto tiempo t = 30min; x(c) = 1kg Cantidad inicial de cada sustancia Na (α) = 5kg Cl(β) = 8kg De acuerdo con los datos anteriores determine la cantidad de sal que se producen al transcurrir 360 minutos de la condición inicial t = 0. Solución. Trabajemos con nuestra solución general del modelo β − αCekt(β−α) x(t) = 1 − Cekt(β−α) Reemplazando nuestros valores iniciales después de cierto tiempo t y tomando a C = 1 en nuestra solución general tenemos que USCO 15 Matemática Aplicada 8 − 5ek(30)(8−5) 1 − ek(30)(8−5) 8 − 5ek(90) 1= 1 − ek(90) 1 − ek(90) = 8 − 5ek(90) x(30) = 7 = 5ek(90) − ek(90) 7 = 4ek(90) 7 = ek(90) 4 7 ln = 90k 4 k = 0.0062179532 Ası́, podemos deducir que nuestra constante de proporcionalidad es k = 0.0062179532 y entonces aplicando las constantes anteriores y nuestras condiciones iniciales podemos encontrar que tan rápido es la producción de sal cuando hayan transcurrido 360 minutos desde nuestro tiempo inicial. 8 − 5e(0.0062179532)(90) 1 − e(0.0062179532)(90) 8 − 5e0.56 = 1 − e0.56 −0.7534 = = 1.0036 kg de sal −0.7507 x(360) = Con los datos experimentales que decidimos tomar la producción de sal es muy lenta ya que han pasado 5.5 horas más que lo que tenı́amos cuando el tiempo era de 30 minutos y apenas genero 1.0036kg más de sal. Ejemplo 3 Dos sustancias quı́micas A y B se combinan para formar una sustancia C. Inicialmente hay 40 gramos de A y 50 gramos de B, y por cada gramo de B se usan 2 gramos de A. Se observa que se forman 10 gramos de C en 5 minutos. ¿Cuánto se formará en 20 minutos? ¿Cuánto quedará de A y B sin reaccionar después de un tiempo largo? Solución x(t) = cantidad de C en el instante t; α = 40; α(t) = cantidad de A usada en el instante t β = 50; β(t) = cantidad de B usada en el instante t La Ley de Conservación de la Masa de Lavoisier garantiza que la cantidad de sustancia C USCO 16 Matemática Aplicada creada en el instante t coincide con la suma de las cantidades usadas de A y B. De otra parte, sabemos que por cada gramo de B se usan 2 gramos de A, esto es, la cantidad de sustancia A usada en el instante t es el doble B. Luego: x(t) = α(t) + β(t) y α(t) = 2β(t), asi, x(t) = 3β(t) entonces: 1 β(t) = x(t) 3 2 α(t) = x(t) 3 La cantidad de sustancia C creada en el instante t verifica la ecuación diferencial ordinaria dx 2 1 = k 40 − x 50 − x dt 3 3 dx = k (120 − 2x)(150 − x) dt Ahora, utilizando la ecuación (˜∗) podemos conocer el valor de las constantes C y k partiendo de las condiciones iniciales x(0) = 0 y x(5) = 10: 150 − x(t) = Cekt(30) 120 − 2x(t) Para x(0) = 0 tenemos: 150 − x(0) = Ce30k(0) 120 − 2x(0) 5 150 = =C 120 4 Para x(5) = 10 y C = 5 obtenemos: 4 150 − x(5) 5 = e150k 120 − 2x(5) 4 5 150 − 10 = e150k 120 − 20 4 7 5 = e150k 5 4 28 = e150k 25 28 ln = 150k 25 k u 0.000756 Por lo tanto, reemplazando los valores de k y C en la ecuación (8) se tiene, 1 − e0.02268t x(t) = 600 4 − 5e0.02268t USCO 17 Matemática Aplicada La cantidad de C que se formará transcurridos 20 minutos será: x(20) = 600 1 − e0.02268(20) u 89 gramos 4 − 5e0.02268(20) Figura 7: Convergencia para x(t) cuando t −→ ∞. En la figura se muestra que x −→ 120 cuando t −→ ∞. Esto significa que se forman 120 gramos de compuesto C y como 1 β(t) = x(t) 3 2 α(t) = x(t) 3 entonces podemos concluir que transcurrido un tiempo largo quedan sin reaccionar: 2 · 120 = 80g de sustancia A 3 120 50 − = 10g de sustancia B 3 40 − USCO 18 Matemática Aplicada 0.1.5. Conclusiones Para que una ecuación quı́mica este balanceada (estequiométrica), en nuestro modelo las cantidades de sustancia dependen del orden de las sustancias iniciales, α < β o β < α. La velocidad de reacción con las que se obtienen los productos, es más rápida cuando una de las dos sustancias quı́micas tiene cantidad inicial mayor o menor que la otra. El desarrollo del modelo nos permite realizar una aproximación a largo plazo, para saber con exactitud cuanta es la cantidad de sustancia máxima alcanzada. El modelo de reacciones quı́micas de segundo orden nos sirve para evidenciar la velocidad de reacción con la que interactúan las variaciones de concentración en dichas sustancias. USCO 19 Matemática Aplicada Bibliografı́a [1] B ENITO J. G ONZ ÁLEZ RODR ÍGUEZ, D OMINGO H ERN ÁNDEZ A BREU, M ATEO M. J IM ÉNEZ PAIZ, M. I SABEL M ARRERO RODR ÍGUEZy A LEJANDRO S ANABRIA G ARC ÍA Ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden.Departamento de Análisis Matemático. Universidad de La Laguna [2] D ENNIS G. Z ILL; Ecuaciones diferenciales con aplicaciones de modelado. Novena Edición. [3] A N ÓNIMO; Aplicaciones de las ecuaciones diferenciales ordinarias.(Referenciado en webgrafia item 1.) 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