Los balances de materia y energía son una contabilidad de entradas y salidas de materiales y energía de un proceso o de una parte de éste que nos sea de interés. Estos balances son importantes para el diseño del tamaño de aparatos que se emplean y para calcular su costo, si la planta trabaja, los balances proporcionan información sobre la eficiencia de los procesos.

Los balances de materia y energía se basan en las leyes de la termodinámica que nos hablan sobre la conservación de la masa y la energía. Estas leyes indican que la masa y la energía son constantes y solo pueden ser alteradas por y que por lo tanto la masa y la energía entrante a un proceso, deben de ser iguales a las masa y la energía salientes, a menos que se produzca una acumulación dentro del proceso. La teoría de estos balances es muy sencilla, pero su aplicación puede ser muy complicada, a menos que se tenga una metodología adecuada y revisar los conceptos desde la información básica hasta la resolución de problemas de aplicación industrial.

Ya que a diferencia de los balances de materia realizados para procesos sin reacción en este tipo de análisis existirá un valor de consumo y generación de la especie a analizar (Felder, 2004).

Esto se tiene una relación directa con la Estequiometría que es la rama de la química responsable del estudio y aplicación de las relaciones cuantitativas (en masa y/o molares) existentes en toda combinación química, ya sea en la formación de un compuesto a partir de sus elementos o entre los reactivos y productos de una reacción química. Así, constituye la base de la química analítica cuantitativa y de todos los cálculos en un proceso químico, incluidos los balances de materia, energía y económico. Y el cual es un punto base para determinar los 3 tipos de balance que existen:

En el campo de acción de la ingeniería química, se inician con los balances de materia del reactor y/o del proceso, para lo cual se calculan y presentan las cantidades (molares o gravimétricas) de cada una de las substancias presentes al inicio y al término de la reacción en estudio. Este balance de materia toma en consideración las condiciones estequiométricas de la reacción:

• Concentración de las materias primas,
• Presencia de impurezas inertes
• Existencia de Reactivo en exceso,
• Conversión parcial del reactivo limitante
• Rendimiento del producto

a) Transformación del cobre en nitrato de cobre (II)

La reacción que ocurre es una reacción de oxidación del cobre, ya que pasa de un estado de oxidación neutro (el cobre se encuentra en su estado fundamental), a un estado de oxidación +2 para que así pueda unirse a el anión nitrato (NO₃^-) y dar como uno de los productos de la reacción la sal nitrato cúprico Cu(NO₃)_2. (López, 2012).

El ácido nítrico, reacciona con cobre metálico formando dióxido de nitrógeno (NO2), liberando un gas pardo-rojizo, y el cobre se disuelve originando una disolución verdosa. El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas tóxico por inhalación, pero es muy soluble en agua, por lo que al hacerlo burbujear en el vaso de precipitados se disuelve, evitando el riesgo de respirar sus vapores. (García, 2009).

En los resultados experimentales se logra observar una producción de gas marrón-rojizo y posteriormente una solución de color verde-azul, lo cual coincide con lo dicho por García, 2009.

b) Transformación del nitrato de cobre (II) en hidróxido de cobre (II)

El Cu(OH)2 que se forma permanece en suspensión, formando con el paso del tiempo un residuo sólido, de apariencia gelatinosa por el agua que atrapa al precipitar, de color azul celeste más o menos intenso según la cantidad que haya precipitado. (Martínez, 2019).

La formación del precipitado de hidróxido cúprico se debe a una reacción de doble sustitución en la que el hidroxilo del NaOH y el Ion nitrato del Cu(NO₃)₂ se intercambian para dar así los respectivos productos. (López, 2012).

En los resultados experimentales se observa que la solución torna a un color azul celeste con una consistencia gelatinosa después de haber agregado el hidróxido de sodio y al agitarse, esta consistencia gelatinosa desaparece.

c) Transformación del hidróxido de cobre (II) en óxido de cobre (II)

El resultado final de la reacción de formación del óxido es una sustancia negra, que acaba precipitando en el fondo del vaso de precipitado, atrapando gran cantidad de agua, por lo que queda con textura gelatinosa. Este compuesto se puede separar de la disolución de partida por decantación. (Martínez, 2019).

El precipitado negro formado corresponde al óxido cúprico (CuO), el cual se da como resultado de la descomposición del Cu(OH)₂ al calentarlo. (López, 2012).

En el video se puede observar como la solución se va tornando de un color azul celeste a un color oscuro conforme se le suministra calor, llegando así a una precipitación de color negro que corresponde al óxido de cobre y una capa de agua en la superficie, esto coincide con lo descrito por Martínez y López.

d) Transformación del óxido de cobre (II) en sulfato de cobre (II)

Esta reacción corresponde a una reacción de doble sustitución o de metátesis ya que hay un intercambio entre los cationes de los dos compuestos reactantes, es decir, el catión cúprico (Cu⁺²) se une al anión sulfato (SO₄^-2) para dar como primer producto de la reacción el sulfato de cobre II o sulfato cúprico (CuSO₄) y al mismo tiempo el catión hidrón (H⁺) se une al anión O^-2 para dar como segundo producto el óxido de hidrógeno o agua (H₂O).

Se forman sales de sulfato de cobre con colores de verde a azul verdoso. El resultado se manifiesta primero con la desaparición del precipitado negro de CuO y segundo con la coloración azul que adquiere la solución. (López, 2012).

En las imágenes y video se logra observar como la coloración negra va desapareciendo conforme se agrega el ácido sulfúrico y se le aplica agitación con la varilla de vidrio, la solución se torna a un color azul claro, esto corresponde a lo dicho por López.

e) Transformación del sulfato de cobre (II) en cobre

La reacción del Zn con HCl se trata de una reacción química redox, de desplazamiento y exotérmica. El Zn reacciona con el HCl: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2. El Zn se oxida, pierde dos electrones y en cambio el hidrógeno se reduce ganando esos dos electrones. Además es una reacción de desplazamiento simple en el que el zinc desplaza al hidrógeno y también una reacción exotérmica dado que desprende calor. (Cienciabit, 2018).

El cobre no reacciona con el ácido clorhídrico, ni concentrado, ni diluido, ni en frío ni en caliente. El HCl (ácido clorhídrico) no reacciona con el Cu (cobre) porque no es reactivo en circunstancias normales. El metal de Cu reacciona con el oxígeno, el agua para formar óxido de cobre respectivamente. En HCl no hay oxígeno radical para reaccionar con el cobre, por lo tanto, ácido clorhídrico no puede robar electrones al Cu. El cobre solo reacciona con ácidos oxidantes fuertes como el ácido nítrico y el ácido sulfúrico concentrado. (Heurema, 2019).

La reacción ocurrida corresponde a una reducción del cobre, el cual pasa del estado de oxidación +2 a un estado neutro, volviendo de esta manera a su condición pura inicial. Igualmente también se presenta una oxidación del zinc, pasando de un estado neutro a un estado de oxidación +2. (López, 2012).

• Se demostró el principio de conservación de la masa realizando cálculos estequiométricos, recuperando 0.85 g de cobre.
• Se obtuvo un rendimiento del ciclo del 83.43%.
• Se calculó el reactivo limitante y en exceso de las reacciones para posteriormente hacer un balance de materia.
• El sólido final no es 100% cobre, sino, una mezcla de cobre con otros residuos como zinc, etc.

• Ácido Clorhídrico y Cobre, (s.f.). Recuperado [01 de Marzo de 2020] de http://www.heurema.com/QG60.htm
• Cienciabit: Ciencia y tecnología. (2018). Reacción del Zinc con el Ácido Clorhídrico. Reacción Química Redox, de Desplazamiento y Exotérmica. Recuperado [01 de Marzo de 2020] de https://www.youtube.com/watch?v=-LSFUF1tj0s&feature=emb_logo
• Felder, R.M. & Rousseau, R.W.. (2004). Balances de procesos transitorios. En Principios elementales de los procesos químicos. México: Editorial Limusa, S.A. de C.V
• García, D. (2009). UN SIFÓN A PARTIR DE UNA REACCIÓN QUÍMICA. Rev. Eureka Enseñ. Divul. Cien., 2010 , 7(1), pp. 142-150. Recuperado [01 de Marzo de 2020], de https://www.researchgate.net/publication/50996674_Un_sifon_a_partir_de_una_reaccion_quimica
• Martínez, D. (2019). PROPUESTA PARA LA DIFERENCIACIÓN EXPERIMENTAL ENTRE ÓXIDOS E HIDRÓXIDOS USANDO COMPUESTOS DE COBRE.BÓRAX-Revista de Química Práctica para Secundaria y Bachillerato-IES.Zaframagón-ISSN 2529-9581. Recuperado [01 de Marzo, 2020], de http://www.ieszaframagon.com/files/borax/Artículo%20Óxidos%20e%20Hidróxidos%20de%20Cobre.pdf
• López, J. (2012). CICLO DEL COBRE. UNIVERSIDAD DEL QUINDIO.FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS Y TECNOLOGIAS. Recuperado [01 de Marzo, 2020], de https://www.academia.edu/26317754/CICLO_DEL_COBRE_CYCLE_OF_COPPER