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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA
FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL
OPERACIONES UNITARIAS APLICADAS A LA INGENIERÍA AMBIENTAL I
Práctica N°
Tema :
Cinética de reacción
Docente :
Ing. M. Sc. Alberto Franco, Cerna Cueva
Ciclo :
V
Grupo :
Número de grupo :
Lugar de la práctica :
Laboratorio de Calidad de Agua
Integrantes :
- León Alvarez Mesias
- Ñaupa Tello Deysi
- Aguirre González Anthony Junior
- Valdivia Gabriel Alexandra
Tingo María – Perú, 202 4
ÍNDICE
- I. INTRODUCCIÓN - 1.1.1. Objetivo general - 1.1.2. Objetivos específicos
- II. REVISIÓN DE LITERATURA
- 2.1. Antecedentes
- 2.2. Marco teórico
- III. MATERIALES Y MÉTODOS
- 3.1. Lugar de ejecución
- 3.1.1. Ubicación geográfica
- 3.1.2. Clima
- 3.2. Materiales y equipos
- 3.2.1. Materiales
- 3.2.2. Materiales de laboratorio
- 3.2.3. Equipos
- 3.3. Metodología
- VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
- VIII. CONCLUSIONES
- IX. RECOMENDACIONES
- X. REFERENCIAS
- XI. ANEXOS
5
ÍNDICE DE FIGURA
Figura Página
- Mapa de ubicación .................................................................................................... 8
- Concentraciones de Oxígeno disuelto por cinco días transcurridos ....................... 13
- Gráfico de tasas de consumo de oxígeno disuelto en 1° por 5 días ........................ 13
- D Consumo de OD de la muestra 1 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 1 °. ..................................... 14
- D Consumo de OD de la muestra 1 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 1 °. ..................................... 15
- D Consumo de OD de la muestra 1 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 2 °. ..................................... 16
- D Consumo de OD de la muestra 2 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 1 °. ..................................... 17
- D Consumo de OD de la muestra 2 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 1 °. ..................................... 18
- D Consumo de OD de la muestra 2 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 2 °. ..................................... 19
- D Consumo de OD de la muestra 3 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 1 °. ..................................... 19
- D Consumo de OD de la muestra 3 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 1 °. ..................................... 20
- D Consumo de OD de la muestra 3 en 5 días transcurridos y determinación de la K
y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 2 °. ..................................... 21
- Muestra de camal, para evaluar su OD en 5 días.................................................... 25
- Medición de OD en tiempo 0, dato inicial............................................................. 25
- Tres botellas pintadas de negro para para las muestras…………………………… 26
- Medición de volumen de cada botella. ................................................................... 26
- Extracción de la muestra para cada botella al 0.5% de concentración. .................. 27
- Las muestras puestas en las botellas pintadas para evitar el paso de luz y
oxigenación. ............................................................................................................ 27
- Toma de la muestra 2 concentración de OD después de 1 día fue 5.94 mg/L. ....... 28
- Toma de la muestra 3 , concentración de OD después de 1 día fue 6.04 mg/L ....... 28
- Toma de la muestra 1, concentración de OD después de 1 día fue 5.94 mg/L. ..... 29
I. INTRODUCCIÓN
La cinética de reacción es un campo de estudio que se centra en comprender la velocidad
y el mecanismo de una reacción química. Se busca determinar la ley de velocidad, que relaciona
la velocidad de la reacción con las concentraciones de los reactivos, y también se investiga el
mecanismo detallado de la transformación de los reactivos en productos. Este estudio es
esencial para comprender y controlar las reacciones químicas en diversos campos, como la
síntesis de productos químicos, la catálisis y la bioquímica. Además, permite optimizar las
condiciones de reacción para mejorar la eficiencia y selectividad de los procesos químicos.
La medición del oxígeno disuelto (OD) es esencial en muchas áreas, desde la agricultura
hasta el tratamiento de aguas residuales. El OD es crucial para la vida acuática, ya que es
necesario para el metabolismo de los organismos. Controlar su concentración es fundamental
para mantener la salud de los ecosistemas acuáticos y asegurar el éxito de procesos industriales.
En esta práctica nos centraremos en el análisis y cálculo de medición de oxígeno disuelto
determinando con la línea de tendencia de R
2
, también se evaluará la tasa de consumo de
oxígeno disuelto en una muestra de agua usualmente en ppm o en % de saturación, Esta
medición es crucial, ya que el OD es indicador de la calidad del agua. Niveles bajos de OD en
aguas residuales pueden indicar contaminación, subrayando la importancia de su control para
preservar la salud de los ecosistemas acuáticos y proteger la salud humana.
se abordarán tanto los aspectos teóricos como prácticos para brindar una comprensión
integral del proceso y su relevancia en los campos de la ingeniería química y ambiental. Los
resultados obtenidos se espera que no solo impulsen el conocimiento en este ámbito, sino
también promuevan la implementación de soluciones innovadoras y sostenibles en la
preservación del medio ambiente.
1.1. Objetivos
1.1.1. Objetivo general
- Evaluar la tasa de consumo de oxígeno disuelto en una muestra de agua.
1.1.2. Objetivos específicos
- Evaluar los cambios de oxígeno disuelto a diferentes porcentajes de siembra de
agua contaminada.
- Determinar el orden de consumo de oxígeno disuelto para diferentes porcentajes
de siembra.
aireación del intercambio atmosférico y la respiración de las plantas. El estudio concluye que
el modelo representa eficazmente el transporte de sustancias disueltas en flujos con presencia
de vegetación y puede aplicarse en diversos ecosistemas, lo que permite predecir las rutas y
destinos de la contaminación.
2.2. Marco teórico
2.2.1. Fundamento teórico
2.2.1.1. Que es oxígeno disuelto
El oxígeno disuelto se refiere a la cantidad de oxígeno presente en
el agua. Es vital para la vida acuática, ya que la mayoría de los organismos necesitan oxígeno
para sobrevivir y desarrollarse. Algunas especies, como la trucha y la mosca de piedra,
requieren niveles elevados de oxígeno disuelto, mientras que otras, como el bagre, los gusanos
y las libélulas, pueden tolerar niveles más bajos. La falta de oxígeno disuelto puede tener
consecuencias graves, como la muerte de los organismos, la reducción del crecimiento y el
desarrollo anormal de huevos y larvas. Además, puede provocar cambios significativos en las
comunidades acuáticas en diferentes cuerpos de agua (Zúñiga, 2014).
2.2.1.2. Medición de oxígeno disuelto(OD)
El kit de análisis de OD para trabajo de campo en agua dulce utiliza
el método de Wrinkler, que es aplicable tanto para agua de mar como para agua dulce, pero no
es adecuado para aguas altamente alcalinas. Este método proporciona una medida precisa del
oxígeno disuelto en el agua mediante una serie de reacciones químicas específicas.
Por otro lado, el medidor de OD emplea un principio diferente: utiliza la conductividad eléctrica
basada en una reacción química para determinar la cantidad de oxígeno disuelto en el agua. Este
método es rápido y conveniente para mediciones en el campo, aunque puede requerir
calibración periódica para garantizar resultados precisos (Zúñiga, 2014).
2.2.1.3. Concentración de oxígeno disuelto (OD)
El oxígeno disuelto se puede expresar como la concentración actual
en miligramos por litro (mg/L) o como la cantidad de oxígeno que el agua puede contener a una
temperatura específica. También se puede referir como el porcentaje de saturación. La unidad
de mg/L indica miligramos por litro, que a veces se interpreta como partes por millón (ppm),
ya que un litro equivale a 1000 gramos de agua dulce y un miligramo es una milésima parte de
un gramo (Zúñiga, 2014).
2.2.1.4. Como varia la concentracion de oxígeno disuelto en agua
Se puede detectar una variación en los niveles de oxígeno disuelto
realizando pruebas en diferentes momentos y condiciones ambientales. Por ejemplo, al
comparar los resultados de una prueba realizada temprano en la mañana, cuando el agua está
fría, con otra realizada por la tarde en un día soleado, cuando la temperatura del agua ha
aumentado, se pueden observar diferencias en los niveles de oxígeno disuelto. Además, es
posible notar variaciones entre los niveles de oxígeno disuelto en diferentes estaciones del año,
como entre el invierno y el verano, debido a las fluctuaciones en la temperatura del agua.
También se pueden detectar diferencias en los niveles de oxígeno disuelto a diferentes
profundidades del agua si hay cambios significativos en la temperatura del agua en distintas
capas (Ramallo, 2003).
La concentración de oxígeno disuelto en el agua puede variar por
una serie de factores, tanto naturales como antropogénicos. Algunos de los principales factores
que pueden influir en la concentración de oxígeno disuelto incluyen:
2.2.1.4.1. Temperatura del agua
El oxígeno disuelto tiende a disminuir a medida que
aumenta la temperatura del agua. Esto se debe a que el agua caliente tiene una capacidad de
retención de oxígeno inferior a la del agua fría.
2.2.1.4.2. Presión atmosférica
La presión atmosférica afecta la capacidad del agua para
retener oxígeno. A mayor altitud, donde la presión atmosférica es menor, la concentración de
oxígeno disuelto tiende a ser menor.
2.2.1.4.3. Agitación y turbulencia
El movimiento del agua, como el flujo de los ríos o el oleaje
en los cuerpos de agua, puede aumentar la cantidad de oxígeno disuelto al promover la mezcla
con el aire.
Esta ecuación muestra que la velocidad de la reacción
depende linealmente de la concentración del reactivo 𝐴 A. A medida que la concentración de 𝐴 A
disminuye con el tiempo (debido a su consumo en la reacción), la velocidad de la reacción
también disminuye.
2.2.1.5.2. Ley de accion de masas inversas de primer orden
De la expresión general de la ecuación de primer orden, se despejará la constante K Gobierno
Vasco. Departamento de Educación. (GVDE, 2020).
[
𝐹
]
0
−𝑘.𝑡
Para despejar K tomemos el logaritmo natural en ambos lados
𝐹
0
−𝑘.𝑡
Usando la propiedad del logaritmo que dice ln (𝑒𝑥)=𝑥ln( ex )= x , podemos
simplificar el lado derecho
𝐹
0
Ahora, vamos a despejar k dividiendo ambos lados por −𝑡
𝐹
0
2.2.1.5.3. Ley de acción de masas de segundo orden
La ley de acción de masas de segundo orden establece que
la velocidad de una reacción química es proporcional al cuadrado de la concentración de uno
de los reactivos, o a la multiplicación de las concentraciones de dos reactivos elevadas a la
primera potencia Gobierno Vasco. Departamento de Educación. (GVDE, 2020).
Fórmula
La ecuación diferencial que describe una reacción de segundo orden es:
𝑑 [ 𝐴 ] 𝑑𝑡 =− 𝑘 [ 𝐴 ]2 dtd [ A ]=− k [ A ]
O en el caso de una reacción que involucra dos reactivos 𝐴 A y 𝐵 B :
𝑑 [ 𝐴 ] 𝑑𝑡 = 𝑑 [ 𝐵 ] 𝑑𝑡 =− 𝑘 [ 𝐴 ][ 𝐵 ] dtd [ A ]= dtd [ B ]=− k [ A ][ B ]
Donde:
- 𝑑[𝐴]𝑑𝑡 dtd [ A ] y 𝑑[𝐵]𝑑𝑡 dtd [ B ] son las tasas de cambio de las concentraciones de los
reactivos 𝐴 A y 𝐵 B respectivamente, respecto al tiempo.
- 𝑘 k es la constante de velocidad de la reacción.
- [𝐴][ A ] y [𝐵][ B ] son las concentraciones de los reactivos 𝐴 A y 𝐵 B respectivamente.
Estas ecuaciones muestran que la velocidad de la reacción
depende cuadráticamente de la concentración de uno o ambos reactivos. A medida que las
concentraciones de los reactivos disminuyen con el tiempo, la velocidad de la reacción también
disminuye, pero a una tasa que depende del cuadrado de las concentraciones.
La humedad relativa promedio varía entre el 80% y el 90%, siendo más
alta durante los períodos de lluvia y disminuyendo durante la estación seca.
Durante la estación seca, que abarca de junio a julio, predominan los
vientos alisios del norte, los cuales transportan masas de aire húmedo que, a pesar de su
presencia, no generan precipitaciones. Sin embargo, durante los meses de febrero a marzo, los
vientos alisios cambian su dirección hacia el este-noreste, lo que conlleva el encuentro con
masas de aire húmedo y la consiguiente aparición de precipitaciones, según información
proporcionada por la Municipalidad Provincial de Leoncio Prado en 2019.
3.2. Materiales y equipos
Para el desarrollo de la práctica se utilizaron materiales y equipos que permitió obtener
datos requeridos, para luego ser analizados y comparados.
3.2.1. Materiales
Los materiales empleados en la práctica son: cuaderno para registrar los datos obtenidos
en la medición, lapicero para anotar, calculadora se utilizó para calcular la concentración teórica
y real, plumones se utilizó para registrar los datos en la pizarra.
3.2.2. Materiales de laboratorio
Los materiales del laboratorio fueron agua destilada, en dos vasos precipitados de 1 litro,
muestra de camal 1L, de ello se usó 1.5 mL, agua residual 900 mL para 3 botellas.
3.2.3. Equipos
Se utilizó el Oxímetro para medir la concentración de oxígeno en el agua, una
calculadora, una laptop, se usó un software para calcular los datos.
3.3. Metodología
3.3.1. Evaluar los cambios de oxígeno disuelto a diferentes porcentajes de siembra
de agua contaminada.
Se utilizó un oxímetro portátil para medir la concentración de OD en la
mezcla. Planteó los principios de la física y química para desarrollar los resultados de la
practica:
3.3.1.1. Cinética de Primer Orden
La cinética de primer orden asume que la tasa de consumo de
oxígeno disuelto es proporcional a la concentración de OD. La ecuación diferencial que
describe este proceso es:
𝒅 [𝑶𝑫]
𝟏
[𝑶𝑫]
Donde:
IV. [OD] es la concentración de oxígeno disuelto.
V. - k1 es la constante de tasa de primer orden.
VI. t es el tiempo.
La solución a esta ecuación diferencial es:
𝑶𝑫 = [𝑶𝑫]
𝒐
−𝒌 𝟏
𝒕
Donde:
- OD es la concentración de oxígeno disuelto en el tiempo t.
- [𝑂𝐷]
𝑜
es la concentración inicial de oxígeno disuelto.
6.1.1.1. Cinética de Segundo Orden
La cinética de segundo orden asume que la tasa de consumo de
oxígeno disuelto es proporcional al cuadrado de la concentración de OD. La ecuación
diferencial para este proceso es:
[
]
𝟐
[𝑶𝑫]
𝟐
Donde:
- [OD] es la concentración de oxígeno disuelto.
- k2 es la constante de tasa de segundo orden.
- t es el tiempo.
La solución a esta ecuación diferencial es:
[
]
𝒐
𝟐
Donde:
- OD es la concentración de oxígeno disuelto en el tiempo t.
- [OD]es la concentración inicial de oxígeno disuelto.
estas variaciones podría deberse a la concentración de materia y microorganismos presentes en
cada frasco.
Tabla 2. Registro de datos tasa de consumo de OD de primer orden
Días
Tiempo
transcurrido (h)
R
En esta tabla 2, se muestra una tasa de consumo por día, la velocidad de
consumo de OD, en los primeros dias es superior a los demás dias, en el día 5, la velocidad de
consumo baja, esto se debe a la escasez de materia orgánica.
Tabla 3. Registro de datos tasa de consumo de OD de segundo orden
Días
Tiempo
transcurrido
R
Figura 2. Concentraciones de Oxígeno disuelto por cinco días transcurridos
En la figura 2, se ve una pendiente hasta el día 3, los dias 4 y 5 muestran
una concentración de OD que se mantienen constante.
Figura 3. Gráfico de Tasa de consumo de Oxígeno disuelto en primer orden por cinco
días.
0 1 2 3 4 5
Muesra 1 6.85 6.15 4.5 1.7 0.8 0.
Muestra 2 6.85 5.94 3.8 1 0.8 0.
Muestra 3 6.85 6 4.2 1.5 1 0.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Concentraciones
Dias
Concentraciones de OD x Dias transcurridos
1 2 3 4 5
Muestra 1 0.004687 0.008940 0.019091 0.022604 0.
Muestra 2 0.006197 0.012537 0.026360 0.022604 0.
Muestra 3 0.005760 0.010408 0.020805 0.020255 0.
TASA DE CONSUMO DE OD
DIAS
Tasa de consumo OD de 1 orden
x dias
- Coeficientes (con límites de confianza del 95%)
- OD0 = 11.12 (5.532, 16.71)
- k = 0.386 (0.1486, 0.6235)
- R
2
En la figura 4 , los datos de la muestra 1 se ajustó a la ecuación
de cinética de reacción de 1° orden donde K equivale a 0.386 la cual es un promedio de la tasa
de consumo de OD en los 5 días, y el R
2
0.8732 demuestra que se ajusta mejor a la ecuación de
1° orden ya que su aproximación a la unidad indica que no hubo mucha variabilidad de datos
con respecto a la media.
Figura 5. Consumo de OD de la muestra 1 en 5 días transcurridos y determinación de
la K y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 1 °.
7.2.1.2. Determinación de la K y R
2
utilizando la ecuación de cinética de
reacción de 2 °.
- Coeficientes (con límites de confianza del 95%)
- OD0 = 19.69 (-33.74, 73.11)
- k = 0.08415 (-0.0125, 0.1808)
- R2 = 0.
Figura 6. Consumo de OD de la muestra 1 en 5 días transcurridos y determinación de
la K y R
2
utilizando la ecuación de cinética de reacción de 2 °.
En la figura 6 , los datos de la muestra 1 se ajustó a la ecuación
de cinética de reacción de 2 ° orden donde K equivale a 0. 8415 la cual es un promedio de la tasa
de consumo de OD en los 5 días, y el R
2
- 7339 demuestra que es inferior al R
2
obtenido con
la ecuación 1°, es decir se ajusta mejor a la ecuación de 1° orden ya que su aproximación a la
unidad indica que no hubo mucha variabilidad de datos con respecto a la media.
7.2.2. Determinación de los K constantes de reacción y el R
2
al ser sometido a calculo
en la ecuación de cinética de reacción de 1° y 2° orden, cuyos datos registrados
son de la botella 2.
7.2.2.1. Determinación de la K y R
2
utilizando la ecuación de cinética de
reacción de 1 °.
