Zeolita vs NanoZeolita: Síntesis de la ZSM-5

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La nanotecnología

La nanotecnología abarca un campo de estudio multidisciplinario, que incluye la física, la química, la ingeniería y la biología. En este ámbito se realizan estudios  a escala nanométrica, es decir en un orden de 10^-9 m, en al menos una dimensión. Este orden de magnitud le confiere a las nanoestructuras propiedades físicas, químicas o biológicas específicas. Las partículas en nanoescala adquieren nuevos comportamientos en sus propiedades tales como estructura electrónica, conductividad,  reactividad, punto de fusión, y propiedades mecánicas, debido principalmente al aumento de área superficial. (1) 

Las aplicaciones de la nanotecnología actualmente son diversas, una de ellas es en el área de la medicina y la fisiología con  la utilización de materiales y dispositivos diseñados para interactuar con el cuerpo a nivel celular. (2) Las funciones importantes en los organismos vivos se producen a nanoescala, por ejemplo la hemoglobina, que transporta el oxígeno a través del torrente sanguíneo, es de aproximadamente 5 nanómetros de diámetro. (1) Otra aplicación importante la representan los nanotubos de carbono que, debido a sus “propiedades inusuales, son utilizados en electrodos de baterías, depósitos electrónicos y fibras reforzadas que producen compositos más resistentes”. (3 pág. 136) 

Para la producción de nanopartículas usualmente se utilizan técnicas fisicoquímicas como la reducción fotoquímica, la ablación por láser, la electroquímica, la litografía o la irradiación de alta energía. Por definición se dice que las nanopartículas son una clase de materiales con un diámetro menor a los 100 nm, las cuales presentan propiedades nuevas o mejoradas dependientes de su tamaño en comparación con partículas más grandes del mismo material. La capacidad de fabricar y controlar la estructura de nanopartículas permite a los científicos e ingenieros influir en las propiedades resultantes y, en definitiva, diseñar materiales para generar las propiedades deseadas. Las aplicaciones actuales y potenciales de las nanopartículas están creciendo y cubren una amplia gama de mercados e industrias. (4)

Obtención de nanopartículas

La preparación de estructuras y dispositivos a nanoescala puede ser realizado a través de dos métodos: enfoque de abajo hacia arriba (bottom up) y enfoque de arriba hacia abajo (top down). El primero consiste principalmente en ensamblar pequeños bloques de construcción para generar estructuras más grandes; a través de métodos químicos; ejemplos de este enfoque incluyen la síntesis química, el montaje inducido por láser, el auto-ensamblado, la agregación coloidal, entre otros. En el segundo enfoque los objetos grandes se modifican para dar piezas más pequeñas, utilizando métodos físicos, por ejemplo; técnicas litográficas, deposición de película y crecimiento, procesamiento de rayo láser, y técnicas mecánicas. El tamaño y la forma de las nanopartículas dependerán de la manipulación que se realice durante la síntesis de éstas, para así poder adaptar el material a una aplicación específica. (5)

Las zeolitas

Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos y porosos, cuya estructura consiste en un armazón de tetraedros de [SiO₄]^-4 y [AlO₄]^-5 unidos a través de átomos de oxígeno en diversos arreglos regulares, para formar una red cristalina abierta que contiene poros de dimensiones moleculares que permiten la penetración de ciertas moléculas. El tamaño de los poros y espacios intracristalinos, dependen del tipo de zeolita. 

La relación de Si/Al en las zeolitas clásicas es de 1 a 5 y en general están representadas por la formula:                     Mx/n [(AlO₂)x(SiO₂)y] m H₂O

Donde:

M: catión de valencia n [(Na, Li, K) y/o (Ca, Mg, Ba, Sr)]

m: número de moléculas de agua. La suma de x e y indica: el número de tetraedros de aluminio y silicio por celda unitaria.

Sin embargo existen zeolitas que presentan una relación de Si/Al mayor, como es el caso de la ZSM-5, que también es conocida como zeolita pentasil caracterizada por su alto contenido de silicio. Esta zeolita presenta diámetro de poros entre 5-6 Å (clasificadas como microporosas) de canales tubulares bien definidos que se entrecruzan entre sí, delimitados por anillos de 10 átomos de oxígeno, que le confieren una estructura MFI (Mirror Framework Inversion), posee espacios dentro de los canales y en la superficie externa de los cristales para la incorporación de cationes en diversos estados. (7) (8) 

La búsqueda de los elementos

Elementos y Compuestos

La identificación de los elementos presentes en las distintas sustancias no fue tarea fácil, tardó siglos. Los filósofos griegos creían que toda la materia estaba formada sólo por cuatro elementos fundamentales: tierra, aire, fuego y agua. Sin embargo, con el tiempo quedó claro que ninguno de los cuatro es, en realidad, un elemento.

Laboratorio de un alquimista

Durante la edad media, los alquimistas, trabajando en secreto y rodeados de misticismo, buscaban un disolvente universal para transformar en oro los metales tales como el hierro, el cobre y el zinc. Debido a que los alquimistas no comprendían la naturaleza real de los elementos, suponían que era posible transformar estos metales comunes en el valioso metal que es el oro. Los alquimistas no lograron llevar a cabo este proceso, llamado transmutación, pero sus investigaciones, hechas en primitivos laboratorios condujeron a muchos descubrimientos, como por ejemplo, métodos de destilación y extracción que se aplican hoy en día.

Para desarrollar la comprensión actual de los elementos químicos se necesitaron muchos siglos. Robert Boyle, científico inglés, definió los elementos cerca del 1661. Decía que es precisó poner a prueba los supuestos elementos para averiguar si en verdad son simples, ya que si es posible degradar una sustancia en otras más sencillas, no es un elemento. Boyle afirmó además que las sustancias más sencillas podían ser elementos, y como tales se les debería considerar hasta el momento en que pudieran degradarse a su vez en sustancias todavía más sencillas. 

En química se pueden definir los elementos como las sustancias fundamentales de la química, los cuales están compuestos por átomos. Hoy en día se reconoce la existencia de 118 elementos, variando desde comunes tales como el calcio, el carbono, el cloro, el oro, la plata, el oxígeno, el sodio, el potasio, el hidrógeno, el helio, el hierro, etc. y no comunes como el astatino, el tecnecio, el prometio, etc. Ninguno de los elementos se puede descomponer o convertir en una sustancia más simple mediante cualquier forma de energía común. Ningún calor, luz, electricidad, sonido, magnetismo, ninguna forma común de energía sin importar la intensidad, puede producir estos cambios en un elemento. Tampoco los elementos pueden ser transformados en otro elemento, tal como pretendían los alquimistas, excepto bajo condiciones muy alejadas de nuestra experiencia, como temperaturas extraordinariamente altas cercanas a las de la superficie solar, por ejemplo. Cuando se combinan dos o más elementos, en relaciones bien definidas, se forma una sustancia claramente distinta llamada compuesto.

Nombres y Símbolos

Con frecuencia se utilizan símbolos en lugar de nombres escritos para distinguir a los elementos. Muchos de los símbolos primitivos que se empleaban para representar diversas sustancias químicas procedían de la mitología antigua. Pero los símbolos no han sido normalizados; los antiguos alquimistas de la Edad Media desarrollaban sus propias notaciones taquigráficas para mantener oculto su trabajo. J.J. Berzelius, químico sueco, inventó un sistema sencillo de notación química que introdujo en 1814. Sus símbolos eran letras tomadas del nombre del elemento. En la actualidad estos símbolos se utilizan en todo el mundo.

El símbolo de un elemento no tiene más de dos letras. La primera de ellas es siempre mayúscula; la segunda, si se utiliza, es minúscula. 

Los nombres de los elementos, y en consecuencia sus símbolos, provienen de muchas fuentes. Algunos de ellos se derivan de palabras latinas, griegas o alemanas que describe una propiedad característica del elemento. Otros reciben su nombre con base en el país o lugar donde se descubrieron, o en honor de científicos famosos. Por ejemplo el elemento bario proviene de la palabra griega barys, que significa pesado. El nombre del germanio se deriva de Germania, el nombre de Alemania en latín.  El elemento 99 recibió el nombre de einstenio en honor a Albert Einstein.

La tabla periódica de los elementos

Uno de los principales aportes de la química a la humanidad es, sin duda, la tabla periódica. Decimos esto porque esta clasificación de los elementos permite ir más allá de los aspectos descriptivos para predecir y verificar las propiedades y el comportamiento químico de los elementos presentes en la naturaleza.

Los primeros intentos por clasificar los elementos datan del siglo XIX. Con los antecedentes de John Dalton, Joseph Gay-Lussac, Amadeo Avogadro, William Nicholson y A. Carlisle, sobre los pesos atómicos y moleculares, un químico inglés llamado John Newlands publicó en 1864, el primero de un gran grupo de ensayos acerca de la clasificación periódica de los elementos químicos. En estos ensayos se organizaban, por primera vez, a los elementos de acuerdo a los valores de sus pesos atómicos.

En 1869, el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleev publicó su primer ensayo sobre el sistema periódico cuando apenas se conocían 60 elementos químicos. Más adelante en 1871, Mendeleev publicó otro ensayo donde aparecía una tabla periódica mucho más completa. En este ensayo Mendeleev predijo las propiedades y los valores cuantitativos de algunas características físico químicas de los elementos desconocidos que se encontraban debajo del boro, aluminio y silicio. De acuerdo a Mendeleev, el patrón subyacente para la clasificación de los elementos en el sistema periódico era el peso atómico. Sin embargo, este patrón no lograba responder algunos cuestionamientos, por ejemplo ¿cómo se podría diferenciar dos elementos con pesos atómicos muy parecidos, pero con propiedades físico químicas diferentes?.

Así Henry Gwyn Jeffreys Moseley en 1913, inspirado en los trabajos de Charles Barkla y E. Sadler (1908) sobre espectros de Rayos X, demostró que el número atómico Z, es una medida de la carga positiva en el núcleo de un átomo y que este número atómico permitía predecir con precisión ciertas anomalías de las posiciones de los elementos en la tabla periódica. De allí que la tabla periódica se organizara en función del número atómico de los elementos.

Actualmente una tabla periódica, como la que se ve en la figura, ofrece una gran cantidad de información acerca de los elementos. Note que en esta tabla los grupos de elementos son separados en 18 columnas verticales llamadas grupos o familias. 

Tabla periódica moderna

Estas familias dependen del número atómico, del peso atómico y de la configuración electrónica de los elementos. También hay 7 filas horizontales, las cuales se llaman períodos. El primer período contiene 2 elementos (H y He), el segundo y tercer período contienen 8 elementos cada uno (de Li hasta Ne, y de Na hasta Ar), el cuarto y quinto período 18 elementos cada uno (de K hasta Kr, y de Rb hasta Xe), mientras que el sexto y séptimo período 17 elementos más 15 elementos cada uno (de Cs hasta Rn, y de Fr hasta Og). Para mantener la mantener la simplicidad, 15 elementos que aparecen en el sexto y séptimo períodos se colocan fuera del cuerpo central de la tabla. Estos elementos forman la serie de lantánidos (de La hasta Lu) y la serie de actínidos (de Ac hasta Lr).

Como ves una tabla periódica ofrece una gran cantidad de información acerca de los elementos, cada uno de los cuales se puede clasificar como metal, no metal y metaloide.Los metales, que aparecen a la izquierda de la tabla periódica, quedan separados de los no metales, a la derecha, por una línea diagonal gruesa con aspecto de escalera. Observa que hay mucho más metales que no metales. Los elementos situados al lado de esta línea diagonal se conocen como metaloides, poseen ciertas propiedades que son intermedias entre los metales y no metales típicos. 

Así que están allí, en la tabla periódica. Los elementos presentes en nuestra naturaleza, hasta hoy conocidos, se encuentran perfectamente organizados en una pequeña tabla llamada La Tabla Periódica. Magistral cierto?

¿Cómo Aumentar la Motivación?

La Motivación

Sin motivación todos los actos en la vida resultan trabajosos y poco atractivos. La motivación está considerada  como uno de los factores determinantes del éxito en cualquier área de la existencia humana, lo cual incluye las tareas propias del aprendizaje. Por ello, es esencial conocer algunos aspectos relacionados con el hecho de estar motivado.

La motivación es un concepto difícil de definir, pero que todos poseemos, ya que todo lo que hacemos es por alguna razón. Los motivos son los que nos mueven a hacer algo. Motivar significa proporcionar motivos y la motivación equivale a sentirse movido por un bien importante que se puede conseguir. Este bien actúa sobre la inteligencia como causa final pero también lo hace sobre la voluntad, que se siente impulsada a poner los medios apropiados para su consecución. 

La motivación es la fuerza de acción y la motivación consiente es aquella que producimos por la actividad de nuestro intelecto, aplicando nuestra voluntad e inteligencia. Nuestros deseos conscientes tienden a proporcionarnos un mayor desarrollo o placer y tienen una acción impulsora de fuerza insospechada. Todos habremos comparado alguna vez en nuestras vidas, la facilidad con que ejecutamos aquello que con todo fervor de nuestro ser deseamos hacer. Tan pronto se extingue un motivo y se alcanza una meta, vuelve a aparecer otro nuevo que tiene que ver con las necesidades satisfechas. De este modo cada motivo puede considerarse como el eslabón de una cadena infinita de motivos que hace a las personas activas y operantes. Considerando el aprendizaje como una operación, en todo acto de aprender se hace imprescindible la existencia de una motivación.

Propósito de la motivación

El propósito de la motivación es triple:

   1. Despertar el interés hacia las tareas de aprendizaje.

   2. Estimular el deseo de aprender que conduce al esfuerzo.

   3. Dirigir estos intereses y esfuerzos hacia el logro de fines apropiados.

Uno de los elementos básicos que determina el porqué se aprende son las diferentes motivaciones que originan dicho aprendizaje. La motivación constituye el motor del aprendizaje en el sentido en que mueve o dirige la acción de aprender al incluir las razones y los intereses con los que se cuenta para hacer algo. Difícilmente es posible entusiasmarse al ejecutar una tarea para la que no se tiene ninguna motivación; sin embargo cuando se tienen razones fundamentadas por las cuales esforzarse, se es capaz de llevarla a cabo. Todo acto de aprender conlleva, por tanto, una motivación, lo cual conduce a afirmar que no es posible aprender sin estar más o menos motivado.

El fundamento de todo aprendizaje es el acto volitivo (de la voluntad) del "quiero aprender". La motivación está pues íntimamente ligada a la voluntad, es la sistematización de ésta. Por tanto para que se produzca el aprendizaje, primero se debe desear aprender. Por supuesto que la motivación por sí sola no asegura el éxito, ya que debe existir un mínimo de capacidad o habilidad pero, con una capacidad normal, las posibilidades de éxito aumentan considerablemente si la motivación es la adecuada. Y al contrario, si se tiene mucha capacidad pero se está poco motivado, es muy probable que no se llegue al fin deseado.

Efectos de la motivación en el aprendizaje

Cuando los motivos son externos al aprendizaje (motivación extrínseca), este no se integra ni estructura de modo adecuado en los saberes adquiridos previamente, por lo que la duración y eficacia de esos aprendizajes queda mermada e incluso invalidada. Por el contrario, con una motivación intrínseca (cuando un individuo se vuelve activo en razón de la propia actividad), la posibilidad de construir aprendizajes significativos, con la correspondiente madurez y las cualidades necesarias, será mucho mayor. Además el grado de satisfacción que experimenta una persona en su vida crece en razón directa con el número de acciones que emprende con una motivación primaria (intrínseca).

Ante esta supremacía de la motivación intrínseca sobre la extrínseca a la hora de favorecer aprendizajes significativos y experimentar una satisfacción más intensa por la actividad realizada, sería muy beneficioso intentar convertir la motivación secundaria (extrínseca) en primaria (intrínseca). Efectivamente una persona puede tener, en un principio, sólo motivos extrínsecos para realizar una tarea de aprendizaje, es decir, utiliza el estudio como medio para un fin. Ahora bien, puede ser que, en la medida en que va apareciendo el éxito deseado y, a partir de la tarea misma, se dé una correspondencia orgánica entre los medios y el fin hasta el punto de que surja una aproximación cada vez mayor entre ambos, de modo que el motivo extrínseco se convierte en motivo intrínseco.

Relación entre estudio efectivo, motivación y rendimiento

Como ya se ha dicho, la motivación es fundamental en el estudio y en el aprendizaje. En este sentido se puede afirmar que existe una estrecha relación entre estudio efectivo, motivación y rendimiento; es decir, cuando se estudia de forma efectiva, se obtiene una motivación pero, paralelamente, una fuerte motivación por aprender conduce hacia un estudio eficaz. De igual forma, cuando se está motivado por aprender, se rinde más y, a su vez, cuanto más se rinde, más motivación se siente.

Como se ve una óptima motivación en el que estudia no basta por sí sola para conseguir un aprendizaje eficaz. Asimismo, un correcto aprendizaje puede no ser suficiente para garantizar unos buenos resultados en la actividad intelectual. Por tanto, estudio efectivo y motivación son condiciones necesarias, pero no suficientes (por separado) para alcanzar un buen rendimiento en el estudio.

Cómo aumentar la motivación

Existen algunas pautas que pueden ayudar a desarrollar y mejorar las propias motivaciones ante las tareas de aprendizaje:

• Valorar más el hecho de aprender que tener éxito o fracasar.
• Centrar más la atención en el proceso resolutivo que en las recompensas externas.
• Descubrir en qué aspectos responde el tema de estudio a los propios intereses, necesidades y gustos.
• Observar en qué puede sernos útil en nuestros estudios, en nuestra profesión y en nuestra vida en general.
• Si el tema no interesa a priori, ver en qué se relaciona con otro tema cuyo interés parezca más directo para utilizarlo como incentivo.
• Si el tema de estudio repele, tomar clara conciencia de ello antes de abordarlo, lo que permite prepararse para el caso de que sea necesario un esfuerzo más intenso y prever, en cierto modo, una "contraofensiva".

Existen otras pautas tales como la fórmula del Dr. Klaus Berman para desarrollar la facultad de motivación desde el subconsciente, dado que en este se tiene el poder para obnubilar aquellas impresiones que le tocan. Constantemente vemos en nosotros el resultado de este hecho; los hábitos, las costumbres no son sino la manera  de actuar de nuestro subconsciente que ya ha sido impresionado por la repetición de la misma idea durante un periodo de tiempo más o menos largo.

Debe repetirse constantemente esta fórmula, preferiblemente antes de levantarse y al acostarse. Con ello, se logra poner en movimiento el íntimo mecanismo que tendrá que modificar luego nuestro carácter, haciéndonos capaces de crear en nuestro espíritu un entusiasmo y un fuerte deseo; que son condiciones especiales para alcanzar el logro de nuestros propósitos. La formula dice:

"En mi interior existe la motivación. No tengo más que darle libertad. La motivación es una función normal de mi espíritu. Yo he deseado y puede desear espontáneamente. Mi motivo irá tomando cuerpo cada vez más hasta impulsar fuertemente mi voluntad hacia la realización. Mis motivos son poderosos."

Por otro lado, hacer una programación de tus objetivos con relación a tus estudios, con gran responsabilidad personal y atendiendo a tus recursos en general, físicos, intelectuales, sociales, económicos, etc., permite tener una motivación constante para estudiar y estar al día con tus responsabilidades sobre tu aprendizaje.

Refuerzos positivos y negativos

La motivación puede ser incrementada notablemente por parte de quien enseña mediante una reacción positiva ante los esfuerzos de la persona por aprender. Para ello, es necesario expresar con claridad, por ejemplo, la alegría o admiración por tales esfuerzos.

El reconocimiento al esfuerzo de quien aprende y los mensajes de complacencia y alabanza por los logros y las tareas bien realizadas animan a seguir esforzándose en la superación de metas y objetivos. Cuando se comprende que es posible mejorar, que se es capaz y que todo depende fundamentalmente de uno mismo, se recibe un gran estímulo para seguir intentándolo con tenacidad.

Por el contrario la sanción y la censura, entendidas como refuerzos negativos, contribuyen a debilitar la motivación. Sin embargo, es habitual recriminar continuamente al aprendiz presentándole los fallos y las consecuencias negativas de su conducta con la sana  intensión de que reaccione y cambie. Este modo de proceder genera, habitualmente, sentimientos negativos hacia la tarea de aprendizaje emprendida y hacia la persona sancionadora.

No se trata de no reaccionar ante una conducta de aprendizaje no correcta, sino de potenciar los aspectos positivos de la persona. La alabanza siempre tiene una mayor eficacia cuando se hace en público, mientras que la censura suele producir efectos positivos cuando se realiza individualmente y en privado.

En resumen, se puede decir que la intensidad de la motivación se incrementa con las vivencias de éxito y se debilita con las vivencias de fracaso.

Espero estas herramientas te ayuden a progresar en tus estudios, carrera, profesión o emprendimiento. 

Fuente: Máster Biblioteca Práctica de Comunicación. Aprendizaje. Edid. Océano.

Balance de Masa

¿Eso? Sí, eso...la materia. La materia se puede describir como "eso" de lo que están hechas todas las cosas del universo. El agua, la sal, el azúcar, el acero, el planeta, las estrellas e incluso los gases presentes en el aire, todos se componen de materia. Por definición, la materia es cualquier cosa que tiene masa y por lo tanto ocupa un espacio. De hecho, la química es una ciencia que se ocupa de estudiar la materia y los cambios que ésta sufre.

La masa es una medida de la cantidad de materia. Con frecuencia se confunde la masa con el peso. El peso es la acción de la fuerza de la gravedad sobre la masa de un objeto en particular. Durante la mayor parte de su historia, la raza humana estuvo restringida a la superficie del planeta tierra, que ejerce una fuerza gravitatoria relativamente constante (9,8 m/s2) sobre un objeto, de modo que los términos masa y peso se emplean por lo general de manera indistinta. Si algo tiene el doble de masa que otra cosa, también pesa dos veces más.

Cuando se enciende una vela, ésta por acción del calor generado se funde, es decir cambia de estado, pero sin lugar a dudas no se pierde ni se gana masa. La masa total de la cera y el oxígeno presentes antes de la combustión es igual a la masa total de dióxido de carbono, vapor de agua y cera no quemada, que quedan luego de la reacción.

Durante un cambio de estado o de una reacción química la masa se conserva. Esto es lo que quiere decir la Ley de Conservación de la masa, que afirma que la masa no se crea ni se destruye durante un cambio químico.

El descubrimiento de la ley de la conservación de la masa fue realizado por Antoine Lavoisier, francés (1743 - 1794), en la época en que las colonias norteamericanas participaban en la Guerra de Revolución. Luego de llevar a cabo múltiples reacciones en recipientes cerrados, para que las sustancias no pudieran entrar ni salir, Lavoiser concluyó que no ocurría cambio alguno en la masa total.

Como la masa se conserva durante las reacciones químicas, también debe conservarse la materia. La materia no se crea ni se destruye durante una reacción química, sólo se transforma. Es decir, la materia no se puede crear de la nada; no es posible crear átomos de la nada, sólo es posible hacer nuevos materiales cambiando la forma en que se combinan los átomos.

Si la masa debe conservarse durante una reacción química, también debe hacerlo durante cualquier proceso de transferencia de masa. En química, existen diferentes procesos de transferencia de masa. Debemos saber que estos procesos generalmente se clasifican en intermitentes (o por lotes), continuos y semi-intermitentes. En los procesos intermitentes la alimentación (insumos, entradas, materia prima, reactivos) se introduce al sistema al inicio del proceso y todos los productos se extraen juntos un tiempo después. En un proceso continuo las entradas y salidas fluyen continuamente durante el proceso; por ejemplo cuando se bombea una muestra de líquidos en una columna de destilación a una velocidad constante y se extraen continuamente flujos de vapor y de líquido de la parte superior e inferior de la columna. En los procesos semi-intermitentes, también conocidos como procesos semi-continuos; se mezclan varios líquidos lentamente en un tanque del que no se extrae nada.

Los procesos pueden ser operados tanto en régimen permanente (estado estacionario) como en régimen no permanente (estado transitorio). En régimen permanente quiere decir que todas las variables del proceso; tales como temperatura, presión, volumen, velocidad de flujo, etc., no cambian con el tiempo, excepto, posiblemente, por pequeñas fluctuaciones alrededor de los valores promedio constates. Se dice que la operación es transitoria o de régimen no permanente si cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo. Por naturaleza los procesos intermitentes y semi-intermitentes son operaciones en régimen no permanente. Mientras que los procesos continuos pueden ser transitorios o en régimen permanente.

Para evaluar los procesos, generalmente se realiza un balance de materia. Un balance o inventario sobre una sustancia en un sistema (el sistema puede ser una sola unidad del proceso, una colección de unidades o bien un proceso completo) puede escribirse de la siguiente forma general:

Entrada + Producción - Salida - Consumo = Acumulación

Esta ecuación general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que entre o salga de cualquier proceso; puede aplicarse a la masa total de esta sustancia o a cualquier especie atómica o molécula involucrada en el proceso.

La aplicación de esta ecuación es muy sencilla. Por ejemplo, supongamos que cada año 50 mil personas se mudan a una ciudad mientras que 75 mil emigran de ella y por otro lado, 22 mil nacen y 19 mil mueren. Se puede escribir un balance de la población en la ciudad. Se toman las personas que se mudan como la entrada, las que emigran son la salida, las que nacen son la producción y el consumo las que mueren. Así:

50 mil + 22 mil -75 mil - 19 mil = Acumulación

Acumulación = -22 mil personas al año 

(la población disminuye en 22 mil personas por año)

Ahora, cuando tenemos procesos continuos en régimen permanente el término Acumulación se hace cero, A = 0. Es así, necesariamente, ya que de lo contrario no estaríamos en régimen permanente. En este caso la ecuación de balance queda simplificada a:

Entrada + Producción = Salida + Consumo

Esta ecuación puede simplificarse aún más si el proceso no involucra reacciones químicas. En este caso tanto la Producción como el Consumo se hacen igual a cero, dado que sólo puede haber producción y consumo de sustancias o materiales si se efectúan reacciones químicas. Podemos escribir la ecuación de balance como:

Entrada = Salida

Veamos un ejemplo: En un proceso de destilación continua se tienen 1000 Kg/h de una mezcla de tolueno (T) y benceno (B) al 50% en masa. En el tope del destilador salen 450 Kg/h de benceno y una cantidad desconocida de tolueno (Q1) en Kg/h. Por el fondo del destilador salen 475 Kg/h de tolueno y una cantidad desconocida de benceno (Q2) en Kg/h. Se pide hallar Q1 y Q2.

       Como el procesos se efectúa en régimen permanente, no se produce material alguno en el sistema, la Acumulación = 0

           Además no ocurren reacciones químicas, Producción = 0 y Consumo = 0

Entrada = Salida

Balance en Benceno (B):

500 Kg B/h = 450 Kg B/h  +  Q2

Q2  =  50 Kg B/h

Balance en Tolueno (T):

500 Kg T/h = Q1  +  475 Kg T/h

Q1  =  25 Kg T/h

Como vez es muy sencillo aplicar los balances de masa, sólo tiene que entenderse el proceso para plantear adecuadamente las ecuaciones. Dependiendo del tipo de proceso pueden existir una o varias entradas y salidas. 

Generalmente podemos aplicar algunas reglas en el balance de masa en procesos no reactivos:

1. El número máximo de ecuaciones independiente que pueden establecerse, escribiendo los balances para un sistema no reactivo, es igual al número de especies químicas en los flujos de entrada y de salida.

2. Se deben escribir primero los balances que involucren el menor número de incógnitas.

3. Se deben resolver los sistemas de ecuaciones utilizando las herramientas de calculo aritmético pertinentes.