Prof. José Ignacio Zubizarreta

Dr. Ingeniero Industrial

 

Al representar los datos del logaritmo del tiempo de desaparición de una tableta efervescente disuelta en agua con la inversa de la temperatura absoluta se calcula una energía de activación al suponer que el proceso sigue una evolución exponencial con la temperatura siguiendo la ecuación de Arrhenius.

El proceso de neutralización de la reacción ácido-base y consecuente generación del CO2 por sobresaturación en el agua es un proceso muy rápido, conocido, en las operaciones de transferencia de materia con reacción química, como de “reacción instantánea”, limitada solamente por la difusión de los reactantes (Sherwood & Pigford; Absortion and Extraction, 1951 McGraw-Hill) (Astarita; Mass transfer with Chemical Reaction ,1967 Elsevier).

Antes de que se realice la neutralización y se desprenda el CO2 los sólidos se tienen que disolver y el proceso de su disolución es mucho más lento que la reacción ácido-base. Por consiguiente lo que se mide en realidad es la cinética de la disolución de los reactivos y su dependencia con la temperatura. Es decir un proceso puramente físico y no químico. El concepto de energía de activación no suele aplicarse a la disolución de sólidos.

La difusión de un soluto que se transporta en un líquido en su dependencia de la temperatura sigue la ecuación de Stokes-Einstein que ha sido modificada por Wilke y Chang (Sherwood, Pigford, Wilke; Mass Transfer, 1975 McGraw-Hill), en donde entre otros parámetros resulta proporcional a la temperatura e inversamente proporcional a la viscosidad. En general según indica el Perry (J.H. Perry & Chilton; Chemical Engineer’s Handbook, 1973, McGraw-Hill) se puede decir que definidos el soluto y el fluido:

constante

donde DAB es la difusividad del soluto A en el líquido B, μ es la viscosidad del líquido B y T es la temperatura absoluta.

En el caso del agua y el bicarbonato tomando DAB igual a 1,5·10-5 cm2/s como valor típico de referencia a 25 ºC la correlación que se obtiene con la temperatura al aplicar las correcciones por la viscosidad del agua en dependencia a su vez con la temperatura y según la relación anterior resulta una expresión cuadrática para DAB y se representa su evolución en la figura que sigue.

 

 

El flujo medio que se obtiene al integrar la ecuación de Fick en una placa a un medio semiinfinito por la teoría de la penetración, para un tiempo de disolución t (Sherwood, Pigford, Wilke; Mass Transfer) :

donde NA es el flujo medio de transporte en kmol/m2s, DAB es la difusividad del soluto A en el disolvente B y c* es la concentración de saturación en la interfase. Se considera que la concentración c del soluto en todo momento en el conjunto del líquido es cero al ionizarse y reaccionar instantáneamente el reactante disuelto.

En el caso que nos ocupa NA es la masa en moles de reactante inicial dividida por la superficie de la pastilla y por el tiempo t hasta su disolución: NA = M/St

Por lo tanto despejando 1/t ≈ DAB·(c*)2 siendo el resto constantes.

La concentración de saturación c* es una función lineal de la temperatura como se puede ver en la gráfica a continuación donde se presentan los datos obtenidos para el bicarbonato sódico de las International Critical Tables (ICT).

Las mismas tablas (ICT Vol. 5) dan valores de la cinética y del efecto de la temperatura de la solución de sales en agua y ácidos, con valores de un incremento del 10 al 50% en la velocidad por cada 10 ºC de elevación de temperatura. En la experiencia se obtienen valores similares (10-35%) lo que determina una vez más que lo que se está midiendo es la velocidad a la que la tableta se disuelve.

 

 

Por consiguiente, de la expresión anterior se desprende que al representar 1/t con respecto a la temperatura en grados Kelvin resultará una ecuación polinómica de 3º o 4º grado al desarrollar DAB·c*2, un polinomio de segundo grado por otro de 1º al cuadrado.

Tomando los datos experimentales de la página Web se comprueba que es así.

 

Como conclusión puede decirse que matemáticamente se ha correlacionado aceptablemente, dentro del rango de medida, los datos experimentales, a través de una función exponencial de la inversa de la temperatura pero no se está midiendo en realidad la cinética de una reacción química.

La verdadera correlación sustentada por la teoría es la representación del inverso del tiempo de disolución como función polinómica de tercer grado de la temperatura.