LLaabboorraattoorr iioo ddee IInnggeenniieerr ííaa ddee RReeaaccttoorreess QQuuíímmiiccooss

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD AAUUTTOONNOOMMAA MMEETTRROOPPOOLLIITTAANNAA UNIDAD IZTAPALAPA

DIVISION DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

INGENIERIA QUIMICA

AUTOR: DR. JOSE A. DE LOS REYES HEREDIA MIQ. HUGO JARQUIN CABALLERO AGRADECIMIENTOS:

MIQ ROSA MARIA LUNA IQ. HÉCTOR CAÑADA

PPRRAACCTTIICCAA 11

TTEEOORRÍÍAA.. LLaa cc iinnéétt iiccaa qquuíímmiiccaa eessttuudd iiaa llaa rraapp iiddeezz oo vvee lloocc iiddaadd ccoonn qquuee uunnaa oo mmááss ssuussttaanncc iiaass ssee ppuueeddeenn ccoonnvveerrtt iirr eenn oo ttrraass dd iiffee rreenntteess.. MMeedd iiaannttee ee ll aannáá lliiss iiss ddee llooss ddaa ttooss qquuee ddeessccrr iibbeenn llaa ddeessaappaarr iicc iióónn ddee uunn rreeaacc tt iivvoo oo llaa vvee lloocc iiddaadd ddee ffoo rrmmaacc iióónn ddee llooss pprroodduucc ttooss,, ssee ppuueeddeenn ddeedduucc iirr mmuucchhaass ddee llaass ccaa rraacctteerríísstt iiccaass ddee uunnaa rreeaacccc iióónn qquuíímmiiccaa,, ttaa lleess ccoommoo ee ll mmeeccaanniissmmoo ddee rreeaacccc iióónn,, ee ffeeccttooss ddee mmeedd iioo cc iirrccuunnddaannttee (( tteemmppeerraattuurraa,, pp rreess iióónn,, ee ttcc)),, aa llgguunnaass ccaanntt iiddaaddeess ttee rrmmoodd iinnáámmiiccaass,, eennttrree oottrrooss.. DDee aaccuueerrddoo ccoonn llaa lleeyy ddee aacccc iióónn ddee mmaassaass,, llaa vvee lloocc iiddaadd ddee rreeaacccc iióónn ddeeppeennddee eenn ggeenneerraa ll,, ddee llaa ccoommppooss iicc iióónn ddee rreeaacc tt iivvooss yy ddee llaa tteemmppeerraattuurraa.. MMaatteemmáá tt iiccaammeennttee ppuueeddee ssee rr eexxpprreessaaddaa ddee llaa ss iigguuiieennttee mmaanneerraa ::

( , , ,... )A B nr f T C C C= AAssíí,, ppaa rraa uunnaa rreeaacccc iióónn .... ....aA bB pP qQ+ + → + + llaa vvee lloocc iiddaadd ddee rreeaacccc iióónn eenn ttéérrmmiinnooss

ddee uunn rreeaacctt iivvoo bbaassee ii ssee ddeennoo ttaa ccoommoo ( )ir− yy ppaarraa pprroodduucc ttooss ir .. SSii eessccrr iibb iimmooss llaa eeccuuaacc iióónn ddee vvee lloocc iiddaadd eenn ttéérrmmiinnooss ddee ll rreeaacctt iivvoo AA oobbtteenneemmooss llaa ss iigguuiieennttee eexxpp rreess iióónn::

( ) nA Ar kC− =

DDoonnddee ::

k eess llaa ccoonnss ttaannttee ddee rreeaacccc iióónn n eess ee ll oorrddeenn ddee rreeaacccc iióónn

AC eess llaa ccoonncceennttrraacc iióónn ddee ll rreeaacctt iivvoo AA eenn ccuuaa llqquuiieerr iinnssttaannttee LLaa ddeeppeennddeenncc iiaa ddee llaa vvee lloocc iiddaadd ddee rreeaacccc iióónn ccoonn rreessppeeccttoo aa llaa tteemmppeerraa ttuurraa vviieennee ddaaddaa aa ttrraavvééss ddee llaa eexxpprreess iióónn pprrooppuueessttaa ppoo rr AArrrreehhnniiuuss ,, aa ssaabbee rr ::

0

EaRTk k e

−=

EEnn ddoonnddee :: 0k eess llaa ccoonnss ttaannttee ddee AArrrreehhnniiuuss,, ttaammbb iiéénn ccoonnoocc iiddaa ccoommoo ffaaccttoo rr ddee ffrreeccuueenncc iiaa

Ea eess llaa eenneerrggííaa ddee aacc tt iivvaacc iióónn

CARACTERIZACIÓN CINÉTICA DE UNA REACCIÓN QUÍMICA HOMOGÉNEA

OOBBJJEETTIIVVOO:: DDeetteerrmmiinnaarr llaa cciinnéétt iiccaa ddee uunnaa rreeaacccciióónn qquuíímmiiccaa ppoorr mmeeddiioo ddee ddaattooss eexxppeerriimmeennttaalleess eenn uunn rreeaaccttoorr ddiissccoonntt iinnuuoo aa nniivvee ll llaabboorraa ttoorriioo..

EEnn llooss eess ttuudd iiooss ddee llaabboorraa ttoorr iioo yy ccoonn ffiinneess dd iiddáácctt iiccooss,, eess ddee ssuummaa iimmppoorr ttaanncc iiaa llaa ddeetteerrmmiinnaacc iióónn ddee llaass vvee lloocc iiddaaddeess ddee ttrraannssffoorrmmaacc iióónn ddee eessppeecc iieess eenn uunnaa rreeaacccc iióónn hhoommooggéénneeaa ppaarraa llaa ccoommpprreennss iióónn ddee ss iiss tteemmaass rreeaacccc iioonnaanntteess.. UUnn ccaassoo ttíípp iiccoo qquuee rreessuullttaa aaddeeccuuaaddoo ppaarraa eess ttooss ffiinneess eess ee ll ddeessvvaanneecc iimmiieennttoo ddee rreeaacccc iioonneess aa llccaa lliinnaass.. CCuuaannddoo ssee ccoommbb iinnaa ee ll iióónn hhiidd rrooxxiilloo ccoonn ccuuaa llqquuiieerr iinndd iiccaaddoorr ddee PPHH aa llccaa lliinnoo,, ééssttee ssee iirráá ddeeccoo lloorraannddoo lleennttaammeennttee.. PPoorr eejjeemmpp lloo,, ccuuaannddoo llaa ffeennoo llffttaa lleeíínnaa ((PPhh)) ssee aaññaaddee uunnaa ssoo lluucc iióónn aa llccaa lliinnaa,, eenn pprr iimmeerr lluuggaarr ssuuffrree uunnaa ccoonnvveerrss iióónn rráápp iiddaa ee iirrrreevvee rrss iibb llee aa ssuu ffoorrmmaa qquuiinnoo iiddee (( =Ph )) aaddqquuiirr iieennddoo uunnaa ccoo lloo rraacc iióónn rroossaa.. LLaa ffoo rrmmaa qquuiinnoo iiddee rreeaacccc iioonnaa ddeessppuuééss lleennttaa yy rreevveerrss iibb lleemmeennttee ccoonn ee ll iióónn hhiidd rrooxxiilloo ppaa rraa ffoo rrmmaarr ee ll ccaa rrbb iinnoo ll nnoo rreessoonnaannttee (( =PhOH )) ee ll ccuuaa ll ssee ttoorrnnaa iinnccoo lloo rroo.. LLaass rreeaacccc iioonneess iinnvvoo lluuccrraaddaass ssoonn llaass ss iigguuiieenntteess ::

=2

( )2 2rapida

rosaPh OH Ph H O+ → + ((11..33))

1

2

= =

( ) ( )

k rapida

krosa incoloroPh OH PhOH→+ →← ((11..44))

LLaa cc iinnéétt iiccaa ddee llaa rreeaacccc iióónn ((11..44)) ssee eess ttuudd iiaa ccoonnvveenniieenntteemmeennttee ddaannddoo sseegguuiimmiieennttoo aa llaa ddeeccoo lloorraacc iióónn ddee llaa mmeezzcc llaa ppoorr mmeedd iioo ddee uunn eessppeeccttrroo ffoottóómmeettrroo oo ccoo lloorr íímmee ttrroo.. LLaa rreeaacccc iióónn ((11..33 )) eess eesseenncc iiaa llmmeennttee iinnssttaannttáánneeaa,, mmiieennttrraass qquuee llaa rreeaacccc iióónn ((11..44)) eess nnoottoo rr iiaammeennttee mmááss lleennttaa,, ddee ttaa ll ffoorrmmaa qquuee llaa sseegguunnddaa rreeaacccc iióónn ccoonnsstt iittuuyyee llaa eettaappaa lliimmiittaannttee ddee ll pprroocceessoo ddee ttrraannssffoorrmmaacc iióónn qquuíímmiiccaa yy llaa vvee lloocc iiddaadd ddee rreeaacccc iióónn gglloobbaa ll ppuueeddee eennttoonncceess eexxpprreessaarrssee eenn ttéérrmmiinnooss ddee eessttaa sseegguunnddaa rreeaacccc iióónn.. EEnn llaa pp rráácctt iiccaa llaa ccoonncceennttrraacc iióónn ddee iióónn hhiidd rrooxxiilloo eess mmuucchhoo mmaayyoorr aa llaa ccoonncceennttrraacc iióónn ddee llaa ffeennoo llffttaa lleeíínnaa,, ppoorr lloo qquuee llaa ccoonncceennttrraacc iióónn ddee bbaassee rreemmaanneennttee ppeerrmmaanneeccee ccaass ii ccoonnss ttaannttee eenn ee ll ttrraannssccuurrssoo ddee llaa rreeaacccc iióónn yy ssee ppuueeddee ddee ffiinniirr eennttoonncceess,, uunnaa ccoonnssttaannttee ddee ppsseeuuddoo-- vvee lloocc iiddaadd.. AAssíí,, llaa eexxpprreess iióónn cc iinnéétt iiccaa ppaarraa llaa rreeaacccc iióónn ((11..44 )) qquueeddaa ccoommoo ss iigguuee ::

== =

1 2( )Ph

r k Ph OH k PhOH− − = − ((11..55))

PPeerroo eenn ee ll eeqquuiill iibbrr iioo,, ppaa rraa tt iieemmppooss mmuuyy ggrraannddeess ,, ccuuaannddoo (( t → ∞ )) ssee ddaa llaa ss iigguuiieennttee rree llaacc iióónn::

= ==

01= =

2

Ph PhPhOHkK

k Ph OH Ph OH∞∞

− −

∞ ∞ ∞ ∞

− = = =

((11..66))

DDoonnddee KK eess llaa ccoonnssttaannttee ddee eeqquuiilliibb rr iioo..

AAhhoorraa bb iieenn,, ccoommoo =

Ph

d Phr

dt

= yy ssee ttrraattaa ddee uunn rreeaaccttoo rr ppoorr llootteess,, ddoonnddee nnoo eexxiiss ttee ccaammbb iioo

ddee vvoo lluummeenn,, rreessoo llvviieennddoo,, ssee oobb tt iieennee llaa ss iigguuiieennttee eeccuuaacc iióónn::

[ ]2

= =( ´ )0

=

k k tPh Ph

ePh OH

− +∞−

∞ ∞

− =

((11..77))

DDoonnddee :: 1´k k OH − = eess uunnaa ppsseeuuddoo ccoonnss ttaannttee ddee rreeaacccc iióónn ddee pprr iimmeerr oo rrddeenn

=

0Ph eess llaa ccoonncceennttrraacc iióónn ddee llaa eessppeecc iiee ccoo lloorreeaaddaa aa ll iinnssttaannttee ddee iinniicc iioo

PPoorr oottrroo llaaddoo,, ddee aaccuueerrddoo aa llaa lleeyy ddee BBeeeerr--LLaammbbeerr tt,, llaa ccoonncceennttrraacc iióónn eess pprrooppoo rrcc iioonnaa ll aa llaa aabbssoorrbbaanncc iiaa,, lluueeggoo eennttoonncceess,, llaa eeccuuaacc iióónn ((11..77 )) ppuueeddee ssee rr rreeeesscc rr iittaa eenn ttéérrmmiinnooss ddee eessttaa pprroopp iieeddaadd,, ttaa ll yy ccoommoo ssee mmuueessttrraass aa ccoonntt iinnuuaacc iióónn::

2

( ) ( )ln ( ´ )

(0) ( )A t A

k k tA A

− ∞ = − +− ∞

((11..88))

AAddeemmááss,, eenn ee ll eeqquuiill iibbrr iioo ::

(0) ( )

(0)

A AK

A OH −

− ∞= −

((11..99))

AAll ggrraa ffiiccaarr ( ) ( )A t A− ∞ vvss tt ,, eenn ppaappee ll sseemmii-- llooggaarr ííttmmiiccoo,, llaa ppeenndd iieennttee ccoo rrrreessppoonnddeerráá aa ll vvaa lloorr

ddee 2( ´ )k k− + yy aa ppaarrtt iirr ddee llaa ccoonndd iicc iióónn ddee eeqquuiilliibb rr iioo ssee ppuueeddeenn ddeedduucc iirr llaass ccoonnss ttaanntteess 2k yy

1k ppaarraa lllleeggaarr aa llaa ss iigguuiieennttee rree llaacc iióónn ::

22

´

1

k kk

K OH −

+= +

((11..1100))

1 2k Kk= ((11..1111)) TTrraabbaa jjaannddoo aa dd iiffeerreenntteess tteemmppeerraattuurraass eess ppooss iibb llee ddee tteerrmmiinnaa rr llaa rxnH∆ ,, uutt iilliizzaannddoo uunnaa ggrráá ffiiccaa

ddee VVaann´́tt HHooooff ddee 1

ln vs KT

,, ddoonnddee llaa ppeenndd iieennttee rreepprreesseennttaa rrííaa ee ll vvaa lloo rr ddee rxnH

R

∆− (( RR eess

llaa ccoonnssttaannttee uunniivveerrssaa ll ddee llooss ggaasseess )).. MMAATTEERRIIAALLEESS YY RREEAACCTTIIVVOOSS

qq 11 RReeaaccttoo rr ddee 11 lltt.. ccoonn aaggiittaaddoorr qq 11 PPiippee ttaa ggrraadduuaaddaa ddee 1100 mmll.. qq 11 MMaattrraazz vvoo lluumméé ttrr iiccoo ddee 11 LLtt.. qq 11 EEssppeecc ttrroo ffoo ttóómmee ttrroo ((ccoo lloorr íímmee ttrroo)) qq 11 DDeeddoo ffrr ííoo qq 11 BBoommbbaa ppee rr iiss ttáá lltt iiccaa qq 11 BBaaññoo ddee tteemmppeerraa ttuurraa qq 11 MMaanngguueerraa ddee hhuullee qq 11 CCrroonnóómmeettrroo qq AAgguuaa ddeesstt iillaaddaa qq FFeennoo llffttaa lleeíínnaa eenn ssoo lluucc iióónn qq HHiiddrróóxxiiddoo ddee ssoodd iioo

PPRROOCCEEDDIIMMIIEENNTTOO EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL SS UUGGEERRIIDDOO 11..-- SSee ccaalliibbrraa ee ll ccoo lloorríímmeettrroo ccoonn ee ll ccoo lloo rr bb llaannccoo,, uussaannddoo aagguuaa ddeesstt iillaaddaa,, aa uunnaa lloonnggiittuudd ddee oonnddaa ddee 555500��mm.. 22..-- PPrreeppaarraarr 11 LLtt.. ddee ssoo lluucc iióónn ddee NaOH 00..0055NN.. LLaa ssoo lluucc iióónn ssee ppaassaa aa ll rreeaacc ttoorr ccoonnaaggiittaacc iióónn ccoonntt iinnuuaa,, ssee ccoo llooccaa eenn ee ll bbaaññoo ccoonn tteemmppeerraattuurraa aa 2255°°CC yy ssee ccoo llooccaann llaass mmaanngguueerraass qquuee vvaann aa llaa bboommbbaa yy aa ll ddeeddoo ffrrííoo,, sseeggúúnn llaa ffiigguurraa 11.. 33..-- LLaa bboommbbaa ssee eenncc iieennddee yy ssee aaggrreeggaann uunnaass ggoottaass ddee ffeennoo ffttaa lleeíínnaa ttoommaannddoo lleeccttuurraass ddee aabbssoorrbbaanncc iiaa yy ccrroonnoommee ttrraannddoo ee ll tt iieemmppoo eenn ee ll ssee ee ffeeccttúúaann.. 44..-- SSee rreeppiittee ee ll pp rroocceedd iimmiieennttoo ccaammbb iiaannddoo llaa tteemmppeerraa ttuurraa ddee ll bbaaññoo aa 3355,, 4455 yy 6600°°CC..

FFII GGUURRAA 11.. MMóódduulloo ddee RReeaaccttoorr ccoonn AAggiittaacciióónn CCoonntt iinnuuaa RREESSUULLTTAADDOOSS AA RREEPPOORRTTAARR YY DDIISS CCUUTTIIRR

•• PPllaanntteeaarr ee ll bbaa llaannccee ddee mmaatteerr iiaa ppaarraa ccaaddaa uunnaa ddee llaass eessppeecc iieess ((nnoo eess nneecceessaarr iioo rreessoo llvvee rr lloo))..

•• RReeppoorr ttaarr llooss ddaattooss cc iinnéé tt iiccooss 2 1, k k

•• OObbtteennee rr llooss vvaa lloorreess ppaarraa llooss ppaarráámmeettrrooss KK yy rxnH∆

BBIIBBLLIIOOGGRR AAFFÍÍAA

•• LLeevveennsspp iiee ll OO.. IInnggeenniieerr ííaa ddee llaass RReeaacccc iioonneess QQ uuíímmiiccaass EEdd iitt.. RReevveerrttéé,, EEssppaaññaa,, 11998866..

•• SSmmiitthh,, JJ.. MM.. IInnggeenniieerr ííaa ddee llaa CC iinnéétt iiccaa QQuuíímmiiccaa.. EEdd iitt.. CC EECCSSAA,, 11ªª.. EEdd.. MMééxxiiccoo..

11999922