LabFIQUI-I-“EQUILIBRIO QUÍMICO HOMOGÉNEO EN LA FASE LIQUIDA”B

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I

EQUILIBRIO QUÍMICO HOMOGÉNEO EN FASE LIQUIDA

1. INTRODUCCION:

El presente trabajo de la laboratorio titulado “Equilibrio Químico Homogéneo en fase liquida”, tiene por finalidad, familiarizar al estudiante con lo que es el equilibrio químico, en este laboratorio el estudiante determinara la constante de equilibrio de una reacción muy conocida como es el de Esterificación, esto lo hará experimentalmente.

El Equilibrio Químico es un estado al cual llegan algunas reacciones químicas (reversibles), en este estado se dice que tanto los reactantes están produciendo los productos como también los productos reaccionan para dar reactantes. Este fenómeno físico es muy importante para saber aprovechar algunos de estos en el uso industrial, ya que al variar algunos parámetros hará que se produzca un beneficio para el químico.

Nosotros como estudiantes de Ingeniería Química debemos de estar relacionados con este tema que es de suma importancia para poder entender otros fenómenos que tienen como base en los procesos químicos.

Objetivos :

Estudiar el estado de equilibrio de una reacción química de esterificación, en fase liquida, así como también determinar la constante de equilibrio químico.

Investigar el uso industrial de la reacción de esterificación.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO:

Pocas reacciones químicas proceden en una sola dirección. La mayoría son reversibles al menos en cierto grado. Al inicio del proceso reversible, la reacción procede hacia la formación de productos. Tan pronto como se forman algunas moléculas de producto, el proceso inverso se comienza a establecer y las moléculas de reactivo se forman a partir de las moléculas de producto. El equilibrio químico se alcanza cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan y las concentraciones netas de los reactivos y productos permanecen constantes.

En el equilibrio químico participan distintas sustancias como reactivos y productos. El equilibrio entre dos fases de la misma sustancia se denomina equilibrio físico.

RELACIÓN ENTRE CINÉTICA QUÍMICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO

El valor de la constante de equilibrio k, es constante a una temperatura dada y no importan las variaciones de cada una de las concentraciones de equilibrio. Este hecho se puede entender si se considera la cinética de las reacciones químicas y al mismo tiempo si se analizan los procesos de equilibrio.

Suponga que la siguiente reacción reversible se lleva a cabo por un mecanismo que consta de un solo paso elemental tanto en la dirección directa como en la inversa.


A + 2B AB2

La velocidad directa esta dada por:

Velocidadf = Kf [A][B] ²

Y la velocidad de reacción inversa esta dada por:

Velocidadr = Kr[AB2]

Donde Kf y Kr son constantes de velocidad para las reacciones en sentido directo e inverso.En el equilibrio, cuando ya no se producen cambios netos, las dos velocidades deberán ser

iguales:

Velocidadf = Velocidadr

Kf[A][B] ² = Kr [AB2]

Así, Kc. Siempre es constante, en forma independiente de las concentraciones en el equilibrio de las especies reaccionantes porque siempre es igual a Kf/Kr, el cociente de dos cantidades que en si mismas son constantes a una temperatura dada.

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1 Equipos materiales y reactivos:

- 3 viales con tapa hermética- Pipetas de 1, 2 y 5 ml- 1 bureta de 50 ml- 4 Erlenmeyer de 125 ml- Pinza para bureta- Soporte Universal- Vaso de Precipitado de 100 ml- Acido acético- Etanol- Acetato de Etilo- Acido Clorhídrico 3N- Hidróxido de Sodio 0.5N- Indicador Fenolftaleina


3.2 Procedimiento experimental:

- Como primer paso se preparan las mezclas de las sustancias midiéndose los volúmenes a reaccionar de cada una, indicados por el jefe de laboratorio, mediante pipetas y buretas.

- Seguidamente se vierten a un frasco o dos, para ser dejado allí por lo menos 1 semana, durante la cual se debe de agitar constantemente.

- Luego del time previsto, se procede a titular cada una de ella con X ml de NaOH. Para ello se extrae 2 ml de cada frasco y se vierte en el erlenmeyer conjuntamente con indicador de fenoltaleína y un poco de agua.

- Luego de la titulación, se procede a calcular la concentración del ácido acético presente, en el punto de equilibrio. Seguidamente se hallan las moles de ácido.

- Por último paso, se estudia, el equilibrio, teniendo como datos las densidades de cada sustancia al inicio, para así hallar las masas de ellas y por consiguiente las moles iniciales. Finalmente se halla la constante de equilibrio.

4. TABLAS Y DATOS

Datos Bibliográficos:

Densidad del HCl = 1.04745 g/mlDensidad del CH3COOH = 1.0440 g/mlDensidad del C2H5OH = 0.78506 g/mlDensidad del CH3COOC2H5 = 0.901 g/mlDensidad del H2O = 0.99708 g/mlMHCl = 36.5 g/molMCH3COOH = 60 g/molMC2H5OH = 46 g/molMCH3COOC2H5 = 88 g/molM Biftalato de K = 204.22 g/mol

Datos Experimentales:

[HCl] = 2.8344M[NaOH] = 0.4724M

GRUPO MEZCLAVOLUMEN(ml) - MEZCLA INICIAL VOLUMEN (ml)

HCL 3N CH3COOH CH3CH2OH CH3COOC2H5 H2O NAOH 0.5NVOL

PROM

1I1 5 4 1 30.6 30.5 31.3 30.55I2 5 3 2 20.5 20.7 19.6 20.60V1 5 5 19.6 19.7 19.9 19.65


2I3 5 2 3 15.1 14.9 14.9 15.00I4 5 1 4 9 9 8.9 9.00V2 5 5 0.00

3II1 4 5 1 32.6 32.4 32 32.50II2 3 5 2 28 28 28.00IV2 5 4 1 17 17 16.8 17.00

4II2 2 5 3 29.5 29.1 30.5 29.30II3 1 5 5 23.3 23.4 23.1 23.35IV3 5 3 2 16.2 16.3 16.5 16.25

5III1 4 1 5 8.2 8.1 8 8.15III2 3 2 5 10.5 10.6 9.9 10.55IV4 5 2 3 12.7 12.7 12.9 12.70

5. TRATAMIENTO DE DATOS

I. Normalización del NaOH

Nos apoyamos de una sal conocida para realizar la comparación:

Sal = Biftalato de Potasio

1 mol de NaOH reacciona con 1 mol de Biftalato de Potasio

a) MUESTRA 1:

mBift. de K = 0.7362 gMBift. de K = 204.22 g/mol → nBift. de K = 3.6x10-3 molesVBift. de K = 7.7 ml[NaOH]1 = 0.4682M

b) MUESTRA 2:

mBift. de K = 0.6228 gMBift. de K = 204.22 g/mol → nBift. de K = 3x10-3 molesVBift. de K = 6.4 ml[NaOH]2 = 0.4765M

Por lo tanto, la concentración de NaOH es:

[NaOH] = [NaOH]1 + [NaOH]2 = 0.4682M + 0.4765M → [NaOH] = 0.4724M

II. CALCULO DE CONCENTRACIÓN DE HCL:


De la titulación de 1ml de HCl con 6ml de NaOH, obtenemos que: → [HCL] = 2.8344N

III. CALCULO DE LA MASA DE AGUA EN LA SOLUCIÓN DE HCL:

mHCL(ac) = magua + mHCL

magua = mHCL(ac) - mHCL

magua = VHCL(ac)xρHCL(ac) - VHCLx[HCl]xMHCL

Entonces, para nuestra 1ª muestra, la cantidad de agua en la solución de HCL fue:

magua = 4mlx1.04745g/ml - (0.004Lx2.8344mol/Lx36.5g/mol)magua = 3.77598 g

Presentamos los valores obtenidos para cada muestra en la siguiente tabla:

GRUPO MEZCLAMasa Inicial (g)

H2O en HCl

1I1 4,71997I2 4,71997V1

2I3 4,71997I4 4,71997V2

3II1 3,77598II2 2,83198IV2 4,71997

4II2 1,88799II3 0,94399IV3 4,71997

5III1 3,77598III2 2,83198IV4 4,71997

IV. CALCULO DE LAS MOLES DE ACIDO ACETICO AL FINAL:

Se pueden obtener a partir de la titulación de 2 ml de cada mezcla con NaOH, utilizando el indicador de fenolftaleina.

a) PARA LA PRIMERA MEZCLA:

Después de la titulacón obtenemos que:VNaOH = 32.5 ml


Entonces, podemos aplicar que:

#eq-gacido = #eq-gbase

#eq-gHCl+AcAc = #eq-gNaOH

VAcAcNAcAc + VHClNHCl = VNaOHNNaOH

NAcAc = MAcAc = 4.8421M nAcAc = 0.0484 moles

b) PARA LA SEGUNDA MEZCLA:

Obtenemos que: VNaOH = 28 ml nAcAc = 0.0378 moles

c) PARA LA TERCERA MEZCLA:

Obtenemos que: VNaOH = 17 ml nAcAc = 0.0118 moles

A continuación presentamos la tabla de las moles de Ácido Acético al final:

GRUPO MEZCLAMoles

Finales(mol)CH3COOH

1I1 0,04382I2 0,02031V1 0,01807

2I3 0,00709I4 -0,00709V2

3II1 0,04842II2 0,03779IV2 0,01181

4II2 0,04086II3 0,02681IV3 0,01004

5III1 -0,00909III2 -0,00342IV4 0,00165

v. CALCULO DE LAS MOLES INICIALES DE CADA SUSTANCIA:

a) PARA LA PRIMERA MUESTRA:

CH3COOH(l) + C2H5OH (l) HCl(ac) CH3COOC2H5 (l) + H2O (l)


ni = ai bi ci di

n2 = -x -x x x nf = af bf cf df

Tenemos los siguientes volúmenes iniciales:

VCH3COOH = 5 mlVC2H3OH = 1 ml

Además tenemos el valor de las densidades al inicio:

Entonces calculamos la masa al inicio de los componentes:

También sabemos que al inicio:

Como conocemos sus masas moleculares, podemos calcular el número de moles:

A continuación presentamos la tabla de las moles iniciales de cada sustancia:

GRUPO MEZCLAMOLES INICIALES (MOL)

CH3COOH CH3CH2OH CH3COOC2H5 H2O

1I1 0,06960 0,01707 0,26222I2 0,05220 0,03413 0,26222V1 0,08700 0,08533

2 I3 0,03480 0,05120 0,26222


I4 0,01740 0,06827 0,26222V2 0,05119 0,27697

3II1 0,08700 0,01707 0,20978II2 0,08700 0,03413 0,15733IV2 0,04095 0,31761

4II2 0,08700 0,05120 0,10489II3 0,08700 0,08533 0,05244IV3 0,03072 0,37301

5III1 0,01740 0,08533 0,20978III2 0,03480 0,08533 0,15733IV4 0,02048 0,42840

VI CALCULO DE LAS MOLES FINALES DE CADA SUSTANCIA:


Tenemos que:

Entonces conociendo el valor de x, puedo calcular las moles finales de cada sustancia:

A continuación presentamos la tabla de las moles finales de cada sustancia:

GRUPO MEZCLAMOLES FINALES (MOL)

X(mol)CH3COOH CH3CH2OH CH3COOC2H5 H2O

1I1 0,04382 -0,00872 0,02578 0,28801 0,02578I2 0,02031 0,00225 0,03189 0,29411 0,03189V1 0,01807 0,01640 0,06893 0,06893 0,06893

2I3 0,00709 0,02349 0,02771 0,28993 0,02771I4 -0,00709 0,04378 0,02449 0,28671 0,02449V2

3II1 0,04842 -0,02151 0,03858 0,24836 0,03858II2 0,03779 -0,01507 0,04921 0,20654 0,04921IV2 0,01181 0,01181 0,02914 0,30580 0,01181

4II2 0,04086 0,00506 0,04614 0,15103 0,04614II3 0,02681 0,02514 0,06019 0,11264 0,06019IV3 0,01004 0,01004 0,02068 0,36297 0,01004

5III1 -0,00909 0,05884 0,02649 0,23627 0,02649III2 -0,00342 0,04711 0,03822 0,19556 0,03822IV4 0,00165 0,00165 0,01882 0,42675 0,00165


VII. CALCULO DE LAS CONSTANTES DE EQUILIBRIO:


Conociendo las moles finales de cada sustancia procedemos a calcular el cociente de reacción Q :

b) PARA LA SEGUNDA MUESTRA:

c) PARA LA TERCERA MUESTRA:

Como deseamos obtener la constante para la reacción de esterificación, entonces:

A continuación presentamos la tabla con el valor de los cocientes de reacción para cada una de las muestras:

GRUPO MEZCLACONSTANTES DE

EQUILIBRIO

1I1 -19,44047261I2 205,5331198V1 16,03207217

2I3 48,28332766I4 -22,62965166V2

3II1 -9,198152547II2 -17,83958649IV2 63,8999698

4 II2 33,68538897II3 10,05877566


IV3 74,47796625

5III1 -11,69893674III2 -46,33194307IV4 2938,487579

AVERIGUAR ACERCA DE LA REACCION QUÍMICA USADA :

Reacciones de los alcoholes :

Esterificación :

Los alcoholes reaccionan con los ácidos oxácidos inorgánicos y con los ácidos carboxílicos dando lugar a la formación de ésteres.

CH3OH +

HONO2 H2O + CH3ONO2

metanolácido nítrico

nitrato de metilo

CH3—CH2OH +

HOSO2OHH2O + CH3—CH2OSO2OH

etanol ácido sulfúrico sulfato ácido de etilo La formación de ésteres con ácidos inorgánicos es un proceso rápido y el equilibrio

está muy desplazado hacia la formación de ésteres.

La formación de ésteres de ácidos orgánicos no transcurre de modo completo sino que se alcanza una situación de equilibrio (lentamente en ausencia de catalizadores) .

CH3COOH + HOCH2—CH3 H2O + CH3—COOCH2—CH3

ácido acético etanol acetato de etilo

Un éster inorgánico muy importante es el trinitrato de glicerina, llamado comúnmente nitroglicerina, y que se obtiene por cuidadosa reacción de una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados con propanotriol (glicerina) . La nitroglicerina es un líquido aceitoso incoloro y extraordinariamente explosivo. Para poderla manejar con cierta seguridad se impregna con ella un polvo inerte (tierra de diatomeas), lo que constituye la dinamita,


descubierta por el célebre químico sueco A. Nobel, creador, con los intereses de su fortuna, de los famosos premios Nobel.

Los ésteres son las sales alcohólicas, tanto de los ácidos inorgánicos como de los ácidos carboxílicos. Los ésteres líquidos se han empleado como sustitutos de esencias de algunas frutas debido a su olor agradable.

Si se pone en contacto una base inorgánica con un ácido inorgánico, se forman agua y la sal correspondiente, de modo cuantitativo. En cambio, si se mezcla un alcohol con un ácido carboxílico, la reacción no se verifica de manera sencilla y completa como lo indica la ecuación de abajo. La velocidad de formación de la sal disminuye continuamente hasta llegar a un estado en el que, aparentemente, ya no hay formación del éster; el sistema se encuentra en estado de equilibrio. Frecuentemente el equilibrio es desfavorable para la formación de la sal.

Se puede favorecer la esterificación empleando un exceso de alguno de los reactivos o

eliminando alguno de los productos. Por ejemplo, con exceso de etanol o por destilación del éster, respectivamente.

La esterificación de Fischer es una reacción catalizada por ácido:

6. CONCLUSIONES

Una de las principales razones por la que se obtuvo un valor negativo en la constante de equilibrio así como también valores diferentes, es que no se realizo una buena titulación.

Además, algunos valores de las concentraciones finales obtenidas en la titilación no alcanzaron aun su estado de equilibrio.

La importancia que tiene la constante de equilibrio consiste en poder analizar el rendimiento de una reacción.

H2SO4

CH3CO2H + C2H5OH —> CH3CO2C2H5 + H2Oác. acético etanol

ác. sulfúrico

acetato de etilo agua

M (g/mol) 60.05 46.07 98.08 88.1 18V (ml) 15 20 2.5 ? ?moles ~0.25 ~0.34 ~0.05 ? ?r (g/ml) 1.05 0.79 1.84 0.9 1

pureza (%V/V) 100 99 97 ? ?

Tebstd. (°C) 118 78 330 77 100


El estado de equilibrio de una reacción química se evalúa con la constante de equilibrio cuyo valor depende de la estequiometria de la reacción y de la temperatura.

Algunas propiedades físicas. Como la temperatura, presión, densidad, etc. se mantiene constante, es decir desde el punto de vista físico es estático.

La presencia de un catalizador, en este caso el HCl, puede acelerar el proceso, pero no tiene efecto sobre la constante de equilibrio o sobre las concentraciones en equilibrio de las especies reaccionantes.

7. BIBLIOGRAFÍA García-Junco, M. 1929. Tratado de Química Orgánica. Talleres Gráficos de la

Nación, México.

Raymond Chang, “Química”, México, cuarta edición, 199, Pág. 559 –584.

Olguín, S. 1996. Manual de prácticas de química orgánica I. Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. México.

Reusch, W.H. 1979. Química Orgánica. McGraw-Hill, México.

The Merk Index. 12th ed. Merk KgaA, Darmstadt, BRD. 1996.

Wade, L.G. 1993. Química Orgánica. 2a ed. Prentice Hall Hispanoamericana, México.

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