1

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIERREZ

INGENIERÍA QUÍMICA

DOC. ENCISO SAENZ SAMUEL

REACTORES QUÍMICOS

IQF1021

RUSBEL EDUARDO TRINIDAD URBINA

NUMERO DE CONTROL 12270104

MARIA MÓNICA HERNANDEZ OROZCO

NUMERO DE CONTROL 11270232

PROPUESTA DE UNA REACCIÓN HOMOGENEA PARA

SU ESTUDIO CINÉTICO

A VIERNES 20 DE FEBRERO DEL 2015, TUXTLA GUTIERREZ CHIS.

REACTORES

QUIMICOS

REACTORES

QUIMICOS

2

Índice

Objetivo…………………………………………………………………………3

Introducción……………………………………………………………………3

Teoría……………………………………………………………………………3

Propuesta de trabajo…………………………………………………………5

Análisis y predicción de resultado…………………………………………7

Resultados cuantitativos esperados……………………………………….8

Conclusión………………………………………………………………………11

Bibliografía………………………………………………………………………11

3

CINÉTICA QUÍMICA DE LA REACCIÓN ACETATO DE ETILO CON HIDRÓXIDO

DE SODIO.

OBJETIVO

El objetivo principal de esta práctica es estudiar la cinética de la reacción de saponificación del Acetato de Etilo. Se desea determinar la constante cinética y el orden de la reacción: la saponificación a temperatura ambiente, estudiar la rapidez con que se desarrolla la reacción analizando la influencia que tiene la temperatura sobre ella.

INTRODUCCIÓN

Se desea estudiar en laboratorio la cinética de la reacción de saponificación del acetato de etilo, para la cual se requiere determinar, a temperatura constante, el orden, la constante cinética de la reacción, el tiempo de vida media y el porcentaje de desviación respecto a la constante cinética teórica calculada para dicha reacción. Para ello se quiere determinar el inverso de las concentraciones y graficar con respecto al tiempo todo esto atreves del método de volumétrico (titulación). TEORIA 1.- DESCRIBIR EL CAMPO DE ESTUDIO DE LA CINETICA QUIMICA.

Este campo estudia la velocidad de reacción de los procesos químicos en función

de la concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción,

de los catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la

temperatura, y de todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de

una reacción.

Cuando algunas sustancias reaccionan lo hacen en forma lenta, por ejemplo el

hierro en presencia de aire; otras reaccionan rápidamente, como por ejemplo el

sodio también en presencia de aire; y hay sustancias como el papel en presencia

de aire que no reaccionarían jamás sin el auxilio del fuego, pero una vez

comenzada la reacción ésta se desarrolla rápidamente.

2.- LOS CONCEPTOS BÁSICOS DEL EQUILIBRIO QUÍMICO. EQUILIBRIO QUIMICO: El equilibrio químico es un modelo que permite el

estudio de las reacciones reversibles que se estabilizan en un tiempo breve y a

partir de este modelo se pueden encontrar las cantidades de productos elaborados

y las composiciones de equilibrio del sistema en reacción.

LEY DE ACCIÓN DE MASAS: La ley de acción de masas o ley de velocidad se aplica solamente a reacciones elementales y expresa: “la velocidad de una reacción es proporcional a la concentración de reactivos presentes en el sistema, donde cada reactivo esta elevado a un exponente que corresponde al coeficiente estequiométrico de la ecuación balanceada”. Matemáticamente: v = k [A]a [B]b

4

ECUACIÓN QUIMICA: Una ecuación química es la representación simbólica del

proceso químico real o reacción que ocurre en el interior de un reactor químico o

recipiente de reacción.

ESTEQUIOMETRÍA: La estequiometría es el estudio cuantitativo de reactivos y

productos en una reacción química.

REACTIVO LIMITANTE: Es aquel que se encuentra en menor proporción en

moles con respecto a la ecuación química balanceada.

REACTIVO EN EXCESO: El que está en mayor proporción en moles con respecto

a la ecuación química equilibrada.

PRINCIPIO DE LE CHATELIER: “Cuando se aplica un esfuerzo a un sistema en

equilibrio, el sistema se ajusta, de tal manera que contrarreste el cambio aplicado

3.-LA IMPORTANCIA, EL CÁLCULO Y EL SIGNIFICADO DE LAS VARIABLES T, P, V, COMPOSICIÓN Y OTRAS CANTIDADES TERMODINÁMICAS COMO CAMBIO DE ENTALPÍA, DE ENERGÍA INTERNA, DE ENTROPÍA, ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS, ECUACIÓN DE ARREHNIUS.

Desde el punto de vista de la termodinámica, los criterios de equilibrio para los

sistemas físicos son:

1. La entropía (S) es máxima para un sistema cerrado a energía interna (U) y volumen constante (V).

2. No existen diferencias de potencial en el sistema (P =T =G = 0) 3. El sistema no es capaz de producir trabajo, cuando se le aísla de los

alrededores.

Temperatura. La temperatura hace que aumente la energía cinética molecular

promedio y por consiguiente aumenta la frecuencia de que ocurran choques

efectivos.

Presión. Es un factor a considerar sobre todo en reacciones gaseosas.

ENERGIA LIBRE DE GIBBS:

Willard Gibbs (1839-1903) propuso una nueva función de estado denominada

energía libre de Gibbs (G), para determinar la espontaneidad de un proceso. La

energía libre de Gibbs se define en función de dos propiedades termodinámicas:

entalpía y entropía, de la siguiente manera:

G = H - TS

La energía libre de Gibbs es el potencial químico que permite a un sistema cambiar de un estado a otro de manera espontánea.

5

Energía Interna. La energía que puede ser liberada (o absorbida) debido a una

reacción entre un conjunto de sustancias químicas es igual a la diferencia entre el

contenido energético en los productos y reactivos. Este cambio en la energía es

llamado el cambio en la energía interna de una reacción química.

Entalpia. Bajo condiciones de presión constante, como reacciones en recipientes

abiertos a la atmósfera, el cambio de calor medido no siempre es igual al cambio

de energía interna, ya que el trabajo presión-volumen también libera o absorbe

energía. El cambio de calor a presión constante es llamado cambio de entalpía;

para este caso la entalpía de formación

La ecuación de Arrhenius, da la dependencia de la constante de velocidad k de

reacciones químicas a la temperatura T (en temperatura absoluta, tales como

kelvins o grados Rankine) y la energía de activación Ea", de acuerdo con la

expresión:

Propuesta de trabajo

Saponificación de acetato de etilo con sosa (hidróxido de sodio)

1.- La reacción propuesta

La saponificación de un éster corresponde a un proceso químico donde éste reacciona con un hidróxido. La reacción objeto de estudio es entre el acetato de etilo y el hidróxido de sodio. Que se representa mediante la ecuación química:

CH3COOC2H5 + NaOH CH3COONa + CH3CH2OH

2.-Parámetros de la reacción

Si la reacción es del tipo elemental se puede representar con la ecuación estequiometria:

A + B productos.

Pero si alimentamos al reactor a iguales concentraciones de acetato de etilo y de hidróxido de sodio, se modifica la ecuación química, dando: 2A productos; de manera que la variación de la concentración de los reactivos con respecto al tiempo queda:

−𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑡= 𝑘𝐶𝐴

2

6

Integrada adquiere la forma:

1

𝐶𝐴= 𝑘𝑡 +

1

𝐶𝐴0 ………. (6.1)

De manera que al representar el inverso de la concentración en función del tiempo dará una recta, cuya pendiente es la constante de velocidad y la ordenada al origen el inverso de la concentración inicial. La temperatura y la presión seria a una 1 atm y a temperatura ambiente.

Calor de reacción

El calor de reacción viene dado por la diferencia entre las entalpías de formación de los productos y los reactivos:

El calor de reacción puede ser obtenido teóricamente con la diferencia entre la energía de activación de la reacción directa y la inversa:

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE LA REACCIÓN A 298°K:

FÓRMULA NOMBRE M(g/mol) ∆H°f (kJ/mol)

∆G°f

(kJ/mol) S°f

(J/mol K) Cp.m° (J/mol K)

CH3COOC2H5 (l)

Acetato de Etilo

88.10 -480.17 -332.70 259.4 113.64

NaOH Hidróxido de Sodio

40.00 -425. -379.49 64.46 59.54

CH3CH3OH Etanol 46.06 -277.00 -174.20 159.86 111.96

7

3.- mecanismo de reacción

La saponificación del acetato de etilo es una reacción de hidrólisis catalizada por base. Esta reacción general para ésteres, se refiere a la separación del mismo en un alcohol y el conjugado básico del éster en mención.

El mecanismo de la reacción de saponificación entre el acetato de etilo y el hidróxido de sodio, para producir acetato de sodio y etanol:

El ión hidróxido ataca al carbonilo del éster formando un intermedio tetraédrico. Cuando se regenera el grupo carbonilo se produce la eliminación del ión alcóxido y se forma un ácido carboxílico. Una rápida transferencia de protón forma el carboxilato y el alcohol. Este último paso desplaza los dos equilibrios anteriores del proceso de saponificación hacia su terminación, haciendo que el proceso sea irreversible. La reacción global resulta por tanto un proceso netamente mono-direccional, con una primera etapa lenta de equilibrio, y una cinética de primer orden respecto a cada uno de los reactivos o de segundo orden global.

Análisis y predicción de resultados

Propuesta del experimento a realizar

Metodología

MATERIALES SUSTANCIAS

1 matraz aforado de 250 ml Acetato de etilo

2 pipetas volumétricas de 10 ml Ácido clorhídrico concentrado

1 balanza analítica Hidróxido de sodio

1 termómetro -10 a 110 °C Agua destilada

1 espátula Fenolftaleína

1 cronómetro

3 vasos de precipitado de 250 ml

1 agitador de vidrio

5 matraces Erlenmeyer de 250 ml

1 soporte universal

1 pinza para bureta

2 probetas graduadas de 50 ml

1 perilla de succión

1 bureta de 25 ml

8

PROCEDIMIENTO

Prepare 250 ml de acetato de etilo 0.02 M, 250 ml de hidróxido de sodio 0.02 M y 250 ml de ácido clorhídrico 0.01 M. Etiquete los vasos de precipitado y almacene en uno de ellos la disolución preparada. Mezcle en un matraz Erlenmeyer de 250 ml, 50 ml de acetato de etilo y 50 ml de hidróxido de sodio.

Encienda el cronómetro, mida una alícuota de 10 ml de la mezcla y valore con disolución de ácido clorhídrico estandarizado, utilice como indicador la fenolftaleína. Muestree el sistema cada 10 minutos y titule con disolución de ácido clorhídrico, hasta agotar la mezcla reactiva. Construya tabla de resultados.

Deduzca la ecuación cinética con la ecuación 1

𝐶𝐴= 𝑘𝑡 +

1

𝐶𝐴0 .

Recomendaciones: mantenga constante la temperatura de reacción y que la misma persona valore las mezclas lo más rápido posible.

Resultados cuantitativos esperados

Primero se sacara una alícuota de 5ml con dos gotas de fenolftaleína cada una.

Lo que se valoró fue el NaOH con 0.02 M, el acetato de etilo con 0.02M y el HCl con 0.01M

Preparación del ácido clorhídrico al 67 % de pureza se sabe que esta sustancia tiene 12 mol y se prepara en 250 ml a 0.01

Entonces se utiliza esta fórmula:

𝑉1𝐶𝑚1 = 𝑉2𝐶𝑚2

Se despeja y queda:

𝑉2 =𝑉1𝐶𝑚1

𝐶𝑚2

Sustituyendo valores

𝑉2 =(250𝑚𝑙)(0.01𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟)

12 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟= 0.20 𝑚𝑙

Para la preparación de NaOH

De misma forma queremos preparar hidróxido de sodio en 250 ml a 0.02 molar

entonces sabemos que la fórmula de concentración molar es: 𝐶𝑚 = 𝑀

𝑉

9

Despejando la formula

𝑀 = (𝐶𝑚)(𝑉)

Sustituyendo los valores

𝑀 = (0.02𝑚𝑜𝑙

𝑙) (0.25 𝑙) = 5𝑥10−3𝑚𝑜𝑙

Convirtiendo los moles a gramos utilizando su peso molecular

𝑚 = (𝑃𝑚)(𝑚)

Sustituyendo los valores

𝑚 = (5𝑥10−3𝑚𝑜𝑙 ) (40𝑔𝑟

𝑚𝑜𝑙) = 0.02 𝑔𝑟

Preparación del acetato de etilo en una solución de 250 ml a 0.02 molar

𝐶𝑚 = 𝑀

𝑉

Despejando la formula

𝑀 = (𝐶𝑚)(𝑉)

Sustituyendo los valores

𝑀 = (0.02𝑚𝑜𝑙

𝑙) (0.25 𝑙) = 5𝑥10−3𝑚𝑜𝑙

Convirtiendo los moles a gramos utilizando su peso molecular

𝑚 = (𝑃𝑚)(𝑚)

Sustituyendo los valores

𝑚 = (5𝑥10−3𝑚𝑜𝑙 ) (88.11𝑔𝑟

𝑚𝑜𝑙) = 0.44 𝑔𝑟

Ahora para sacar su volumen utilizaremos su densidad sabemos que:

𝐷 = 𝑚

𝑉

10

Despejando la formula

𝑉 = 𝑚

𝐷

Sustituyendo la formula

𝑉 = 0.44𝑔𝑟

0.897𝑔𝑟/𝑚𝑙= 0.49 𝑚𝑙 = 0.5 𝑚𝑙

Cálculos de una reacción cinética con forme a la ecuación:

−𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑡= 𝑘𝐶𝐴

2

Primero graficamos estas supuestas concentraciones que queremos obtener

A través de la gráfica se saca la pendiente por:

12

12

xx

yy

=

100−50

35−10= 2

Lo cual la ecuación cinética es: −𝒅𝑪𝑨

𝒅𝒕=2 mol/l sCa2

Calculamos el tiempo de vida media sabemos que la fórmula es

𝟏

𝒌𝑪𝑨𝒐=

𝟏

𝟐(𝟎. 𝟎𝟐)= 𝟐𝟓 𝒔

El tiempo de la vida media es 25 s.

0

50

100

0 10 20 30 40

Series1

t (s) Ca(mol/l) 1/Ca

10 0.02 50

15 0.018 55.5555556

20 0.016 62.5

25 0.014 71.4285714

30 0.012 83.3333333

35 0.01 100

11

Conclusión

La saponificación de acetato de etilo se ajusta al modelo cinético de orden 2, lo cual verifica que se puede relacionar la conversión puntual de los reactivos por medio de la variación de las concentraciones. Conforme avanza la reacción la velocidad de la misma disminuye cuando se agotan los reactivos.

Bibliografía

G. Rayner-Canham “Química Inorgánica Descriptiva” 2° Edición, Editorial Prentice Hall, México, 2000, p.p. 558-559.

P. Atkins “Physical Chemistry” 6 th Edition, W. H. Freeman and Company, New York, 1998, p.p. 922-929.

FISICOQUÍMICA II PARA INGENIERÍA QUÍMICA: UN ESTUDIO DE REACCIONES QÚÍMICAS. AUTOR: M.E.Q. JUAN JOSÉ SOLÍS ZAVALA. ITTG.

Lab. De Fisicoquímica. Cinética de la Saponificación de un ester. Autor: Chen, William. Diaz, Jennifer. Caracas, Ven.