Universidad Autónoma de

TlaxcalaFacultad de Ciencias Básicas Ingeniería y Tecnología

Ingeniería química

Cinética Química

M.C. verónica

Presenta:

Gómez Pérez Alan Arodi

González González Carolina Julieta

Torres Sánchez Juan Carlos

5° SEMESTRE

DETERMINACION DEL ORDEN DE UNA REACCION

Apizaco Tlax., a de diciembre de 2012

Índice

I. INTRODUCCION

La Cinética Química estudia dos aspectos de una reacción química: la velocidad

de la reacción que mide la variación de la concentración de reactivos y productos

con el tiempo, y el mecanismo de la reacción para pasar de reactivos a productos.

En esta práctica   vamos a tratar el primer aspecto referido a la velocidad. La

velocidad de una reacción se expresa en términos de la concentración de uno de

los reactivos o productos que intervienen en la reacción. La velocidad se define

como la disminución de la concentración de un reactivo con el tiempo o el

aumento de la concentración de un producto con el tiempo y siempre se define

como una magnitud positiva y con unidades de concentración dividido por tiempo.

En particular, nos interesa conocer y controlar la influencia cinética de la

concentración para conocer en forma cuantitativa y de ecuaciones las leyes

cinéticas.

Los experimentos y las prácticas nos dice que hay reacciones más rápidas que

otras, debido a este fenómeno, debemos comprender los factores que controlan o

Por último se ha analizado la práctica de laboratorio por medio de cálculos

resultados y definiciones que nos pueden ayudar a comprender los factores que

afecten la velocidad de una reacción.

II. OBJETIVO GENERAL

Determinara el orden de reacción empleando los conocimientos aprendidos en distintos métodos para determinar el orden de reacción (α) y constante específica (К).

III. OBJETIVO ESPECIFICOS Observar mediante gráficos los datos de tiempo contra la concentración del

sistema determinando. Comprobación de la influencia de la concentración de los reactivos sobre la

velocidad de reacción, obtención experimental de la velocidad y de los órdenes parciales de cada reactivo en una reacción química. 

IV. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA

Determinar la concentración de las especies a lo largo del tiempo utilizaremos un método Volumétrico.

V. FUNDAMENTO TEÓRICO

i. Cinética Química

La cinética química es la parte de la fisicoquímica que estudia las velocidades de reacción. El concepto de cinética química se aplica en muchas disciplinas, tales como la ingeniería química, enzimología e ingeniería ambiental.

ii. Velocidad de reacción

La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo.La velocidad de reacción no es constante. Al principio, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se den choques entre las moléculas de reactivo, y la velocidad es mayor. A medida que la reacción avanza, al ir disminuyendo la concentración de los reactivos, disminuye la probabilidad de choques y con ella la velocidad de la reacción. La medida de la velocidad de reacción implica la medida de la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo, esto es, para medir la velocidad de una reacción necesitamos medir, bien la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, bien la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo. La velocidad de reacción se mide en unidades de concentración/tiempo, esto es, en moles/s.

iii. Factores que afectan a la velocidad de reacción

Las velocidades de reacción se ven alteradas también por otros factores. Si se calientan las sustancias reaccionantes (reactivos), normalmente aumenta la velocidad de reacción; si se enfrían, la reacción se ralentiza. Para reaccionar, las partículas de las sustancias deben chocar entre sí. El calor les proporciona más energía para moverse y, por tanto, aumenta la probabilidad de colisión. Además, cuando las partículas chocan, la probabilidad de que reaccionen aumenta cuanto más rápidamente se muevan.Bajo un conjunto dado de condiciones, cada reacción tiene su propia velocidad característica, que está determinada por la naturaleza química de los reactivos. Entonces, un aspecto clave de los diversos comportamientos químicos de los elementos es la variación de las velocidades en sus reacciones con otras sustancias. Podemos controlar 4 factores que afectan la velocidad de una reacción dada: La concentración de los reactivos, El estado físico de los reactivos, La temperatura a la cuál ocurre la reacción y el uso de un catalizador. Aquí consideramos los primeros 3 factores.

Concentración: Las moléculas deben colisionar para reaccionar. Un factor de mayor influencia en la velocidad de una reacción dada es la concentración de los reactivos. El aumento en la concentración supone un incremento del nº de choque y, por tanto, un aumento de los choques efectivos, es decir, a mayor concentración de los reactivos, mayor velocidad de reacción.

Velocidad " frecuencia de colisión " concentración

Estado físico: Las moléculas deben mezclarse para colisionar. La frecuencia de las colisiones entre las moléculas también depende del estado físico de los reactivos. Cuando los reactivos están en la misma fase, como en una solución acuosa, el movimiento térmico los pone en contacto. Cuando están en diferentes fases, el contacto solo puede ocurrir en la interfase, y entonces puede ser necesaria la agitación vigorosa y molida. En estos casos el grado en el cuál la materia de reactivo se divide afecta significativamente la velocidad: mientras más finamente se divida el reactivo sólido o líquido, mayor es el área superficial por unidad de volumen, hay un mayor contacto con el otro reactivo y, la reacción es más rápida.

Temperatura: La velocidad de cualquier reacción aumenta con la temperatura. Por una parte el aumento de temperatura supone aumentar la velocidad de las moléculas, y por tanto el nº y eficacia de los choques. Por otra, el aumento de temperatura provoca un aumento de la energía de las moléculas, es decir, el nº de moléculas activadas.

Velocidad " energía de colisión " temperatura

Presencia de catalizadores: un Catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción sin entrar a formar parte de ella. Este fenómeno se denomina “catálisis”.Desde el punto de vista energético la acción de los catalizadores es modificar la energía de activación de una reacción. Un catalizador modifica la velocidad de reacción, pero no es capaz de provocar una reacción que por sí sola no llegara a producirse.Los catalizadores son sustancias que modifican la rapidez de una reacción sin sufrir cambio aparente en su composición o en su peso. El efecto de la concentración de los reaccionantes a temperatura constantes en la rapidez de reacción, se expresa por la ley de acción de masas.

iv. Tiempo de reacción Se denomina al tiempo que tardan los reactivos en transformarse en productos.

v. Teoría de colisiones

La teoría de las colisiones está íntimamente relacionada a la cinética química.Los átomos de las moléculas de los reactivos están siempre en movimiento, generando muchas colisiones (choques). Parte de estas colisiones aumentan la velocidad de reacción química. Cuantos más choques con energía y geometría adecuada exista, mayor la velocidad de la reacción.

Hay dos tipos de colisiones:

Horizontal – Colisión más lenta Vertical – Colisión más rápida, colisión efectiva

vi. Orden de una reacción El orden de reacción está definido como la suma de los exponentes de las concentraciones en la ley de la rapidez de la reacción. Este es también llamado orden total de reacción, pues el orden depende del reactivo que se analice. Es decir el orden de reacción con respecto a cierto reactivo, es definido como la potencia (exponencial) a la cual su término de concentración en la ecuación de tasa es elevado.Por ejemplo, dada una reacción química 2A + B — > C con una ecuación de tasa

r = k [A]2 [B]1

El orden de reacción con respecto a A sería 2 y con respecto a B  sería 1, el orden de reacción total sería 2 + 1 = 3. No es necesario que el orden de una reacción sea un número entero; cero y valores fraccionarios de orden son posibles, pero ellos tienden a ser enteros. Ordenes de reacción pueden ser determinados solamente por experimentos.

vii. Constante de velocidad de reacción

A la constante se le designa la letra K, y se la conoce como constante de velocidad. Esta suele ser la velocidad de la reacción cuando las concentraciones de los reactivos en su totalidad son la unidad, es decir, 1 mol/l.La K, es específica para cada reacción, y es dependiente de la temperatura. Las unidades en las que se expresa K, están determinadas por el orden de la reacción en total, y se deben adaptar a las condiciones en las que la velocidad se exprese.Para la determinación de la ecuación de velocidad en una reacción química, se debe investigar la dependencia que tiene la velocidad con respecto a la concentración de los reactivos que participan en la reacción, por lo que es necesario saber los órdenes parciales, y el valor de la constante de velocidad.Cabe mencionar el químico sueco Arrhenius, quien propuso por primera vez la dependencia de la temperatura en relación con la constante específica de velocidad, por ello mencionaos de manera breve su relación matemática expresada mediante la siguiente ecuación:

K A (T )=Ae−E /RT

Donde:

A= factor de frecuencia

E= energía de activación R= constante de los gases ideales T= temperatura absoluta

El tiosulfato de sodioEl tiosulfato de sodio es la solución estándar que se utiliza en la

mayoría de los procesos yodométricos. Por lo general, esta sal se compra como pentahidrato, Na2S2O3.5H2O. Las soluciones no se deben estandarizar pesando directamente, deben estandarizarse con un estándar primario.

El tiosulfato de sodio se obtiene calentando a reflujo una disolución de sulfito de sodio (Na2SO3) con azufre elemental. La disolución es filtrada, concentrada y enfriada, obteniendo el tiosulfato de sodio pentahidratado (Na2S2O3 * 5 H2O) en forma de prismas incoloros. Mecanísticamente se trata de un ataque nucleofílico del par de electrones libre del azufre del sulfito sobre un átomo del azufre elemental parecido a la formación de los polisulfuros y disulfuros a partir de sulfuros.

El tiosulfato se descompone en soluciones ácidas, formando azufre como un precipitado lechoso:

S2O32- + 2 H+ → H2SO3 + S (s)

De cualquier modo la reacción es lenta y no sucede cuando el tiosulfato se titula en soluciones ácidas de yodo con agitación. La reacción entre el yodo y el tiosulfato es más rápida que la reacción de descomposición.

El yodo oxida al tiosulfato al ion tetrationato:

I2 + 2 S2O32- → 2 I- + S4O6

2-

La reacción es rápida y cuantitativa, y no hay reacciones colaterales. El peso equivalente del Na2S2O3.5H2O es igual a su peso molecular, 248,17, ya que se pierde un electrón por molécula. Si el pH de la solución está arriba de 9, el tiosulfato se oxida parcialmente a sulfato:

4 I2 + S2O32- + 5 H2O → 8 I- + 2 SO4

2- + 10 H+

En solución neutra o ligeramente alcalina no ocurre la oxidación del tiosulfato a sulfato, especialmente cuando se emplea yodo como titulante.

VI. PARTE EXPERIMENTAL

I. Propiedades de los reactivos

Reactivo Propiedades físicas y químicas Datos de seguridad

Tiosoulfato de

sodio

(Na2S2O3.5H2O)

Solución estándar que se utiliza en la mayoría de los procesos yodo métricos.Aspecto: SólidoColor: de color blancoOlor: Inodoro.Masa molar:158 g/molpH: 6,0 - 8,5Densidad relativa: 1,69Solubilidad: 680 g/l agua 20 °C

No se conocen datos concretos de esta sustancia sobre efectos por sobredosis en el hombre. No son de esperar características peligrosas. Observar las precauciones habituales en el manejo de productos químicos.

Persulfato de

potasio

(KS 2O8)

La disolución en agua es moderadamente ácida. Apariencia cristales blancosDensidad 2447 kg/m3

punto de ebullición 372,15 ºKmasa molar 270,24 g/molsolubilidad en agua 1,75g/100ml (0ºC)

El calentamiento intenso puede originar combustión violenta o explosión. El contacto prolongado o repetido con la piel puede producir dermatitis

Yoduro de

potasio

(KI)

Fórmula: KIMasa molar: 166,0028 g/molPunto de fusión: 681 °CDensidad: 3,12 g/cm³Punto de ebullición: 1.330 °CSoluble en:  agua

Es un irritante leve, debe ser manipulado con guantes. Una sobreexposición crónica puede ser perjudicial para la glándula tiroides.

Almidón El Almidón es de uso frecuente en química como indicador para titulaciones redox es porque el almidón forma -

azul - un negro muy oscuro complejo con yodo.

II. EXPERIMENTACION

Solución 1 Solución 2 Solución 3

(yoduro de potasio)

(Persulfato de potasio) (Tiosulfato de sodio 0.01 N)

Se Peso 6.6 g de KI y se disolvió con agua destilada en un matraz aforado de 100 ml.

En 50 ml de agua destilada se añadió K2S2O8 hasta que la disolución quedo saturada, y se tomo 20 ml en un matraz aforado de 100 ml

Se Peso 2.482 g de Na2S2O3, y se disolvió con agua destilada en un matraz aforado de 100 ml.

Después se preparo la disolución 1N con 50 ml en un matraz aforado de 500 ml, añadiendo agua destilada.

1. Tomar dos matraz de Erlenmeyer de 250 ml y numerarlos. En cada uno

mezclar 50 ml de la Importante, se vierte la

disolución de yoduro de potasio sobre la de

persulfato de potasio (nunca a la inversa, dado

que la que está en exceso es la de yoduro).

Tapar cada Erlenmeyer con un tapón y agitar.

Es muy elemental anotar la hora y minuto en

que se hace la mezcla, ya que este dará el tiempo cero.

2. El matraz 1 se deja en reposo hasta el final de la práctica, momento en que se

hará la valoración de esta muestra, que llamaremos Muestra de Reacción

Completa (MRC).

3. Mientras tanto en el matraz 2 (M) a intervalos de tiempo

determinados, tomando como referencia el tiempo en que

se hizo la mezcla. Tomar muestras de 10 ml, y diluir cada

muestra en un matraz de Erlenmeyer de 250 ml el cual

debe contener 150 ml de agua destilada (con objeto de

detener en lo posible la reacción), después añadir unas 6

gotas de la solución de almidón, el cual servirá como

indicador en la valoración (añadir durante el transcurso de

la valoración cuando la disolución

presente una tonalidad amarillo pálido, la

cual pasará a un tono azul

característico), y enseguida agregar unas 6 gotas de la solución de ácido

clorhídrico 0.1 N (con objeto de que la reacción se verifique en medio ácido).

4. Las muestras anteriores se tomarán a los 3, 15, 20, 30,40, 50y 60 minutos de

haber comenzado la reacción. Inmediatamente después de diluir la muestra,

procédase a su valoración con la solución de tiosulfato de sodio 0.01 N, para

determinar el yodo libre.

5. El fin de la valoración se alcanza cuando se obtiene la total decoloración de la

solución que se está valorando.

6. Después de haber realizado los las valoraciones para las muestras del matraz

2 (M) y habiendo transcurrido aproximadamente 2 horas desde que se hizo la

mezcla del matraz 1 el cual contiene la Muestra de Reacción Completa (MRC),

se toman 10 ml de esta mezcla y se procede a su valoración. Esta se hará de la

misma forma que las anteriores.

III. CALCULOS

Se procedió a calcular los gramos de Yodo en cada muestra con el volumen respectivo de Tiosulfato de sodio gastado en cada titulación, después se calculó el número de moles de yodo presentes y finalmente estos se dividieron entre el volumen total de la muestra para así obtener la concentración de Yodo en cada muestra.

TIEMPO VOLUMEN DE

Na2S2O3.5H2O (LITROS)

PESO DEL YODO

W I=V Na2S2O3∗N∗Peq

No. Moles de yodo

n=w I

PM

CONCENTRACION

C A=n

V muestra

3 0.0049 0.00621 0.0000245 0.000245

15 0.0102 0.01294 0.000051 0.00051

20 0.0164 0.02081 0.000082 0.00082

30 0.0212 0.02690 0.000106 0.00106

40 0.0254 0.03223 0.000127 0.00127

50 0.0273 0.03464 0.000136 0.00136

60 0.0295 0.03743 0.0001475 0.001475

Métodos numéricos para determinar constantes cinéticas y órdenes de

reacción a partir de datos experimentales

a) Método diferencial

La principal limitación de este método radica en que la diferenciación numérica es por

naturaleza incierta e inexacta. Es conveniente que todos los datos se obtengan en un

reactor diferencial, ya que este es lo suficientemente pequeño de manera que el cambio

entre la entrada y la salida de la concentración de algún producto o reactivo es medible

con cierta precisión, aunque pude considerarse constante para fines prácticos. En caso de

tratarse de un reactor por lotes, entonces es mejor evaluar las composiciones para

diferencias pequeñas de tiempo, lo mas pequeñas que permitan precisión del método de

análisis y error experimental. No es una buena opción utilizar el método diferencial si se

tienen datos de tiempo relativamente grandes.

TIEMPO CONCENTRACION Δt ΔC A

ΔC A

Δt

0 0 0 0 0

3 0.000245 3 0.000245 8.167E-05

15 0.00051 12 0.000605 5.042E-05

20 0.00082 5 0.00018 0.000036

30 0.00106 10 0.00022 0.000022

40 0.00127 10 0.00015 0.000015

50 0.00136 10 0.00014 0.000014

60 0.001475 10 0.00013 0.000013

Considerando la siguiente expresión, donde suponemos que la reacción es de

primer orden tenemos:

-ra=k1CaαCbβ

-ra = k Caα=dCadt

Graficamos:

ΔC A

Δtvs tiempo

GRAFICA

Calculamos las áreas iguales de cada uno teniendo así la siguiente tabla.

Aplicando ln (dCadt )= ln k´+ α ln Ca

dC A

dtln ( dC A

dt ) lnC A

0.000015 -11.1074604 0

0.000088 -9.33817374 -8.11172808

0.0000475 -9.95478085 -7.4185809

0.000038 -10.1779244 -7.04128667

0.0000285 -10.4656065 -6.87819648

0.0000215 -10.7474576 -6.67664356

0.000019 -10.8710716 -6.60027058

0.000011 -11.4176153 -6.48576087

GRAFICA

Para el método diferencial los resultados fueron para el valor de α = 0.5 y K = 0.00076

b) METODO INTEGRAL

El método integral es el más confiable para estimar constantes cinéticas y ordenes

de reacción a partir de datos experimentales. Sin embargo este método puede

resultar muy difícil de aplicar en muchos casos. El método básicamente consiste

en “integrar” la expresión de velocidad para obtener una o varias ecuaciones para

estimar los perfiles de concentraciones.

-rA=K CAα CB

β

Suponiendo β= 1

-rA=K CA α CB

CB=CB0

-rA= K CB0 CA α

K’

-rA= K’ CAα

Suponiendo α=-1

-rA= K’ CA-1

-dC A

dt=¿ K’ CA

-1

-dC A

dC A

=¿ K’ dt

-∫C A0

CA

C AdC A=¿¿ K’∫¿

T

dt

Integrando tenemos:

-CA2

2 + CA 0

2

2= K` t

-CA2

2= K` t+CA 0

2

2

Con esta ecuación para una línea recta y=mx+b

DATOS

Tiempo CA2

2

3 3.001x10-8

15 1,300x10-7

20 3.36x10-7

30 5.618x10-7

40 8.064x10-7

50 9,3161x10-7

60 1.0878x10-6

Al suponer

un α=2

tenemos:

Tiempo1CA

Grafica

-ra=k’C A2

-dC A

dt=¿ K’

CA2

integrada nos quedo:

-1CA

= K` t+1

CA 0

3152030405060

4081.63265

1960.78431

1219.5122

943.396226

787.401575

732.600733

677.966102

Al suponer un

α= -0.5

tenemos:

TiempoCA1.5

1.5Grafica

-ra=k’C A−0.5

-dC A

dt=¿ K’ CA

-

0.5

integrada nos quedo:

CA1 .5

1.5= K` t+CA 0

1 .5

1.5

3152030405060

2,55657E-067,67828E-061,56542E-052,30074E-053,01727E-053,36208E-053,77656E-05

Al suponer un

α= 0.5

tenemos:

Tiempo CA0.5

0.5Grafica

-ra=k’C A0.5

-dC A

dt=¿ K’ CA

0.5

integrada nos quedo:

CA0 . 5

0 .5= K` t+CA 0

0 . 5

0 .5

3152030405060

0,031304950,045166360,057271280,065115280,071274120,073891810,07681146

Siendo esta la que más se ajusta los datos de concluye que en el método integral el valor de α = 0.5 y K = 0.0008

VII. CONCLUSION

Al realizar los diferentes cálculos nos damos cuenta en este caso se logro el

objetivo que fue obtener los valores de los parámetros cinéticos α=0.5 y

K=0.0076.

Se debe de tener conocimiento de que es lo que se quiere estudiar para que

se logre lo que se quiere saber, es importante tener en cuenta los factores

que pueden afectar a la reacción, tales como la temperatura, la presión y el

tiempo de la reacción.

VIII. BIBLIOGRAFIA

• FOGLER. H. SCOTT. ELEMENTOS DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS.

• J. M. SMITH. INGENIERÍA DE LA CINÉTICA QUÍMICA. MC GRAW HILL.