Instituto Tecnológico de Oaxaca“Tecnología propia e independencia económica”

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA

LABORATORIO INTEGRAL III

PRACTICA 4: ESTUDIO DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN POR CAMBIOS DE VOLUMEN

Nombre: RAMOS FERRER ALINA VIVIANA

Profesor: M.C Ángel Castañeda López

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICOInstituto Tecnológico de Oaxaca

ABRIL /2016

OBJETIVO: Determinar la constante especifica de velocidad de una reacción de primer orden con respecto al reactivo mediante un método dilatometrico.

INTRODUCCIÓN

Bajo condiciones apropiadas una sustancia puede transformarse en otras que constituyen diferentes especies químicas. Si ocurre solamente por reordenación o redistribución de los átomos para formar nuevas moléculas, decimos que se ha efectuado una reacción química; en química se estudian estas reacciones considerando su modo y mecanismo, los cambios físicos y energéticos que tienen lugar, y la velocidad con que se forman los productos. (Levenspiel,2005)

La cinética química trata principalmente del estudio de la velocidad, considerando todos los factores que influyen sobre ella y explicando la causa de la magnitud de esa velocidad de reacción. El ingeniero químico ha de conocer la cinética de la reacción para hacer un diseño satisfactorio del aparato en el que esta ha de efectuarse a escala técnica. Si la reacción es suficientemente rápida para que el sistema este prácticamente en equilibrio, el diseño es muy sencillo ya que no es necesaria la información cinética y resulta suficiente la información termodinámica. (Levenspiel, 2005)

Hay muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la ingeniería de las reacciones químicas probablemente el esquema más útil es el que resulta de acuerdo con el número y tipo de fases implicadas en dos grandes grupos: Sistemas homogéneos y heterogéneos. Una reacción es homogénea si se efectúa solamente en una fase y es heterogénea si, al menos, se requiere la presencia de dos fases para que transcurra a la velocidad que lo hace. (Levenspiel, 2005)

La velocidad de la reacción puede verse afectada por diversas variables. En los sistemas homogéneos las variables son la temperatura, la presión y la composición, mientras que en los sistemas heterogéneos, como está presente más de una fase, el problema será más complejo. En estos últimos sistemas puede ocurrir que los materiales pasen de una fase a otra durante la reacción, en cuyo caso será importante la velocidad de transporte de materia. (Levenspiel,2005)

La cinética química estudia la velocidad con que ocurren las reacciones químicas y su mecanismo de reacción. El tiempo de reacción es el tiempo en que tarda en efectuarse una reacción química y es inversamente proporcional a velocidad de reacción: a mayor tiempo de reacción menos velocidad y a menor

tiempo de reacción mayor velocidad. Hay diferentes formas de obtener los datos para calcular la velocidad de reacción, en esta práctica la calcularemos mediante un experimento de laboratorio en el que la temperatura será constante, y por medio de los cambios de volumen podremos calcular la velocidad de reacción.

MARCO TEORICO

Cinética Química. Es el estudio de las velocidades y mecanismos de las reacciones químicas.

Velocidad de reacción: Es una medida de la rapidez con la que se forman los productos o se consumen los reactivos.

Mecanismo de reacción: Es la secuencia detallada de los pasos simples, elementales, que van desde los reactivos a los productos.

Velocidad de reacción

Supongamos la reacción: 

La velocidad será: 

Constante de velocidad: Es una constante de proporcionalidad entre la velocidad de reacción y la concentración de los reactivos.

ECUACIÓN DE VELOCIDAD

Ecuación general de velocidad

Supongamos la reacción 

Orden parcial para el reactivo i = ni

Orden de la reacción (n) 

Unidades de k: 

Ecuación general de velocidad

Supongamos la reacción 

Orden parcial para el reactivo i = ni

Orden de la reacción (n) 

Unidades de k: 

MÉTODOS PARA DETERMINAR LA VELOCIDAD DE REACCIÓN.

Métodos Químicos: Análisis fuera del reactor

Métodos Físicos: Análisis dentro del reactor

A) Pérdidas de presión en reacciones gaseosas

Si la constante de velocidad viene expresada en unidades de presión:

Si la constante de velocidad viene expresada en unidades de concentración:

B) Métodos dilatométricos. Cambio en el Volumen

C) Métodos Ópticos Polarimetría. Cambio en la polaridadRefractometría. Cambio en el índice de refracción.Colorimetría. Cambio en el color.Espectrofotometría. Variaciones en el espectro de luz.

D) Métodos Eléctricos Conductimetría. Cambio en la conductividad.Potenciometría. Cambio en la potencia.Polarografía. Cambio en la polaridad.

A) Reacciones de primer orden. (n = 1) Supongamos la reacción  A —› productos

La variación de A con la temperatura es:

Si representamos el Ln[A] frente al tiempo obtenemos una línea recta

con ordenada = Ln[A]0 y con pendiente la constante de

velocidad.

DESCRIPCIÓN DEL DILATÓMETRO.

Este dilatómetro consta de un tubo o funda de cuarzo en cuyo interior se coloca una barra de la aleación problema en contacto con el par termoeléctrico de un pirómetro, para conocer en todo momento su temperatura. La barra está apoyada por un extremo en el fondo de la funda de cuarzo, y por otro, a través de una pequeña barra, también de cuarzo, en la pieza móvil de un comparador de esfera. Se aumenta la temperatura de la probeta introduciendo el tubo de cuarzo en un horno de temperatura regulable a voluntad, midiendo la dilatación de la probeta con las indicaciones del comparador.

El aparato más utilizado en el método dilatométrico es el dilatómetro diferencial de Chevenard.

Este aparato está basado en el registro de las diferencias de dilatación. Pero en nuestro caso vamos a utilizar por su sencillez y posibilidades didácticas el ya citado de indicador de cuadrante, cuyo esquema se refleja en la figura 3.

PROCEDIMIENTO

La dilatometria exige un control riguroso de temperatura sobre los reactivos y el dilatómetro durante todo el tiempo de la experimentación utilizando agua de la llave puede instalarse un baño de temperatura constante que proporcione condiciones aceptables para el desarrollo de la práctica.

1.- En un matraz Erlenmeyer se colocan 25 cm3 de solución de sacarosa 2M que se pondrán en el baño a temperatura constante.

2.- En otro matraz se pondrán 10 cm3 de HCl 3N y se colocara dentro del baño.

3.- El dilatómetro limpio y seco se instalará dentro del baño.

Alcanzando el equilibrio de temperatura de la sacarosa, del ácido y dilatómetro se iniciara la reacción adicionando el ácido a la sacarosa agitando vigorosamente una vez que se ponga el cronometro en marcha t=0, la mezcla reaccionante se vaciará rápidamente en el embudo ¨A¨ del dilatómetro cuya llave de paso ¨V¨ se tendrá cerrada.

Puesta de ¨h¨ en el dilatómetro

1.- Cerrar el embudo ¨A¨ con su tapón y abrir la llave de paso ¨V¨.

2.- Hacer un pequeño vacío mediante la manguera colocada al extremo del capilar hasta llenar el bulbo (B) y el capilar (C).

3.- Para eliminar las burbujas de aire que se contengan en el dilatrometro se recomienda regresar parcialmente la solución del bulbo (B) hasta el embudo (A)

abriendo la válvula de paso ¨V¨ y el tapón (t) lo que se lograra aplicando una pequeña presión en la manguera.

4.- Al eliminar el aire se coloca el tapón y e succiona lentamente con cuidado al subir la solución hasta el punto correspondiente a la marca superior de la escala graduada ¨E¨ anexa al capilar.

Esta operación es tomada de uno a dos minutos y es conveniente anotar las variaciones de volumen a partir de ese tiempo. Se encontrarán variaciones lineales durante el equipo de experimentación requerido (30-40 min) para llegar al estado de equilibrio ¨h∞¨. El tiempo anterior puede ser utilizado para encontrar por retroceso el valor real de ¨h0¨ correspondiente t=0.

Medidas de ¨h¨ correspondiente a t=t, la lectura de los niveles observables en el capilar se realizará a cada minuto tomando como punto de referencia el menisco inferior del líquido.

CALCULOS

1)Determinar el valor de K mediante el trazo de log( hoh )=f (t )Método grafico

        Dado el sistema:

        A  productos

        La ecuación de velocidad correspondiente a un sistema elemental de primer orden es:

; separando variables:

        los límites de integración para este caso son los siguientes:

        t= 0  [A]=[Ao]

        t= t  [A]=[A]

        por lo tanto podemos escribir:

, resolviendo la integral

, operando nos queda

, o bien en forma exponencial

        Por lo tanto obtenemos una exponencial decreciente para la evolución de la concentración con el tiempo del reactivo [A] cuando la cinética es de orden uno. En la Fig. 2.3 se representa gráficamente los resultados obtenidos.

Fig. 2.3       

        Un método equivalente de expresar la ecuación de velocidad es utilizar la notación de x, donde x es la concentración de reactivo que ha reaccionado en un tiempo t:

               A  productos

        i)      a          ----

        t)    a-x           x

        separando variables e integrando la ecuación nos queda:

        Operando la expresión nos queda:

; o expresada en logaritmos decimales:

; de aquí se deduce que:

Datos a temperatura constante 65°C

-k/ 2.303= m y = -0.0115x - 0.0983donde m es la

t (min) Diferencia dealturas h(mm) h0

hlog (

h0

h)

0 0 15 11 1.5 16.5 0.9

1-0.041392685

2 2.5 17.5 0.86

-0.06694679

3 3.5 18.5 0.81

-0.091080469

4 5 20 0.75

-0.124938737

5 6 21 0.71

-0.146128036

6 7 22 0.68

-0.166331422

7 7.5 22.5 0.67

-0.176091259

8 8.5 23.5 0.64

-0.194976603

9 9 24 0.63

-0.204119983

10 10 25 0.60

-0.22184875

11 11 26 0.58

-0.238882089

12 12 27 0.56

-0.255272505

13 13 28 0.54

-0.271066772

14 13 28 0.54

-0.271066772

15 14 29 0.52

-0.286306739

16 15 30 0.50

-0.301029996

17 16 31 0.48

-0.315270435

18 17 32 0.47

-0.329058719

19 18 33 0.45

-0.342422681

20 19 34 0.44

-0.355387658

22 21 36 0.42

-0.380211242

24 23 38 0.39

-0.403692338

26 24 39 0.38

-0.414973348

30 27.5 42.5 0.35

-0.452297671

32 29 44 0.34

-0.467361417

34 30 45 0.33

-0.477121255

36 32 47 0.32

-0.496006599

38 33 48 0.31

-0.505149978

40 34 49 0.31

-0.514104821

41 34.8 49 0.3 -0.514104821

pendientedespejando a Kk=0.02648 (1/min) unidades sobre minuto

2) Comparar el valor de K obtenido gráficamente con el calculado analíticamente

Se considera lo siguiente:

Reacción de primer orden Reactor intermitente con volumen variable Temperatura constante

C12011H 22+H20H→

+¿C606H12+C606H 12¿

En donde:

ε A=2−1

1=1

Si ∆h=49-15=34 y

k=−ln(1−

∆hεAh0 )

t=

−ln(1− 3449mL )

40min=0 .02959min−1

Fórmulas obtenidas de Levenspiel, 2004.

3) Determinar t 12

Para una reacción de primer orden se tiene que:

t 12

= ln 2k

(Lidiette, 1956)

Tomando las constantes de velocidad obtenidas analíticamente y gráficamente, obteniendo:

anal í ticamente−t 12

= ln 20.02959min−1 =23.42minutos

gr á ficamente−t 12

= ln 20.02648 1/min

=26.17minutos

4) Reportar

Co=1.25 M

t (min)

h (mm)

ho/h a (avance de la reacción)

C=Co-Coa C/Co log(c/co)

0 15 1 0 1.25 1 01 16.5 0.90909091 0.044117647 1.19485294 0.95588235 -0.019595562 17.5 0.85714286 0.073529412 1.15808824 0.92647059 -0.033168363 18.5 0.81081081 0.102941176 1.12132353 0.89705882 -0.047179084 20 0.75 0.147058824 1.06617647 0.85294118 -0.069080925 21 0.71428571 0.176470588 1.02941176 0.82352941 -0.084320896 22 0.68181818 0.205882353 0.99264706 0.79411765 -0.100115157 22.5 0.66666667 0.220588235 0.97426471 0.77941176 -0.108233048 23.5 0.63829787 0.25 0.9375 0.75 -0.124938749 24 0.625 0.264705882 0.91911765 0.73529412 -0.13353891

10 25 0.6 0.294117647 0.88235294 0.70588235 -0.1512676811 26 0.57692308 0.323529412 0.84558824 0.67647059 -0.1697510812 27 0.55555556 0.352941176 0.80882353 0.64705882 -0.1890562413 28 0.53571429 0.382352941 0.77205882 0.61764706 -0.2092596214 28 0.53571429 0.382352941 0.77205882 0.61764706 -0.2092596215 29 0.51724138 0.411764706 0.73529412 0.58823529 -0.2304489216 30 0.5 0.441176471 0.69852941 0.55882353 -0.2527253217 31 0.48387097 0.470588235 0.66176471 0.52941176 -0.2762064118 32 0.46875 0.5 0.625 0.5 -0.3010319 33 0.45454545 0.529411765 0.58823529 0.47058824 -0.3273589320 34 0.44117647 0.558823529 0.55147059 0.44117647 -0.3553876621 35 0.42857143 0.588235294 0.51470588 0.41176471 -0.3853508822 36 0.41666667 0.617647059 0.47794118 0.38235294 -0.4175355623 37 0.40540541 0.647058824 0.44117647 0.35294118 -0.4522976724 38 0.39473684 0.676470588 0.40441176 0.32352941 -0.4900862325 38.5 0.38961039 0.691176471 0.38602941 0.30882353 -0.5102896226 39 0.38461538 0.705882353 0.36764706 0.29411765 -0.5314789227 40 0.375 0.735294118 0.33088235 0.26470588 -0.5772364128 41 0.36585366 0.764705882 0.29411765 0.23529412 -0.6283889329 42 0.35714286 0.794117647 0.25735294 0.20588235 -0.6863808830 42.5 0.35294118 0.808823529 0.23897059 0.19117647 -0.7185655631 43 0.34883721 0.823529412 0.22058824 0.17647059 -0.7533276732 44 0.34090909 0.852941176 0.18382353 0.14705882 -0.8325089133 44.5 0.33707865 0.867647059 0.16544118 0.13235294 -0.878266434 45 0.33333333 0.882352941 0.14705882 0.11764706 -0.9294189335 46 0.32608696 0.911764706 0.11029412 0.08823529 -1.05435766

36 47 0.31914894 0.941176471 0.07352941 0.05882353 -1.2304489236.5 47 0.31914894 0.941176471 0.07352941 0.05882353 -1.23044892

37 47 0.31914894 0.941176471 0.07352941 0.05882353 -1.2304489238 48 0.3125 0.970588235 0.03676471 0.02941176 -1.5314789239 49 0.30612245 1 0 040 49 0.30612245 1 0 041 49 0.30612245 1 0 0

CONCLUSION

Se ve que la reacción es de primer orden y que el coeficiente de temperaturade la constante de velocidad es relativamente alto, mientras que el valormoderado de la energía de activación indica una elevada velocidad de hidrólisis

en presencia del catalizador acido. Leimu y Vuorinen observaron que lavelocidad de reacción variaba linealmente con la concentración del acido yaumenta con el peso molecular del grupo alkoxi. Consideraciones análogas sonaplicables a acetales mixtos.Obtuvimos una ecuación de primer orden donde observamos que la velocidad de reacción varía linealmente con la concentración de la solución y aumenta el volumen.

BIBLIOGRAFÍA Levenspiel, O., 2004. Ingeniería de las Reacciones Químicas. Octava ed.

México: Limusa Wiley. Lidiette, F. G., 1956. Cinética Química Aplica a los Fármacos. San José,

Costa Rica: Universidad de Costa Rica.

http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00216.htm http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/quimica-de-los-materiales/Material-de-

clase/tema-5.-cinetica-quimica-termodinamica-y-equilibrio-i/skinless_view