Reporte #16 Cqyc

UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE CINÉTICA QUÍMICA Y CATÁLISIS M.C. TERESA REYES REYES PRÁCTICA #7 “EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN ”

EQUIPO #2 MAGDALENA MARTÍNEZ AREVALO CARMEN IVETTE AMEZCUA TOVAR JOSÉ ALEJANDRO MORÁN BALDERAS ALEXIS PÉREZ GAZQUEZ GABRIELA MARTÍNEZ BAEZ

JOSÉ ALEJANDRO MORÁN BALDERAS MÓDULO: 3 SECCIÓN: 02

MATRICULA: 0935755G

OBJETIVO Emplear técnicas de microescala en el laboratorio para:



 Definir las características de un catalizador  Identificar el comportamiento de una reacción catalítica y una reacción autocatalítica. Determinar el orden de una reacción utilizando el método integral y diferencial.  Determinar la constante catalítica de velocidad de la ecuación.  Determinar la ecuación de velocidad de la reacción estudiada.

INTRODUCCION Las teorías catalíticas existentes postulan que el catalizador se combina con alguno de los reactantes para dar lugar a un compuesto intermedio, el cual a continuación reacciona para formar productos de la reacción principal, dejando en libertad el catalizador que puede reaccionar nuevamente. Se ha demostrado en forma concluyente que, en general, los catalizadores disminuyen la energía de activación de la reacción, aumentando, como consecuencia, la fracción de moléculas activas. Con fines de sistematización, las reacciones catalíticas se clasifican en homogéneas y heterogéneas según el estado de agregación en que se encuentren los reactantes y el catalizador. Puesto que los catalizadores intervienen químicamente, las velocidades de tales reacciones están determinadas por las mismas variables que las reacciones ordinarias, tales como la concentración y la naturaleza química del catalizador; sin embargo, la concentración influye solo dentro de ciertos límites. Para una reacción homogénea: A + B + catalizador → C + D + catalizador La ecuación de velocidad sería:

Siendo Ccat la concentración del catalizador, kc la constante catalítica o coeficiente catalítico y k” es la constante de velocidad de la reacción en presencia del catalizador. Pero puesto que la reacción no catalítica es generalmente muchísimo más lenta que el proceso catalítico. Esta expresión se puede reducir a:

Material 

4 matraces Erlenmeyer de 25 ml con tapón  10 tubos de ensaye de 20 ml  Gradilla  Termómetro  3 celdas para espectrofotómetro  2 cronómetros  2 vasos de precipitados de 100 ml  1 pipeta graduada de 10 ml  1 espectrofotómetro  1 piceta  1 propipeta REACTIVOS

 

Solución de almidón 0.02% como indicador  Solución HCl 1M y 6 M Solución de I2 0.01 M en solución 1 M de KI  Solución de acetona 4 M

TECNICA EXPERIMENTAL a) Seguimiento espectrofotométrico de una reacción catalítica Encender el espectrofotómetro y ajustarlo a la longitud de onda de 480 nm. Calibrarlo a 0 de absorbancia y 100% de transmitancia con agua destilada. Previamente se deberá haber preparado una curva de calibración de solución de yodo a esa longitud de onda, haciendo diluciones de la solución concentrada de yodo, para obtener por lo menos cinco puntos. (Por lo general es conveniente que la curva de calibración sea realizada por el instructor, para evitar errores y que todos los grupos experimentales utilicen la misma concentración inicial de yodo). Determinar la concentración inicial de solución de yodo, para lo cual se preparan 2 soluciones de la siguiente manera con un volumen total de 20 ml: 1) Se toman 4 ml de solución de yodo 0.01 M y el resto de agua. 2) Se toman 2 ml de solución de yodo y el resto de agua Mezclar bien ambas soluciones y medir su % de Transmitancia, dato con el cual posteriormente se calculará la concentración real inicial de yodo en el medio de reacción.

Para llevar a cabo cada una de las reacciones, colocar en un matraz Erlenmeyer de 50 ml con tapón de hule las cantidades de HCl, solución de yodo y agua señaladas en la tabla 141, añadiendo la cantidad de acetona hasta el final mezclando perfectamente la solución, tomando como tiempo cero el momento en que se añade la acetona. Dejar corriendo el cronómetro y llenar rápidamente la celda del espectrofotómetro y tomar inmediatamente la lectura de % de transmitancia en el espectrofotómetro, anotando el tiempo en el momento en que se hizo la lectura. Continuar tomando lecturas de % de transmitancia aproximadamente cada 30 segundos sobre todo mientras se observen grandes cambios, colocando la celda del espectrofotómetro en un baño de agua a temperatura constante mientras se lleve a cabo la reacción, entre una y otra lectura, hasta que el %T sea cercano a 100 o se, mantenga constante durante 3 min. (Aproximadamente de 10 a 25 minutos). Anotar la temperatura de reacción. Repetir el mismo procedimiento con las corridas que se indican en la siguiente tabla Experimento A B C D

HCI 6 M 1.5 ml 1.5 ml 1.5 ml 1.5 ml

Tabla 14-1 Sol. I2 0.01 M 4 ml 2 ml 2 ml 2 ml

H2O 10.5 ml 13.5 ml 12.5 ml 14.5 ml

Acetona 4 M 4 ml 4 ml 4 ml 2 ml

b) Determinación del orden de reacción por el método de los reactivos en exceso Preparar las mezclas que se indican en la tabla 14-2, colocando en 10 tubos de ensaye los volúmenes requeridos de todos los reactivos, incluyendo la cantidad de agua destilada necesaria para completar el volumen total de 10 ml en cada tubo. Asegurarse que el último reactivo que se añade sea la acetona. El cronómetro y alisto, se arranca justo en el momento en que se añade la mitad del volumen requerido de acetona, se mezcla perfectamente bien el contenido de cada tubo que debe estar tapado (pero la mezcla no debe tocar el tapón) y se coloca en un baño de agua a temperatura ambiente conocida, agitando esporádicamente hasta que cambie de color la mezcla (el vire es de verde a azul-incoloro). Exp. Num. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10*

Acetona 4 M 2 3 4 2 2 2 4 4 4 3

Tabla 14-2 HCl 2 2 2 4 3 2 2 2 --3

Almidón 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

So. I2 0.01 M 0.5 0.5 0.5 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.5 0.5

*(Reacción de verificación)

TRATAMIETO DE RESIDUOS Todas las soluciones generadas durante el procedimiento, se colocan en un recipiente reservado para ellos, y se reducen a sus derivados inocuos con solución de tiosulfato de sodio o unos cuantos gránulos del reactivo sólido.

CALCULOS, RESULTADOS Y CONCLUSIONES 1) Reportar todos los datos experimentales en forma tabular 2) A partir de la ecuación de la curva de calibración, establecer la concentración real inicial de I2 en el medio de reacción, así como la concentración de I2 en cada tiempo. 3) Con los datos obtenidos en el paso anterior, construir una gráfica de concentración de I2 contra tiempo para los experimentos efectuados en a). analizar y concluir sobre estas gráficas desde el punto de vista cualitativo, observando las condiciones o características de cada mezcla de reacción 4) Con la información experimental obtenida en b) y utilizando el método diferencial, obtener el orden de reacción para cada componente que interviene en la reacción, así como la constante catalítica de velocidad. Verificar con los datos de la reacción 10 si la ecuación propuesta es correcta. Anexar los cálculos necesarios para la obtención de los órdenes de reacción y plantear la ecuación de velocidad de la reacción. 5) Plantear las ecuaciones posibles que intervienen en la reacción global estudiada. Explicar el mecanismo involucrado y como se reflejaría en las ecuaciones de velocidad. Explicar cómo a partir de ciertas suposiciones sobre el mecanismo de reacción, es posible llegar a la ecuación de velocidad final obtenida. 6) Utilizando los datos y las curvas de las reacciones catalíticas de a), verificar el orden de reacción para el yodo y la acetona. Para ello, elaborar una tabla de concentración de HCl, acetona y yodo con respecto al tiempo de acuerdo a los datos experimentales y plantear la ecuación de velocidad integrada. Utilizar en este caso el método integral y verificar si el modelo de ecuación de velocidad de reacción obtenida en b) se cumple con los datos de a). análisis y conclusiones. 7) Determinar el tiempo de vida media para cada una de las curvas de concentración de yodo contra tiempo. Con estos datos y utilizando el método del tiempo de vida media, verificar si se cumple por este método el modelo propuesto para la reacción del yodo. Análisis y conclusiones.

8) Analizar los resultados y sacar conclusiones sobre las características y el mecanismo de la reacción, los valores de los órdenes de reacción, la constante catalítica y la ecuación de velocidad obtenida. 1. Experimentos realizados a la temperatura de 26.4 °C a) Experimento A tiempo (seg) %T 0 31.3 60.30 30.6 120.30 30.9 180.30 30.9 240.30 30.9 300.30 30.7 360.30 30.6 420.30 30.9 480.30 30.8 540.30 31.2 600.30 46.3 660.30 42.4 720.30 43 780.30 42.6

Experimento B tiempo (seg) %T 0 23.4 30 23.2 73 23.2 120 23.4 150 23.5 190 23.6 220 23.7 300 28.8 366 32.8 460 47.5 660.38 93.6 900 94.1 1200 94.1 1500 94.2

b) Expe. No. 1 2 3 4 5

t (seg) 18 13 13.64 33.19 8.51

Experimento C tiempo (seg) %T 0 64.8 120 83.9 180 85 240 85.4 300 84.9 360 110.1 420 115.3 480 114.9 540 115.7 600 114.9 900 114.1 1200 84.8

Experimento D tiempo (seg) %T 0 36.7 120 50.6 120.58 60.4 240.09 121 300.07 130.2 360.02 110.9 420.04 110.8 480.18 110.8 540.48 110.8 900.42 110.8 1500 110.8

6 7 8 9 10*

45.8 5.48 47.32 N.R. 120.06

2. A 480 mn Concentración de yodo (mol/L) 0.002 0.001 0.0004 0.0002 0.0001

%T 38 71.4 66 73.4 73.6

Curva de Calibración 80

y = -17288x + 77.273 R² = 0.8082

70 60

%T

50 40 30 20 10 0 0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

Dónde: X= concentración de yodo real ; Y= % T concentración (mol/L) Experimento A [I2] real t (seg) 0 0.002659 60.30 0.002700 120.30 0.002682 180.30 0.002682

Experimento B t (seg) [I2] real 0 0.003116 30 0.003128 73 0.003128 120 0.003116

Experimento C t (seg) [I2] real 0 0.000721 120 0.000383 180 0.000447 240 0.000470

Experimento D t (seg) [I2] real 0 0.002347 120 0.001543 120.58 0.000976 240.09 0.002529

0.002682 0.002694 0.002700 0.002682 0.002688 0.002665 0.001792 0.002017 0.001982 0.002006

150 190 220 300 366 460 660.38 900 1200 1500

300 360 420 480 540 600 900 1200

0.003110 0.003105 0.003099 0.002804 0.002572 0.001722 0.000944 0.000973 0.000973 0.000979

0.000441 0.001899 0.002200 0.002176 0.002223 0.002176 0.002130 0.000435

300.07 360.02 420.04 480.18 540.48 900.42 1500

0.003061 0.001945 0.001939 0.001939 0.001939 0.001939 0.001939

3. construir una grafica de concentración de I2 contra tiempo para los experimentos efectuados en (a). SUSTANCIA A

t (seg) 0 60.30 120.30 180.30 240.30 300.30 360.30 420.30 480.30 540.30 600.30 660.30 720.30 780.30

[I2] 0.002659 0.002700 0.002682 0.002682 0.002682 0.002694 0.002700 0.002682 0.002688 0.002665 0.001792 0.002017 0.001982 0.002006

[I2] real 0.0035

CONCENTRACIÓN

240.30 300.30 360.30 420.30 480.30 540.30 600.30 660.30 720.30 780.30

0.003 0.0025 y = -1E-06x + 0.0029 R² = 0.5755

0.002

[I2] real

0.0015

Lineal ([I2] real)

0.001 0.0005 0 0

200

[I2] real 0.003116 0.003128 0.003128 0.003116 0.00311

600

TIEMPO

SUSTANCIA B t (seg) 0 30 73 120 150

400

800

1000

t (seg) 0 120 180 240 300 360 420 480 540 600 900 1200

[I2] real 0.000721 0.000383 0.000447 0.00047 0.000441 0.001899 0.0022 0.002176 0.002223 0.002176 0.00213 0.000435

[I2] real 0.0035 CONCENTRACIÓN

0.003105 0.003099 0.002804 0.002572 0.001722 0.000944 0.000973 0.000973 0.000979

0.003 0.0025 0.002 [I2] real

0.0015

SUSTANCIA C

Lineal ([I2] real)

0.001

y = -2E-06x + 0.0032 R² = 0.8141

0.0005 0 0

[I2] real 1500

500

1000

2000

TIEMPO

0.0025

y = 8E-07x + 0.001 R² = 0.0922

0.002 Título del eje

190 220 300 366 460 660.38 900 1200 1500

0.0015 [I2] real

0.001

Lineal ([I2] real) 0.0005 0 0

500

1000

1500

Título del eje

SUSTANCIA D

[I2] real 0.002347 0.001543 0.000976 0.002529 0.003061

[I2] real 0.0035 CONCENTRACIÓN

t (seg) 0 120 120.58 240.09 300.07

0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0

y = -2E-08x + 0.002 R² = 0.0002 [I2] real Lineal ([I2] real)

360.02 420.04 480.18 540.48 900.42 1500

0.001945 0.001939 0.001939 0.001939 0.001939 0.001939

Mediante los gráficos podemos observar el comportamiento de cada una de las sustancias, en estos gráficos se tiene la concentración de la soluciones a diferentes tiempos y al momento de que ya no cambiaba en este caso la transmitancia medida en el espectro se dejó de medir y por lo tanto concluimos que la reacción había llegado a un punto de equilibrio donde la concentración se podía mantener constante.

Los gráficos salen algo raros ya que al momento de trabajar con el espectro pudimos haber tenido algún error ya que requeríamos estar trabajando las 4 soluciones a la par y era algo complicado solamente tener un espectro y medir rápidamente la transmitancia de cada solución, pudo que estos gráficos salgan así por error en la lectura.

5.- Plantear las reacciones posibles que intervienen en la reacción global estudiada. Explicar el mecanismo involucrado y como se reflejaría en las ecuaciones de velocidad. Explicar cómo a partir de ciertas suposiciones soñé el mecanismo de reacción es posible llegar a la ecuación de velocidad final obtenida. Las reacciones propuestas para el mecanismo de reacción son las siguientes:

Dentro del mecanismo propuesto se puede observar queque el yodo en medio acido reacciona para dar acido yodhídrico y el radical intermediario de yodo; posteriormente este radical reacciona con la acetona para dar el producto final y el ion hidrogeno que corresponde al medio acido como catalizador se regenera en esta última reacción.

A partir de los mecanismos propuestos se puede llegar a la ecuación de velocidad final obtenida anteriormente en el estudio cinético, esto solamente si el mecanismo es válido para la reacción. 6.- Se realizó un ajuste de los datos con mínimos cuadrados y se sacó el factor r y en base a estos datos se eligieron los dados del experimento D ya que eran los que más se ajustaban a un comportamiento lineal : EXPERIMENTO D t 0 120 120.85 240.09 300.07 360.02 420.04 480.18 540.48 900 1500

X 0 0.00017326 0.00019185 0.000208209 0.000232748 0.000272159 0.000310827 0.000359905 0.000411957 0.000473676 0.000562165

CB 0.001056737 0.000883477 0.000864887 0.000848528 0.000823989 0.000784578 0.00074591 0.000696832 0.00064478 0.000583061 0.000494572

CA 0.4 0.39982674 0.39980815 0.399791791 0.399767252 0.399727841 0.399689173 0.399640095 0.399588043 0.399526324 0.399437835

7.-De las gráficas obtenidas anteriormente se obtienen los tiempos de vida media para los diferentes experimentos: Experimento A Concentración 0.002 0.0019 0.0016 0.0012 0.0011

T1/2 810 690 505 360 380 Experimento B

Concentración 0.001

T1/2 185

C HCl 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45

0.0008 0.0007 0.0006 0.0004

185 155 140 85 Experimento C

Concentración 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002

T1/2 172 180 111 78 37 Experimento D

Concentración 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002

T1/2 300 270 2000 140 60

A partir de estos datos podemos calcular el orden de reacción global de acuerdo a la siguiente ecuación:

Comparando con la ecuación de la línea recta y= a + bx, y realizando la regresión lineal adecuada obtenemos: a b r N

A 6.7764 1.4437 0.9860958 0.5669

B 5.0052 0.8963 0.9621487 0.10777

C 5.3282 1.0139 0.9881943 0.0189

D 5.5599 1.0152 0.9940802 0.01149

CONCLUSIÓN Durante la realización de esta práctica logramos reforzar aún más el comportamiento de las reacciones catalíticas y auto catalíticas. Además de que se logró cumplir con el objetivo que la práctica nos marca y lograr observar como los catalizadores afectan en el comportamiento de nuestras reacciones pero que además, el hecho de que participen en la reacción no significa que este se consuma, si no que solamente apoya a reducir las energías de activación de cada etapa de la reacción. BIBLIOGRAFIA Manual de prácticas de laboratorio de Cinética Química y Catálisis. CUESTIONARIO 1. Qué es un catalizador y cuáles son sus principales características? ¿Cómo se ve modificado el diagrama de energía al utilizar un catalizador?

Un catalizador es aquello que permite desarrollar un proceso de transformación de tipo catalítico. La catálisis se deriva del griego y esto significa “cambios químicos que se pueden generar a cauda de sustancias que no sufren modificaciones durante el transcurso de alguna reacción”. No debe de reaccionar con los reactivos. Tiene una gran área superficial que permite tener miles de sitios activos. Reducir o agrandar la energía de activación según sea el caso de acelerar o retardar una reacción. Que se regenere así mismo.

2. ¿Qué sucede en una reacción de catálisis acido-base como la estudiada cuando no se le agrega el HCl? (Esta situación se presenta en el exp. No. 9 de la tabal 14-2 experimental) Debido a que no existe un catalizador de principio, cuando la reacción avanza y genera producto ácido, este comienza a actuar como catalizador de la propia reacción que lo antecede, por dicho motivo se dice que la reacción es autocatalítica porque va aumentando su velocidad de reacción mientras aumenta la concentración del producto

3. Explicar que es tiempo de vida media y como se determina a partir de los datos experimentales obtenidos en la parte, experimental El tiempo de vida media es el tiempo necesario para que una fracción definida de reactivos alcance la mitad de su valor inicial.

4. Si tenemos una reacción cuya ecuación de velocidad es r = k[A]a[B]b[C]c y conocemos la ecuación estequiométrica, los valores de r y las concentraciones de uno de los reactivos a diferentes tiempos, explicar que método matemático sería conveniente utilizar para determinar el orden de reacción de cada componente y la constante de velocidad de la ecuación. El método integral sería el más recomendado para utilizar, ya que las concentraciones de las demás sustancias se pueden expresar en términos de la concentración conocida, que junto con la ecuación estequiométrica establecida será posible encontrar el orden de reacción, esto es posible para cada componente de acuerdo al tipo de reacción sea, además de que ya conocido el orden al que responde la reacción es fácil calcular el valor de la constante de velocidad de reacción.