UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA: HIDRATACIÓN DE ANHIDRIDO ACÉTICO
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA 1 ALUMNO: VALENTE RAMÍREZ LUIS ÁNGEL PROFESOR: HÉCTOR GERARDO MÉNDEZ FREGOSO GRUPO 17
30 de
septiembre del 2016
PROBLEMA Se desea producir 4.5 gramos de ácido acético en solución acuosa en un reactor intermitente, ¿durante qué tiempo debe operar el reactor para cumplir este requerimiento? REACCIONES QUÍMICAS Reacción 1
+
2
Reacción 2
+
+
Reacción 3
H2O +
NaOH
+
INFORMACIÓN EXPERIMENTAL La ecuación de balance de materia que se aplica para el reactor es: Entrada + Generación= Salida + Consumo *De la masa de Anhídrido acético que se agregó al principio en el volumen de 755 mL obtendremos la concentración máxima.
Anhídrido 1 gmol ∗( ∗(0,99)=0.0544 M ( 5.8 g0.755 ) L 139,89 ) *Se crea una relación de mL y gramos de muestra, dividiendo los mL de NaOH entre los gramos de muestra.
r=
mLde NaOH 10,2mL de NaOH = =1.480 mL/ g g de la muestra del reactor 6,9 g muestra
*De la relación de mL/g multiplicando por la concentración de la NaOH y la densidad (1g/mL) se convirtió a molaridad de NaOH, conociendo la reacción sabemos que por estequiometria será la misma molaridad de ácido acético.
M AcAcético=r∗0.05 M NaOH
(
M AcAcético = 1.478
mL NaOH mol NaOH ∗0.05 1000 mL NaOH mLde solución g Muestra∗ g Muestra
(
)
)
M AcAcético =0.0739 M *Para calcular la M de anhídrido Acético sin reaccionar solo restamos de la M de ácido acético total (promedio de los vasos con agua) con la M de ácido acético a cierto tiempo.
M Anhídrido=M Ac. AcéticoTotal −M Ac . Acético a ciertat =0.1228 M −0.0739 M =0,0489
Tabla1. Registro de datos experimentales
Tiemp o
Masa muest ra
Volum volum en de en de titulan titulan te te
Ac. Acético
(min)
(gM)
(mL/g M)
(M)
0.5 1.0
6,9 9
gastad o (mL) 10,2 21
1,478 2,330
0,0739 0,1165
Anhídri Anhídr do ido Acético que sin reaccio reaccio na nar (M) (M) 0,0289
0,0430
X
55,61
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 5.0 7.0 10.0 12.0 13.0 15.0 18.0 20.0
6,3 7,6 10,4 6,2 6 6,2 6,1 5,2 7,2 5,6 5,4 4,9 4,9
9,8 18,4 17,8 15 10,9 12,3 15,1 12 18,3 13,5 13,2 12,5 12,5
1,560 2,420 1,710 2,420 1,820 1,980 2,480 2,310 2,540 2,410 2,690 2,550 2,550
0,0780 0,1210 0,0855 0,1210 0,0910 0,0990 0,1240 0,1155 0,1270 0,1205 0,1345 0,1275 0,1275
0,0248
0,0471
63,94
0,0173
0,0546
75,25
0,0118 0,0038
0,0601 0,0681
84,16 99,60
-0,0127
0,0846
93,61
0,0266 0,0311
0,0453 0,0408
63,01 56,75
0,0343
0,0376
52,30
M Ac. Acético Vs Tiempo 0.1500 f(x) = 0.09 exp( 0.03 x ) R² = 0.48
0.1000 Ac Acético (mol/L)
0.0500 0.0000
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Tiempo (min) M Ac. Acético Vs Tiempo Exponential (M Ac. Acético Vs Tiempo)
CUESTIONARIO 1. Para la muestra t = 3 min (para el matraz con agua), ¿cuántas moles de NaOH (0.05 N) se consumen? Para saber cuántas moles de NaOH se consumen partimos de:
OH −¿ 1000 mL de dis ¿ ¿ 1 eq OH −¿ 1mol de NaOH ¿ ¿ 15.0 mL ׿
0.05 eq
¿Con cuántas moles de ácido acético reaccionaron? Partimos de tener: −4
7.5 ×10 moles de NaOH consumidas Para esta reacción que se lleva en la titulación, observamos que la relación que existe entre el NaOH y el HAc es 1:1 y observamos que las moles que reaccionaron con el ácido acético son las mismas.
CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa+ H 2 O por lo tanto: molCH COOH =7.5 × 10−4 mol CH 3 COOH 3
2. Para la muestra t = 3.5 min (para el matraz con anilina), ¿cuántas moles de NaOH (0.05 N) se consumen? ¿Con cuántas moles de ácido acético reaccionaron?
OH −¿ 1000 mL de dis ¿ ¿ 1 eq OH −¿ 1mol de NaOH ¿ ¿ 10.9mL × ¿
0.05 eq
mol NaOH =5.45 ×10−4 moles de NaOH consumidas De igual manera para esta reacción que se lleva en la titulación, observamos que la relación que existe entre el NaOH y el HAc es 1:1. Observamos que las moles que reaccionaron con el ácido acético son las mismas.
CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa+ H 2 O por lo tanto: molCH COOH =5. 45× 10−4 mol CH 3 COOH 3
3. Explique la ventaja de relacionar el volumen gastado del titulante por el peso de la muestra (columnas 3 y 4 de la Tabla 1 de datos). (mL) titulante gastado / gM La ventaja que nos da, es que proporciona el número de moles de ácido acético que reaccionaron al neutralizarse por gramo de muestra de forma proporcional, de una forma práctica y fácil. Es decir conforme pasaba el tiempo de reacción, el volumen de titulante necesario para neutralizar las moles de ácido acético varia con cierta tendencia, por lo que la razón del volumen de titulante gastado y de la masa de la muestra (la cual sería casi la misma en todas las mediciones) nos mostraría la tendencia de la cantidad de moles de ácido acético formados en el reactor por cada gramo de muestra, lo cual era posible hacer, independientemente de que se sacaron varias muestra del reactor, porque este volumen extraído por cada muestra era insignificante con el volumen total, así que el volumen en el reactor se mantuvo constante y nuestra razón es válida. 4. ¿Cómo son los valores en el consumo de titulante en las muestras recibidas en matraces con agua, mL NaOH (0?05N) / gM? ¿Hay diferencia en estos valores o son constantes? ¿Qué concluye de esto? Se observa que, para valores en el consumo de titulante por gramo de muestra, en los matraces con agua, muestran una tendencia un poco creciente (Los valores no son constantes). Por lo que referimos que esta tendencia nos indica que el número de moles de ácido acético que reaccionaron con el NaOH por gramo de muestra, fue aumentando. Por ello, su incremento, fue proporcional al tiempo transcurrido, aunque no muy marcado. En cuanto al volumen de titulante gastado (sin tomar en cuenta la razón entre la masa de la muestra), la tendencia es casi constante, aunque esto no nos muestra nada, ya que se debe a que la masa de nuestras muestras también disminuyó un poco, entonces el volumen gastado por gramo de muestra aumento.
5. Compare los valores de la solución de mL NaOH (0.05 N) empleada para neutralizar las muestras recibidas en matraces con solución saturada de anilina, mL NaOH (0.05N) / gM. ¿Son valores constantes o hay diferencia entre ellos? ¿Cómo explica sus resultados? En este caso, los valores obtenidos van creciendo conforme aumenta el tiempo, los valores muestran una tendencia poco creciente, y para estos valores contamos con una cantidad mayor de datos. Esto nos aclara que el número de moles de ácido acético formados que se neutralizaron con el NaOH, fue aumentando, esto se comprobó en las últimas dos mediciones, ya que los valores prácticamente se mantuvieron constantes, donde el penúltimo dato se obtuvo
de una muestra con agua y el ultimo, claro, era una muestra con solución saturada de anilina. El incremento del volumen gastado de titulante fue directamente proporcional con respecto al tiempo transcurrido. En este caso los valores de volumen de titulante gastado (sin tomar en cuenta la razón entre la masa de la muestra) mostraron una tendencia también creciente. 6. Al consumirse la totalidad del anhídrido acético a las condiciones experimentales seleccionadas, ¿qué concentración de ácido acético se obtiene en la mezcla de reacción? Expresarla en mol/L. Si la densidad de la mezcla de reacción es aproximadamente de 1 g/cm3, expresar el resultado anterior en g/gM.
5.8 g de Anhidrido acético ×
0.750 L×
1 mol ( 134.8 )g ×( 11mLg )× ( 10001 LmL )=43.02 mol /L
( 43.021 Lmol )=32.27 mol de Anhidrido acético
Si la relación estequiométrica es 1:2
5.8 g de Anhidrido acético ×
¿
1 mol 1g 1000 mL 2 moles Ác . Acetico × × × ( 134.8 g ) ( 1 mL ) ( 1 L ) ( 1 mol Anhidrido acético )
( 86.05 mol1ÁcL . Acético )
Los moles que existen de ácido acético son: Por tanto la concentración es:
1L =114.73 mol /L ( 86.05 mol1ÁcL . Acético ) × ( 0.75 L) mol 1 mL g ( 114.73 ) × ( 1mol Ác60 gacetico ) ×( 10001 LmL )× ( 1 gMuestra )=6.88 g muestra 1L 7. Compare los resultados obtenidos en moles de ácido acético/L, obtenidos para muestras recibidas en matraces con agua y anilina, respectivamente; para tiempos consecutivos, por ejemplo, para los tiempos 3 y 3.5 minutos, ¿son iguales, hay diferencia entre ellos? Explique su respuesta. No son iguales, varían un poco, esto puede ser por la velocidad de reacción con anilina por lo que la reacción se da mucho más rápido.
8. Repita el procedimiento anterior para los valores encontrados al titular los demás matraces de anilina. Los moles de anilina son casi constantes en orden creciente a los tiempos, debido a la velocidad de la reacción que es muy rápida. 9. ¿Qué cantidad de anhídrido acético, mol/L deberá reaccionar para tener en la mezcla de reacción 4.5 gramos de ácido acético, a sus condiciones experimentales?
4.5 g HAc ×
1 mol A . Acético × =0.0375 mol Anhídrido acético ( 1 mol60 HAc g ) ( 2mol HAc )
acético ( 0.0375 mol Anhídrido )=0.05 mol / L 0.75 L
10. ¿En qué tiempo se producen estos 4.5 g de ácido acético?
C A =(e−kt )∙( C A ) 0
C A =¿ ¿t
Donde:
C A =0.000295 mol /L 0
C A =0.05 mol / L −K =¿ t=¿ El resultado es muy grande debido a que el tiempo en el que la reacción requiere tiempo para llevarse a cabo, así como también la cantidad requerida es bastante.
11. Proponga usted las reacciones que ocurren al titular las muestras recibidas en matraces con anilina y con agua. La reacción de titulación en ambos casos es la misma:
CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa+ H 2 O
La reacción que se presentaría es de neutralización. Conclusiones De acuerdo al experimento, se observa que en las muestras de agua, se efectúa, de manera más rápida la máxima conversión de anhídrido acético a ácido acético; Podemos observar que por esta razón, los moles por gramo de estas muestras, al paso del tiempo son muy semejantes. En esta práctica se aprendió y se tuvo la experiencia de producir en una escala pequeña ácido acético, de una manera fácil, con un reactor que tiene la característica de que al tiempo que se detiene la reacción se obtiene el producto a la concentración deseada, agua destilada y anhídrido acético. Se concluye que para analizar adecuadamente el proceso de la reacción, se debe considerar que no todas las muestras tienen la misma masa, por ello lo que se debe comparar, es la razón de moles de ácido acético por gramo de muestra. Con base a lo anterior, se puede ver que la tendencia en las muestras colocadas en anilina, es que conforme transcurre el tiempo, incrementan los moles de ácido acético, por ende, también los ml de titulante por gramo de muestra. Considerando el máximo rendimiento de ácido acético, se puede conocer el anhídrido que no ha reaccionado en los otros tiempos, simplemente realizando la diferencia del rendimiento máximo respecto a las otras cantidades de ácido acético que se obtienen en los demás tiempos. Ya que, en las muestras con agua, se efectúa, de manera más rápida la máxima conversión de anhídrido a ácido acético, podemos observar que, por esta razón, los moles por gramo de estas muestras, al paso del tiempo son muy semejantes.
Bibliografía 1.- Valiente, B.A. y Stivalet, C.R. Problemas de Balances de Materia, Alhambra Mexicana, México, 1986. 2.-David M. Himmelblau , Principios y cálculos básicos de la ingeniería química, Continental ,México, 1980 3.-Christie J. Geankoplis, Procesos de transporte y operaciones unitarias, segunda edición, editorial Continental, México, 1995.
