INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
LABORATORIO DE CINETICA Y REACTORES HOMOGENEOS Titular: EDGAR IVAN HERNANDEZ CARVAJAL
PRÁCTICA NO. 3
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCION DEL AGUA OXIGENADA
Alumnos: Contreras Peña Diego
Grupo: 3IV Horario: 6:00 – 6:00 – 8:00 8:00 hrs Turno VESPERTINO Ciclo Escolar: Agosto- Diciembre 2015 (15/2)
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Objetivos
Aplicar el método matemático integral o diferencial para el tratamiento de datos experimentales en la determinación de la constante de velocidad y el orden de reacción. Determinar los valores de la energía de activación y el factor de frecuencia, aplicando la ecuación de Arrehenius.
INTRODUCCIÓN Un aumento de temperatura aumenta la velocidad de la reacción, con independencia de que ésta sea exotérmica o endotérmica. La explicación está en el hecho de que, al aumentar la temperatura, aumenta el número de moléculas con una energía igual o mayor que la energía de activación, con lo que aumenta el número de choques efectivos. La velocidad de la reacción se duplica por cada 10ºC de aumento de temperatura. Un ejemplo claro lo tenemos en las reacciones de degradación de los alimentos; para que el proceso sea más lento guardamos los alimentos a baja temperatura. La dependencia de la velocidad de una reacción homogénea con la temperatura, se describe con mayor exactitud por la ecuación de arrhenuis.
Energía de Activación El acontecimiento de una reacción química está obligatoriamente relacionado con el contacto entre moléculas reactivas y a una energía mínima necesaria. Esta energía mínima para el acontecimiento de la reacción es llamada como energía de activación. La formación de los productos a partir de los reactivos es un proceso gradual en que los enlaces de los reactivos son rotos en paralelo con la formación de los enlaces de los productos. Este estado intermedio en que algunos enlaces están semi-rotos y otros semi- formados es conocido como “complejo activado”. Otra exigencia para la formación del complejo activado es que las moléculas reactivan colisiones con orientación favorable a la formación del mismo Colisiones con energía y orientaciones adecuadas a la formación del complejo activado, son llamadas como colisiones efectivas. Estos son los principios básicos de la Teoría de Colisión. Complejo activado es una estructura intermedia entre los reactivos y los productos, con enlaces intermediarios entre los dos reactivos y los dos productos.
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La energía de activación de la reacción corresponde a la energía necesaria para que la reacción se efectúe con menos energía de los reactivos. Cuanto más baja fuese la energía de activación de una reacción, más elevada será la velocidad de la misma. Una reacción se llama exotérmica cuando provee para el medio una energía más alta que la necesaria para alcanzar el complejo activado. Cuando una reacción es endotérmica, ella provee para el medio una energía más baja que la necesaria para alcanzar el complejo activado.
Diagrama de energía para reacciones con energía de activación Reacción exotérmica con energía de activación: ∆ E < 0
La energía liberada corresponde a la diferencia de energía entre los productos y los reactantes. Como la energía de los productos es menor a la energía de los reactantes, se libera energía en el proceso
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Ecuación de Arrhenius. Arrhenius habla sobre a dependencia de la temperatura con la constante de velocidad mediante una forma exponencial simple:
=− Dónde: E= Energía de activación. A= Factor de frecuencia (mismas unidades de k) T= Temperatura R= Constante de los gases ideales
Catalizadores Son sustancias que disminuyen la energía de activación para una dada reacción, sin alterar el ΔH de la misma. Los catalizadores no se alteran durante las reacciones. En la autocatálisis, uno de los productos de la reacción actúa como catalizador, al inicio de la reacción es lenta con la formación de este la velocidad va aumentando gradualmente. En la catálisis homogénea, catalizador y reactivos se encuentran en la misma fase. En la catálisis heterogénea, catalizador y reactivos se encuentran en fases diferentes. Las enzimas son catalizadores que actúan en reacciones biológicas y generalmente son bastante específicas y presentan temperatura óptima de actuación en el entorno de los 37º.
Métodos de cálculo para E y A Método grafico Se linealiza la ecuación de Arrhenius, aplicando logaritmos, para comparar con la ecuación de la recta como sigue:
= − − = =+ LnB ) = + − = 1 4|Página
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=
En donde se efectua la regresión lineal para obtener m y b y por analogía se calcula con las siguientes expresiones E y A
= …. .3.4
= ……3.5
Método analítico De la ecuación de Van`t Hoff (Permite calcular la variación de la energía estándar de una reacción)
Sabemos que:
= ………1 =12……..2
Y
=
Sustituyendo 2 y 3 en 1
1 12 2 = Aplicando propiedades de los logaritmos (Ln A/B = LnA – LnB) y separando
1 2 = 1 2 5|Página
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Si la ecuación 4 se separa para las ecuaciones directas e inversa se tiene Para la reacción directa:
1 = 1 Para la reacción inversa
2 = 2 En general
= 2 Integrando entre límites a la ecuación y despejando E
∫ = ∫
2 1 ) 2 = (21 1 Con las expresión anterior calcular E y sustituir este valor en la ecuación original de Arrehenius (3.1) para despajar a A.
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Temperatura ambiente Tiempo(s)
T=22°C C H2O2 =Ca
0
Volumen de Na2S2O3 0.1
12.26
0.2
0.4
15.84
0.3
0.39
24.9
0.4
0.38
34.59
0.5
0.37
39.27
0.6
0.355
47.01
0.7
0.345
56.51
0.8
0.335
64.8
0.9
0.325
69.6
1
0.315
0.41
Desarrollo:
Método utilizado para calcular el modelo cinético método diferencial t (s)
0 12,6 15,84 24,9 34,59 39,27 47,01 56,51 64,8 69,6
V Na2S2O3 (ml)
C H2O2 (mol/L)
dCa
dt
Ca prom x=ln (Caprom)
-
-
y=ln (dca/dt)
0
0,41
-
-
-
0,1
0,4
0,01
12,6
0,405
-0,903868
-7
0,2
0,39
0,01
3,58
0,395
-0,928869
-6
0,3
0,38
0,01
9,06
0,385
-0,954511
-7
0,4
0,37
0,01
9,69
0,375
-0,980829
-7
0,5
0,36
0,01
4,68
0,365
-1
-6
0,6
0,35
0,01
7,74
0,355
-1,03563
-7
0,7
0,34
0,01
9,5
0,345
-1,06421
-7
0,8
0,33
0,01
8,29
0,335
-1,093624
-7
0,9
0,32
0,01
4,8
0,325
-1,12393
-6
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T ambiente ln (Caprom)
-8 -7 -7 -7
) t d / a C d ( n l
-7
Series1
-7
Linear (Series1)
-6
y = 0,8341x - 7,4236
-6 -6 -1.15
-1.1
-1.05
-1
-0.95
-6-0.85 -6
-0.9
Si m = n (orden) entones n = 0.8341
= = −. =0.0006 Quedando la ecuación del modelo cinético:
= 0.0006 . t (s) 0 66,9 133,8 200,4 258 317,4 385,2 438,6 497,4 604,8 689
V Na2S2O3 (ml)
C H2O2 (mol/L)
dCa
dt
Ca prom
x=ln (Caprom)
y=ln (dca/dt)
0
0,41
0
0
0
0
0
0,1
0,4
0,01
66,9
0,405
-0,904
-8,81
0,2
0,39
0,01
66,9
0,395
-0,929
-8,81
0,3
0,38
0,01
66,6
0,385
-0,955
-8,8
0,4
0,37
0,01
57,6
0,375
-0,981
-8,66
0,5
0,36
0,01
59,4
0,365
-1,008
-8,69
0,6
0,35
0,01
67,8
0,355
-1,036
-8,82
0,7
0,34
0,01
53,4
0,345
-1,064
-8,58
0,8
0,33
0,01
58,8
0,335
-1,094
-8,68
0,9
0,32
0,01
107,4
0,325
-1,124
-9,28
1
0,31
0,01
84,2
0,315
-1,155
-9,04
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T fria -1.25
-1.15
-1.05
-8.5 -0.85 -8.6
-0.95
-8.7 -8.8
) t d / a c d ( n l
-8.9
Series1
-9
Linear (Series1)
-9.1 -9.2
y = 1.0601x - 7.7304
-9.3 -9.4
ln (Caprom)
Si m = n (orden) entones n = 1.0601
= = −. =0.00044 Quedando la ecuación del modelo cinético:
=0.00044 . Ca vs tiempo 0.44 0.42 ) L / l 0.4 o m 0.38 ( 2 O 20.36 H C0.34
t ambiente t fria
0.32 0.3 -75
125
325
525
725
t (s)
K
T (K) 0,0006 0,00044
X = 1/T
Y = ln(K)
295
3,65818E-05
-7,4185809
277
3,66046E-05
-7,72873583
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0.00335 -7.4
0.0034
0.00345
0.0035
0.00355
0.0036
0.00365
-7.45
-7.5
) K ( n l
-7.55 Series1 Linear (Series1)
-7.6
y = -1408x - 2.6456 -7.65
-7.7
-7.75
1/T
Tamb = 22ºC +273 = 295K Tfria = 4ºC+273 = 277 K
In K = In(A) -
1
y=b-mx….... (3) A=eb ………. (4) Sustituyendo valores en 3 y 4 E=-(-1408)(1.987cal/mol*K) = 2798 cal/mol
A=eb=e-2.6456 = 0.07096 (mol/l) seg-1
Método Aritmético
´ −
E=
* R * In
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Sustituyendo valores
E=
∗ ∗1.987 cal/mol * In. − .
E = 2797.8
Obteniendo
=
Para K2=0.00044 y T=277 K
.
/. =0.0709
A=
Para K1=0.0006 y T=295K
.
/. =0.0709
A=
11 | P á g i n a
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CONCLUSION La velocidad de una reacción química está en función de la temperatura dada para llevar acabo la reacción, y esto a su vez lleva a un factor importante en una reacción que es el tiempo, ya que en nuestra práctica, si no se realizaba con rapidez la agitación para obtener el vire correspondiente nuestro reactor presentaba fenómenos de transferencia en la interface (precipitación) y esto podía afectar nuestra reacción, por lo tanto se puede constatar que la constante cinética “k” está en función de la temperatura, donde si la temperatura aumenta, aumenta la velocidad de reacción y si la temperatura disminuye, la velocidad disminuye y el tiempo es mayor, esto quiere decir que la velocidad de reacción es directamente proporcional a la temperatura e inversamente proporcional al tiempo.
Contreras Peña Diego
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Cuestionario
1-¿Cuál método de cálculo elegiste y por qué? Se utilizó el método integral gráfico, ya que es un método preciso, y más sencillo para utilizar en la calculadora o en Excel y nos optimiza el tiempo en los cálculos porque el integral no converge.
2-En las gráficas de concentración contra tiempo ¿A qué crees que se deban las diferencias? La diferencia está dada por el tiempo empleado para cada reacción, porque está en proporción directa con la velocidad de reacción en conclusión por errores experimentales. 3-¿A qué temperatura existió mayor velocidad de reacción?, fundamentar la respuesta. A temperatura ambiente la que utilizamos fue 25ªC ya que el otro es muy lento.
4-¿Tiene validez la ecuación de Arrhenius?, fundamentar la respuesta Sí, porque mediante esta ecuación, se puede llegar a la determinación de la energía de activación, la necesaria para que comience una reacción, y el factor de frecuencia, mediante la cual se explica la dependencia de la temperatura con la constante de velocidad k de forma exponencial.
5-¿Se pudiera utilizar algún otro modelo que explique el comportamiento de la constante de velocidad con la temperatura si/no? Fundamente la respuesta. Si la teoría de las colisiones, la cual consiste en la que al aumentar la temperatura a una sustancia sus moléculas se excitan conforme al aumento de la temperatura `provocando que sea más rápido el cambio de reactivos a productos, además de favorecer la conversión por eso es que la constante de velocidad está en función de la temperatura.
13 | P á g i n a
