Cinética química de la hidrólisis del cloruro de terc-butilo. Reporte práctica 2 Luis Gustavo Guillén Arias OBJETIVOS -Determinar la cinética de la reacción de hidrólisis de un haluro de alquilo terciario, en la cual el disolvente es una mezcla agua-etanol de composición variable. -Determinar cual es la composición de la mezcla agua-etanol necesaria para que la rapidez de la hidrólisis del cloruro de terc-butilo sea máxima.
OBSERVACIONES Y ANALISIS Esta práctica consistió en analizar mediante la cinética química, el mecanismo de reacción de la hidrólisis del cloruro de terc-butilo, para obtener un alcohol terciario llamado alcohol terc-butilico y acido clorhídrico. Se pretendía también valorar la composición del disolvente (mezcla agua-etanol) en diferentes proporciones por medio de titulación acido-base, para de esta forma encontrar la composición adecuada en la cual la rapidez de formación de productos fuera máxima, es decir, que el paso determinante de la reacción de hidrólisis sucediera lo mas rápido posible, el cual es la ionización del cloruro de terc-butilo para formar un carbocation intermediario estable, pero por cuestiones de tiempo, solo se realizo la valoración de la mezcla etanol/agua 80:20 (80mL de etanol con 20mL de agua). *Se tomo cada 2 minutos de tiempo una alícuota de 10mL para poderla valorar con una disolución de NaOH 0.05N. Los valores obtenidos de volumen de NaOH gastado en cada intervalo de tiempo transcurrido se muestran en la siguiente tabla: TABLA No.1 “VALORES OBTENIDOS CON RESPECTO AL TIEMPO DE REACCION” TIEMPO DE REACCION t(seg)
VOL. NaOH (mL)
VOL. NaOH (mL) AJUSTADO
REAL
x=CONC. DE
(a-x)
a/(a-x)
log (a/(a-x))
k (seg-1)
PRODUCTO DE HIDRÓLISIS
0
0
0
0
0.092
1
0
0
120
0.2
0.178
0.00089
0.09111
1.0097684
0.00422178
8.09175E-05
240
0.3
0.3
0.0015
0.0905
1.0165745
0.00713925
6.84178E-05
360
0.3
0.418
0.00209
0.08991
1.0232454
0.00997983
6.376E-05
480
0.5
0.5
0.0025
0.0895
1.0279329
0.01196479
5.73313E-05
600
0.4
0.545
0.002725
0.089275
1.0305236
0.01305797
5.00555E-05
720
0.5
0.58
0.0029
0.0891
1.0325477
0.01391012
4.44351E-05
840
0.6
0.6
0.003
0.089
1.0337078
0.01439782
3.94226E-05
960
0.6
0.6
0.003
0.089
1.0337078
0.01439782
3.44948E-05
1080
0.6
0.6
0.003
0.089
1.0337078
0.01439782
3.0662E-05
1200
0.6
0.6
0.003
0.089
1.0337078
0.01439782
2.75958E-05
Concentración de NaOH = 0.05 N Concentración de 1mL de cloruro de terc-butilo = 0.092 M
Como se puede observar en la tabla, existen 2 cantidades de volumen de disolución NaOH utilizado para neutralizar la alícuota de reacción en cada caso, el volumen real gastado y el volumen ajustado mediante la utilización de una curva de titulación, el cual representa el volumen real total de disolución de NaOH necesario para llegar al punto de equivalencia, punto en el cual se establece un equilibrio acido-base Después de esto es donde entra la parte de la cinética química, y como se analizó previo al experimento, esta es una reacción Sn1 (sustitución nucleofilica unimolecular), es decir, el paso determinante de la reacción solo depende de la concentración de uno de los reactivos, en este caso depende solo de la formación del carbocatión estable, razón por la cual dicha reacción es de primer orden. Utilizando la solución de la ecuación diferencial de la rapidez de primer orden, y sabiendo la concentración inicial de cloruro de terc-butilo al primer instante de la reacción (a), la cual fue de 0.092 M, fue posible determinar la constante de rapidez o velocidad especifica de la reacción para cada intervalo de tiempo en condiciones de presión y temperatura constantes del laboratorio, tomando como base la concentración de los productos calculada anteriormente para cada tiempo transcurrido. Los valores de K se muestran en la tabla 1. Otra forma de determinar la constante de rapidez experimental fue mediante el método gráfico, que consistió en realizar una grafica de log (a/a-x) vs tiempo(s), y comparar la ecuación de rapidez de este orden como la ecuación de una línea recta, donde el valor de la constante de rapidez a esas condiciones corresponde a la pendiente de la gráfica multiplicada por 2.3 debido al cambio de base neperiana a base diez. Dicha grafica se muestra a continuación: GRAFICA No.2 “LOG (a / a-x) VS TIEMPO TRANSCURRIDO (s)
LOG(a/a-x) vs TIEMPO y = 1E-05x + 0.0041 R² = 0.7932
0.02 0.018 0.016
Linear (LOG(a/a-x) vs TIEMPO)
0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 0
500
1000
1500
Obteniendo un valor aproximado de K de 2.3*10^-5 s-1.
CUESTIONARIO 1. Una vez sintetizado, el cloruro de terc -butilo debe lavarse con disolución de carbonato de sodio, ¿Cuál es la razón de hacerlo?, ¿Podría utilizar una disolución diluida de NaOH? Esto se hace para favorecer el medio acido ya que el HCl es muy fuerte se le agrega el carbonato de sodio para bajar un poco y quitar el HCl, no se puede con sosa pues la reacción se lleva en medio
ácido, por lo tanto si se hace con sosa se neutralizaría y no se llevaría la segunda parte a cabo, además de que nuestro producto se perdería.
2. ¿De qué variables depende la rapidez de una reacción? Depende de las concentraciones de los reactivos, los órdenes de reacción y la constante de rapidez que esta depende de la temperatura.
3. En el estudio cinético realizado, ¿Qué parámetros se mantuvieron constantes y cuales se modificaron? ¿Cuál era el propósito de lo anterior? Constantes la presión y la temperatura, se modifico la concentración, pues para calcular la constante de rapidez, conforme al tiempo.
4. ¿Qué cálculos realizó para preparar las mezclas de agua-etanol propuestas? Solo se hizo con una mezcla de agua-etanol 20:80mL.
5. ¿Por qué la reacción se llevó a cabo a temperatura ambiente y no a una temperatura elevada? Para mantenerla constante, ya que si se llevaba a temperatura elevada, se podría evaporar el etanol ya que es una sustancia muy volátil, además si se aumenta se podría encontrar otra constante de rapidez, ya que esta depende de las colisiones o choques entre las moléculas, por lo cual si retomamos la ecuación de Arrhenius el determino que la velocidad de las reacciones aumenta a menudo de forma muy determinante con la temperatura razón por la cual si se aumentaba la temperatura la reacción se llevaría en un menor tiempo y no seria factible contabilizar el tiempo en el que se efectúa.
6. ¿Cómo detectó que la reacción de hidrólisis del cloruro de cabo?
terc -butilo
se estaba llevando a
Por que para neutralizar la alícuota de 10mL con sosa al principio se gastó cierto volumen conforme pasaba el tiempo se llevaba un poco más que al inicio y después se mantuvo constante esto nos dijo que se llevaba acabo para neutralizar y cuando se mantuvo constante es que la reacción alcanzó el equilibrio
7. De acuerdo con los resultados gráficos obtenidos, indique el tipo de cinética que sigue la reacción estudiada. El paso determinante de la reacción solo depende de la concentración de uno de los reactivos, en este caso depende solo de la formación del carbocatión estable, razón por la cual dicha reacción es de primer orden
8. ¿Cómo mediante este experimento se verifica el mecanismo de reacción propuesto para la hidrólisis del cloruro de terc -butilo? Dado que experimentalmente se ve que es de orden 1 la reacción, y vemos que depende de la concentración del halogenuro de alquilo y es independiente de la concentración de H 2O, dicho de otra forma es un proceso de primer orden respecto al halogenuro y de orden cero respecto al agua, obtenido así vemos que se lleva a cabo el mecanismo de reacción propuesto pues esperábamos un orden de reacción 1, si no fuera así experimentalmente hubiéramos obtenido un orden de reacción 0 o
de orden 2 lo cual nos indicaría que nuestro mecanismo no era el correcto si no otro. Como no fue el caso el orden de reacción nos llevo a corroborar el mecanismo propuesto.
9. ¿Cómo sería la rapidez de la reacción si se utilizara como disolvente sólo agua?, ¿Cómo sería si se utilizara sólo etanol técnico? Explique. Se sabe que los disolventes polares estabilizan al carbocatión intermediario por solvatación, con lo cual aumentan la velocidad de reacción, teniendo en cuenta que el momento dipolar del agua es de 1.82 debye y que del etanol es de 1.699 debye se esperaría que fuera mas rápida la reacción en agua y mas lento en el etanol.
10. Con base en los resultados experimentales de todo el grupo ¿Cómo varió la rapidez de la reacción al ir incrementándose el porcentaje de agua de las mezclas agua-etanol? Conforme a las indicaciones de la profesora nos indico que solo se llevara acabo con una sola mezcla de agua-etanol a una escala de 20:80mL.
CONCLUSIONES Como se pudo observar en esta práctica se llego a corroborar una cinética química de la hidrólisis del cloruro de terc-butilo que es de orden 1 pues no depende de la concentración del agua si no de la concentración del halogenuro de alquilo. También se corroboró que se lleva a cabo una reacción Sn1 con un enantiómero de un reactivo quiral y se pasa por un carbocatión intermediario, el producto puede ser ópticamente inactivo. Un nucleófilo puede atacar al carbocatión intermediario en proporciones 50:50 siendo así una mezcla racémica. También analizando la mezcla de disolventes en este caso etanol-agua que son polares estabilizan al carbocatión intermediario por solvatación, con lo cual aumentan la velocidad de reacción, con esta mezcla de estos dos disolventes se pudo calcular la constante de rapidez y el orden de la reacción. También la información que nos arroja es que el mecanismo descrito en clase se puede corroborar con el orden de reacción. Siendo así este parámetro fisicoquímico tan importante para predecir una reacción antes de llevarla a cabo.
BIBLIOGRAFÍA J. McMurry, Organic Chemistry , Brooks/Cole Publishing Company, 3ra. edición, Estados Unidos, 1992. R. T. Morrison y R. N. Boyd, Organic Chemistry , Prentice Hall, 6ta. edición, Estados Unidos, 1992.
