Laboratorio Nº1 CINETICA DE LA REACCION DE SOLVOLISIS DEL CLORURO DE TERBUTILO
Autores: Curso: -
Laboratorio de Físico-Química II
Fecha entrega: - 01/05/2014
Índice
ÍNDICE........................................................................................................ 2 I.- RESUMEN................................................................................................................... 2 II.- INTRODUCCIÓN........................................................................................................... 3 III.- MATERIALES 1-
MÉTODOS............................................................................................. 4
Y
Materiales......................................................................................................... 4
Metodología............................................................................................................. 6 a) Orden de Reacción......................................................................................................... 6 b) Energía de Activación..................................................................................................... 6
IV.- RESULTADOS
Y
DISCUSIÓN...........................................................................................7
a)
Orden de Reacción..................................................................................................... 7
b)
Energía de Activación................................................................................................. 9
V.- CONCLUSIONES......................................................................................................... 12 VI.- BIBLIOGRAFÍA
O
REFERENCIAS....................................................................................13
I.- Resumen
En el siguiente informe se pretende demostrar el cálculo de la velocidad de reacción, el orden de la reacción y la ecuación de Arrhenius mediante el experimento de la solvólisis del cloruro de terbutilo. La velocidad de reacción (k) se determinó por la cantidad de moles de cloruro de terbutilo que reaccionó con la solución de NaOH formando moles de HCl, para ello se realizaron 6 muestras donde varió concentración de NaOH, manteniendo constante la temperatura. Se observó que a distintas concentraciones, el tiempo de reacción fue variando. Mientras mayor sea la cantidad de NaOH, mayor es el tiempo en generar HCl. Haciendo una regresión lineal de los datos obtenidos (ln((CH3)3Cl) vs tiempo), se obtiene la constante de velocidad (k) y el coeficiente de correlación (R2), dando como resultado: k =0,0018 y R ²=0,8874
Siendo este último, un parámetro que indica un notable error en el experimento, ya que el coeficiente de correlación debe ser cercano a 1, puesto que la reacción es de primer orden. Se asumen errores experimentales (mal conteo de tiempo y/o error en la elaboración de las muestras). Se realizó un segundo experimento, con el objetivo de encontrar los valores de la energía de activación (E) y el factor de frecuencia (A) de la ecuación de Arrhenius y la linealización de esta, para ello se realizaron 5 muestras a la misma concentración, pero a distintas temperaturas, dando como resultado: E=19492,8674
cal Y A=2,8764 ∙ 1011 mol
II.- Introducción En esta práctica se estudiará el comportamiento cinético de una reacción de solvólisis de cloruro de terbutilo de la siguiente manera:
R−Cl + H 2 O → R−OH + HCl Es una reacción de sustitución se denomina SN1 debido a que el paso determinante es unimolecular, por lo cual se comprobará experimentalmente mediante una ecuación de velocidad integrada de primer orden:
−d [ RCl] =K [RCl] dt y además se determinará la constante de velocidad de la reacción utilizando la ecuación de Arrhenius y sus respectivos parámetros (energía de activación, y factor de frecuencia) para la reacción estudiada:
K=K 0 e (−E / RT) Dónde:
K=Constante de velocidad de reacción Ko=Factor de frecuencia E=Energía de activación R=Constante universal de los gases T=Temperatura (K)
De esta forma se desarrollará el experimento usando una solución básica la cual al reaccionar y formar una determinada cantidad de un compuesto ácido cambiará de color gracias a un indicador ácido-base (indicador azul de bromofenol), lo cual será estudiado a medida pasa el tiempo.
III.- Materiales y Métodos 1- Materiales Para realizar la solvolisis del cloruro de terbutilo, se emplearon los siguientes materiales: Reactivos:
Solución de NaOH 0,1 M Solución de Cloruro de Terbutilo en acetona ( (CH3)3CCl) 0,1 M
Solución de indicador azul de bromofenol (C19H10Br4O5S ) al 1%
Otros materiales:
Agua destilada 6 matraz de Erlenmeyer de 25mL Pipeta volumétrica 3 mL Pipeta graduada 10 mL Pipeta graduada 1 mL Propipeta Cronómetro Termómetro Gafas de seguridad, Guantes y delantal
Metodología a) Orden de Reacción 1. Se preparó 6 muestras de 7 mL cada una en distintos matraces con solución de agua y NaOH a diferentes proporciones, como se indica en la siguiente tabla: Tabla 1 - Composición de cada muestra
Muestra
NaOH (mL)
H2O (mL)
1
0,1
6,9
2
0,2
6,8
3
0,3
6,7
4
0,4
6,6
5
0,5
6,5
6
0,6
6,4
Las medidas de agua destilada fueron tomadas con una pipeta volumétrica de 10 mL, y la cantidad de NaOH se midió con una pipeta volumétrica de 1 mL. 2. A cada muestra se añadió 3 gotas de Azul de bromofenol 3. Las muestras se ambientaron durante 5 minutos, bajo campana de seguridad,
alcanzando
la
temperatura
de
25 ℃
(temperatura
ambiente) 4. Se agregó con pipeta volumétrica, 3mL de solución de cloruro de terbutilo en acetona a cada muestra. Desde el momento que cae la primera gota se comenzó a cronometrar el tiempo de reacción, agitando constantemente el matraz. 5. Se detuvo el tiempo en el momento en que la muestra cambió de color, desde un azul purpura a un color amarillo. b) Energía de Activación Para este experimento se utilizó muestras con la misma concentración, pero en diferentes temperaturas, 5 ambientes distintos, en este caso se realizó en agua de la llave corriendo. Para efectos de cálculo el experimento se realizó dos veces.
1. Se tomó dos muestras iguales en cantidad de solución, con 0,2 mL de NaOH, 6,8 mL de agua y 3 gotas de Azul de bromofenol , en matraces de Erlenmeyer de 25 mL 2. Cada muestra se ambientó durante 5 minutos en agua de la llave corriendo. 3. Se midió la temperatura, resultando la temperatura de las muestras igual a la temperatura del agua corriendo (15 ℃ ) 4. Se agregó 3 mL de cloruro de terbutilo y se cronometró el tiempo de cada muestra hasta observar un cambio de color (amarillo), agitando continuamente la solución.
IV.- Resultados y Discusión a) Orden de Reacción A continuación se presenta en detalle la composición volumétrica de cada solución y el volumen total de cada una de éstas, además del tiempo cronometrado en que se demora cada solución en cambiar de color, posterior a agregar el cloruro de terbutilo. Tabla 2 - Composición de soluciones, y tiempo de reacción de cada muestra
Muestra NaOH(mL) H2O(mL) (CH3)3Cl (mL) Total solución (mL) Tiempo (s)
1 0,1
2 0,2
3 0,3
4 0,4
5 0,5
6 0,6
6,9
6,8
6,7
6,6
6,5
6,4
3
3
3
3
3
3
10
10
10
10
10
10
27,47
34,06
70,47
90,32
115,36
104,03
Es claramente visible un aumento en el tiempo, el cual resulta proporcional al aumento de hidróxido de sodio en la solución. En la experiencia se utilizó una solución de NaOH 0,1M y una solución de cloruro de terbutilo (CH3)3Cl 0,1M, éste último dato será fundamental para el cálculo de la concentración inicial de éste.
C1 ×V 1=C 2 × V 2 0.1 M ×3 mL=C 2 × 10 mL C2 =[ ( CH 3 )3 Cl ]i=0.03 M
La concentración inicial resultante del cloruro de terbutilo en solución calculada resulta ser la misma para las 6 muestras examinadas. La concentración de NaOH se encuentra en proporción con el HCl, ya que se neutralizan el uno al otro en solución mientras éste último se forma al reaccionar el cloruro de terbutilo en conjunto con el agua. La concentración del ácido clorhídrico resultará ser diferente para cada una de las muestras (debido a que las concentraciones para cada una de éstas cambian) pero se calculará de la misma forma anterior.
C1 ×V 1=C 2 × V 2 C NaOH × V NaOH =C HCl ×V Total Luego, para poder determinar la concentración final del cloruro de terbutilo es cosa de restar la concentración inicial de éste con el ácido clorhídrico.
[ ( CH 3 )3 Cl ]= [ ( CH 3 ) 3 Cl ]0−[ HCl ] A continuación se detallan los cálculos previamente especificados, para cada una de las muestras. Tabla 3 - Concentraciones de reactantes y productos de cada muestra
Muestra [NaOH] (M) [HCl] (M) [(CH3)3Cl]i (M) [(CH3)3Cl]f (M)
1 0,1 0,001
2 0,2 0,002
3 0,3 0,003
4 0,4 0,004
5 0,5 0,005
6 0,6 0,006
0,03 0,029
0,03 0,028
0,03 0,027
0,03 0,026
0,03 0,025
0,03 0,024
Se realiza un gráfico del coeficiente de concentraciones vs el tiempo de reacción Tabla 4 - logaritmo natural de concentración de
(CH 3)3 Cl
en tiempo "i" sobre
concentración inicial
ln
Muestra [(CH 3)3 Cl ]i
[(CH 3 )3 Cl ]
Tiempo (s)
1
2
3
4
5
6
-0,0339 27,47
-0,0690 34,06
-0,1054 70,47
-0,1431 90,32
-0,1823 115,36
-0,2231 104,03
Gráfico 1 – logaritmo natural de (CH3)3Cl vs tiempo
ln((CH3)3Cl) vs tiempo(s) 0.00000 20 -0.05000
40
60
80
100
120
140
f(x) = - 0x + 0.01 R² = 0.89
-0.10000 ln((CH3)3Cl) -0.15000 -0.20000 -0.25000 tiempo (s)
Para el tratamiento de éstos datos, asumimos que la cinética es de primer orden, cuya ecuación de velocidad es:
d [ (CH 3 )3 Cl ] =−k [(CH 3 )3 Cl ] dt
a
ln
[(CH 3)3 Cl ]i =−kt [(CH 3 )3 Cl ]
La constante de velocidad k corresponde a la pendiente del gráfico 1, la que es con signo negativo, ya que el cloruro de terbutilo está siendo consumido. -m= k= 0,0018 El intercepto, o “b” de la ecuación a partir de la linealización corresponde a b= ln((CH3)3Cl)i= 0,0085 → [(CH3)3Cl]i= 0,99154 Este resultado no se asimila en nada al determinado anteriormente para la concentración inicial del cloruro de terbutilo. En esta diferencia de resultados se debe a errores experimentales, tales como la no exactitud de los volúmenes pedidos y la mal medición del tiempo en que la reacción ocurriera completamente.
b) Energía de Activación A continuación se presentan los datos experimentales: Tabla 5 - Temperatura y tiempo de reacción
Temperatura (ºC) 0 15 25 30 35
Temperatura y tiempo de reacción Tiempo que demora en Tiempo promedio que reaccionar (s) demora en reaccionar (s) 1260 2100 1680 247 253 250 34.06 34.06 23.68 24.46 24.07 16.50 16.63 16.515
Para calcular la constante de reacción (k) a distintas temperaturas, se empleó la siguiente ecuación:
[ ( CH 3 )3 Cl ]= [ ( CH 3 ) 3 Cl ]0 × e−kt CH 3 (¿) ¿ ¿ 3 Cl ¿ ¿ ln ¿
ln
(
[ ( CH 3 )3 Cl ]0 [ ( CH 3 )3 Cl ]
)
=kt
Como en el experimento “a) Orden de reacción” la muestra 2, tiene las mismas cantidades que las muestras de este experimento, se calcula la constante con las concentraciones obtenidas de la experiencia anterior. ln
0.03 ( 0.028 )=0.06899=kt
k=
0.06899 t
Tabla 6 - Constante de velocidad y cálculos previos.
Ln(k) vs 1/T 0 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035 0.0036 0.0037 0.0038 -2 -4 Ln(k)
-6 -8
f(x) = - 9810.22x + 26.38 R² = 0.94
-10 -12 1/T
(K^-1)
A partir de la tabla 3, se procede a graficar “
ln( k )vs
1 T
Gráfico 2 - Ln(k) vs 1/T
De la regresión lineal realizada en el grafico Nª1, se obtiene la pendiente y el coeficiente de correlación. y=mx +n m= -9810,2 n= 26,385
Estos resultados se comparan con la ecuación de Arrhenius, donde se define la constante de velocidad k, como: −E
k =A ∙e RT Dónde:
E=Energía de activación
R=constante universal de los gases=1,987 cal /mol ∙ K
T =temperatura( K )
A=Factor de frecuencia
Linealizando la ecuación de Arrhenius se obtiene:
ln ( k ) =ln ( A ) +
−E RT
La regresión lineal obtenida del grafico 2, cumple con la ecuación linealizada de Arrhenius, de donde obtenemos la Energía de activación y el factor de frecuencia.
m=
−E =−9810,2→−m∙ R=E=(−1 ) (−9810,2 )( 1,987 )=19492,8674 cal/mol R
n=ln ( A )=26,385 → en =A=2,8764 ∙1011
V.- Conclusiones De acuerdo a la primera experiencia, se determina que el tiempo de reacción aumenta a medida que aumentan las concentraciones de NaOH en las distintas soluciones, además se calcula la constante de velocidad k, pero no se puede relacionar los datos experimentales y teóricos debido a un error significativo en las mediciones de tiempo, por lo cual se debe repetir la parte experimental para poder acercarse más a un valor esperado que relacione la velocidad de reacción junto a las concentraciones. Se logró determinar la energía de activación y el factor de frecuencia, ya logrado esto se le da sentido a lo visto en laboratorio, que la velocidad de reacción es sensible a la temperatura. En el caso de lo desarrollado en clase, cuando la experiencia con el cloruro de terbutilo se realizó bajo la llave de agua a temperaturas bajo la ambiental se notó tangiblemente que la reacción se demoró bastante más, lo que es posible explicar ahora que se relacionó la cinética de la reacción con la temperatura a la que se encuentra la solución. Todo esto se puede reflejar en la ecuación de Arrhenius, ya que al disminuir la temperatura menos moléculas en la mezcla van a tener oportunidad de reaccionar, debido a la energía de activación, por ende la velocidad cinética a su vez resulta ser menor. En conclusión, el propósito de relacionar lo teórico con lo experimental de manera muy susceptible.
VI.- Bibliografía o Referencias 1.-Guía nº1 de laboratorio, Físico Química II. 2.- Ira N. Levine, “Físico química”, tercera edición, editorial McGraw-Hill, 1991, España, páginas: 607-608, 630-632. 3.-Apuntes del curso, Físico Química II, 2014.
