UNIVERSIDAD CENTRAL CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES 1 Practica: CINÉTICA DE NEUTRALIZACIÓN NEUTRALIZACIÓN
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RESUMEN
Determinar experimentalmente la velocidad de reacción de neutralización, el orden de reacción y la constante cinética mediante el método integral y diferencial para una solución dada. Para lo cual se procedió a realizar dos soluciones una de carácter ácido y otro alcalino con concentraciones conocidas, luego se agregó una sustancia indicador en uno de las soluciones y eventualmente se procedió a titular la solución con un caudal constante. Se obtuvieron valores de concentraciones diferentes en el transcurso del tiempo, con los cuales se puede representar mediante modelos matemáticos el comportamiento experimental de una reacción de neutralización específica, es decir se obtiene la cinética de neutralización de dicas sustancias. D!S"#$P%&#!S' #eacción(de(neutralización) cinética(de(neutralización) constante(cinética) %itulación) método(integral)método(diferencial) velocidad(de(reacción
CINÉTICA DE NEUTRALIZACIÓN. 1. OBJETIVOS. 1.1. Determinar experimentalmente la velocidad de reacción de neutralización. 1.2. Determinar el orden de reacción y la constante cinética de velocidad de reacción mediante el método integral y diferencial.
2. TEORÍA. 2.1. Molecular!a! " or!e# !e reacc$#. 2.1.1. Molecular!a! *!s el n+mero de especies moleculares ue intervienen en una reacción elemental, y se a encontrado ue puede valer -,, y en ocasiones.* /-0 2.1.2. Or!e# !e Reacc$# %!s el exponente a ue están elevadas las concentraciones .* /0. 2.2. &ac'or !e(e#!e#'e !e la co#ce#'rac$# e# la ecuac$# c#)'ca. *Para encontrar la relación entre la velocidad de reacción y la concentración, emos de distinguir diversos tipos de reacciones1 esta distinción se basa en la forma y en el n+mero de las ecuaciones cinéticas utilizadas para describir el transcurso de la reacción. "omo estamos considerando el factor de la ecuación cinética ue depende de la concentración, supondremos ue la temperatura del sistema permanece constante. 2.2.1. Reacco#e* ele+e#'ale*. "onsideremos una reacción simple con ecuación esteuiometria' 2345# !c...-6Si la ipótesis del mecanismo ue controla la velocidad de reacción implica la colisión o interacción de una sola molécula de 2 con una sola molécula de 4, entonces el n+mero de colisiones de las moléculas de 2 con 4 es proporcional a la velocidad de reacción. "omo a una temperatura dada el n+mero de colisiones es proporcional a la concentración de los reactantes en la mezcla, la velocidad de desaparición de 2 vendrá dada por' 6r 2 7 8 "2 "4
!c...-6
2.2.2. ,u#'o !e -*'a c#)'co !el eul/ro e# reacco#e* ele+e#'ale*. "onsideremos las reacciones elementales reversibles' 2 3 4 z # 3 S, 0c 0 !c...69a velocidad de formación de # para la reacción de izuierda a dereca, o reacción directa, es' r # , directa 7 8 - "2 "4 !c...6 y su velocidad de desaparición por la reacción de dereca a izuierda, o reacción inversa, es ' 6 r #, inversa7 8 "# "s !c...6: !n el euilibrio no ay formación neta de #, por consiguiente' r #, directa 3 r #, inversa 7 ; !c...6< k 1 k 2
=
C R C S
C A C B
!c...6=
Por otra parte, para esta reacción >c vendrá definida por la expresión ?'
K C =
C R C S
C A C B
!c...6@
!n consecuencia, en el euilibrio podemos combinar estas dos ecuaciones para dar'
[
K C =
k 1 k 2
=
C R C S C A C B
]
soloen equilibrio
!c...6A
2.2.. Reacco#e* #o ele+e#'ale*. "uando no ay correspondencia entre la ecuación esteuiométrica y la cinética, las reacciones se denominan no elementales !l eBemplo clásico de una reacción no elemental es la ue tiene lugar entre el idrógeno y el bromo' Ca 3 4r 5 C4r !c...:6 .
"uya ecuación cinética es' 1 /2
r HBr
k 1 [ H 2 ]/[ Br 2 ]
k +[ HBr ]/[ Br2 ]
!c...:6
9as reacciones no elementales se explican suponiendo ue lo ue observamos como reacción simple es, en realidad, el efecto global de una secuencia de reacciones elementales. !l eco de encontrar solamente una reacción simple en lugar de dos o más reacciones elementales, se debe a ue la cantidad de productos intermedios formados es despreciable y no puede detectarse.
2.2.3. Mo!elo* c#)'co* (ara reacco#e* #o ele+e#'ale*. Para explicar la cinética de las reacciones no elementales, suponemos ue está ocurriendo una secuencia de reacciones elementales, pero ue no podemos medir u observar los productos intermedios formados debido a ue están presentes en cantidades muy peueas1 por lo tanto, observamos solamente los reactantes iniciales y los productos finales de lo ue aparenta ser una reacción simple. Por eBemplo, si la cinética de la reacción indica ue la reacción es no elemental1 para explicar su cinética podemos suponer' A2 4 B252AB Ena serie de etapas elementales, tales como Al2 6 2A7 A7 3 4624 3 4? A7 3 4?624
!c...<6!c...<6 !c...<6: !c...<6<
Donde los asteriscos se refieren a los productos intermedios no observados. Para afirmar ue es correcto el esuema supuesto emos de comprobar si la expresión cinética predica por el esuema se corresponde con la expresión cinética encontrada experimentalmente.* /:0 . ,ar'e e8(er+e#'al
.1. Ma'erale* " eu(o* ..1. Fasos de precipitación. 27=;m9 "7-;;m9 ..2. "ronómetro. 2G;.;-s #7 H Coras)=H Iinutos) =H.HH Segundos ... Jeringuilla. 27;.-m9 "7-;m9 ..3. 4ureta. 27;.-m9 "7=m9 ..9. 2gitador magnético. ..:. Soporte Eniversal. .2. Su*'a#ca* " reac'-o*. .2.1. Kcido clorídrico /;,=L0. .2.2. Cidróxido de sodio /;,=L0. .2.. Menolftaleína. .2.3. 2gua destilada.
C"l /l0 La&C /l0 ";C-<&< /l0 C& /l0
.. ,roce!+e#'o ..1. 9lenar las buretas con las soluciones de C"l /;,=L0 y colocar en un vaso de precipitación -;; m9 de La&C /;,=L0. ..2. 2gregar gotas del indicador en el vaso ue contiene el La&C /;,=L0. ... 2brir la llave de la bureta regulando ue salga una gota por segundo. ..3. "on el cronómetro cada :; segundos tomar una muestra de = ml, realizarlo asta ue se neutralice la solución sobrante. ..9. "olocar una gota de fenolftaleína en cada vaso y titular con C"l, registrar el volumen gastado en las muestras. 3. DATOS. 3.1. Da'o* E8(er+e#'ale*. Ta/la 3.1.;1 Da'o* e8(er+e#'ale*. # ? 1 2 3 9 : @
' <*= ; @; -; -N; <; :;; :@; <;
V>Cl <+L= :.N : .H .= .. -.H -.@ -.: -.:
1? 11 12 1 13 19
@;; @@; A; AN; N<; H;;
;.N ;.@ ;.< ;. 6 6
9. REACCIÓN La&C 3 C"l 5 La"l 3 C& 2345"
!c. =.-6!c. =.-6
:. CLCULOS. :.1. CFlculo !e la co#ce#'rac$# !el G!r$8!o !e *o!o. L base F base 7 L ácido F ácido
!c. @.-6-
L base 7 /L ácido O F ácido0 ) F base
!c. @.-6
L base 7 / !6g ) 9 0 5 transformar a I /mol ) 90
!c. @.-6:
Calculo +o!elo. L base 7 /;.=L O :.Nm90 ) =m9 L base 7;.:NL M base=
0.38 Eq −g
L
40 g NaOH
1 mol NaOH 1 Eq −g NaOH 40 gNaOH
I base 7;.:N mol)9
Ta/la :.1;1 Co#ce#'rac$# !el NaO> #
N
M <+olL=
? 1 2 3 9 :
;,:N ;,: ;,H ;,= ;,;, ;,-H
;,:N ;,: ;,H ;,= ;,;, ;,-H
Ta/la :.1;1 co#'#uac$# Co#ce#'rac$# !el NaO>
@ 1? 11 12 1
;,-@ ;,-: ;,-: ;,;N ;,;@ ;,;< ;,;
;,-@ ;,-: ;,-: ;,;N ;,;@ ;,;< ;,;
:.2. CFlculo !el +)'o!o Dere#cal. #ealizar el diagrama' "2 7 f /t0 /Fer 2nexo 0 y obtener la ecuación' 7-3 3:
!c. @.6-
"27 ;-H,@ t 6 :;AA,Nt 3 N
!c. @.6
Sacar la derivada de la ecuación !c @.6-' ) 7 3:
−r =
−dC
A
A
−r A=
#ealizar el diagrama'
#ecordar ue'
ln
(
−dC A dt
)=
n
ln kC A
ln
(
=−a −2 a 2
dt
−dC A dt
−dC A dt
−r A
(
t
=3077.8− 4039.2 t
)= ( f
− dC A dt
3
!c. @.6:
ln ( C A ))
)
n
= kC A
ver el anexo :
!c. @.6<
ln
(
−dC A dt
)
=ln k + nlnC An
M)'o!o !el (ol#o+o CA K ;????3 ' 4 ?3 R K ?@@@ :.. M)'o!o I#'eHral 2sumir un orden de reacción' /Por eBemplo' n7 ;0 −r A= C A
−∫ C A 0
(
−dC A dt
dC A n
C A
)=
n
kC A
t
=∫ dt 0
Para n7; C (¿ ¿ A −C A 0 )= kt
−¿
CAK ;?.???3CA? 4 ?3 R K ?@@1 Para n7 LnC (¿ ¿ A − LnC A 0 )= kt
−¿
CA K ;???2 CA? ; ?@93@ R K ? Para n7 1 / C (¿ ¿ A −1 / C A )= kt −¿ 0
!c.@.: 6-
!c.@.: 6-
CA K ??@ C A? ; 3123 R K ?9@
@. RESULTADOS Ta/la @;1 M)'o!o I#'eHral #
' <*=
CA
ln CA
?
;
;,:N
6;,HA
1
@;
;,:
6-,;
2
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6-,:H
3
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9
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# ?
Ta/la @;2 M)'o!o Dere#cal ' <*= CA ln CA ; ;,:N 6;,HA
/6d"a)dt0 6-,:HN: 6-,:HN= 6-,:HN= 6-,:HN@ 6-,:HNA 6-,:HN@ 6-,:HNA 6-,:HNN 6-,:HNH 6-,:HNH 6-,:HH 6-,:HH< 6-,:HH@ 6-,<;;;
;!CA!'
,@:
1 2 3 9 : @ 1? 11 12 1
M)'o!o I#'eHral
@; -; -N; <; :;; :@; <;
;,: 6-,; ;,H 6-,< ;,= 6-,:H ;,6-,=@ ;, 6-,=;,-H 6-,@@ ;,-@ 6-,N: ;,-: 6,;< ;,-: 6,;< ;,;N 6,=: ;,;@ 6,N;,;< 6:, ;,; 6:,HTa/la @; Or!e# !e reacc$# " co#*'a#'e c#)'ca
:,:: :,<= <,;; <,A@ <,== =,@ @,= A,@H A,@H -,=; -@,@A =,;; =;,;;
Or!e# !e reacc$# Co#*'a#'e c#)'ca Ecuac$# C#)'ca ? ????3 −r A= kC An
Dere#cal
?
????3
−r A= kC An
. DISCUSION. !l método realizado en la práctica es el correcto ya ue al realizar el análisis de los datos por medio de diferentes métodos matemáticos se obtuvo el mismo orden de reacción en todos los casos. !ste eco no implica ue los datos no tuvieron un cierto margen de error, ya ue dicos errores si existieron, como en el caso de no mantener constante el caudal del ácido en el momento de titular lo cual provoco ue en la curva realizada de la concentración en función del tiempo no se obtenga un valor de la varianza igual a pero se obtuvo un valor aproximado1 dicos errores son de tipo sistemático debido a las limitaciones de carácter personal al momentos de estabilizar el caudal de la sustancia titulante. Se recomienda en lo posible mantener el caudal en la titulación de forma constante para evitar errores en las concentraciones y de esta forma obtener un modelo cinético más confiable.
. CONCLUSIONES. H.-. &bteniendo de manera experimental datos de la concentración en función del tiempo se puede obtener la cinética de la reacción aplicando modelos matemáticos.
.2. 2l observar la influencia de las concentraciones en la velocidad de reacción se puede apreciar ue 9a velocidad de reacción aumenta con la concentración debido a ue al incrementarse la concentración de los reactantes, la frecuencia de colisión también se incrementa.
.3. 2l comparar las constantes existentes en los diferentes métodos se puede observar ue no tienen un cambio muy marcado ya ue de ambas formas el modelo cinético tiene ue ser el mismo y esto comprueba ue la práctica se realizó de forma correcta. .3. 2l realizar un análisis del orden de reacción obtenido por cada método podemos concluir ue no importa ue método se use se conseguirá los mismos resultados ya ue ambos análisis matemáticos se basan en llegar al mismo resultado pero con diferentes procedimientos. 1?. A,LICACIONES. 1?.1. !n la 4iología Cumana' euilibrio 2cido6 4ásico /manteniendo el PC de los 9íuidos corporales, vital para la Supervivencia del &rganismo1 esto se realiza a través de los Sistemas amortiguadores1 4icarbonatos, Mosfatos y Proteínas0. 1?.2. !n Iedicina' medicamentos, ue Leutralizan tanto la 2cidez, como la 4asicidad, de un rgano o Sistema, logrando mantener la Salud. 1?.. 2nticorrosivos Químicos /Sistema 4uffer0, para prolongar la vida +til, de cualuier estructura metálica de uso cotidiano por el ser umano. 1?.3. %ecnológicamente' mantener un funcionamiento adecuado de cualuier mecanismo, evitándose paralización, accidentes etc. garantizándose seguridad de los mismos /aviones, autos, coetes etc.0. -;.= en la industria del curtido de pieles es un eBemplo de la modificación del pC, pues las pieles deben someterse a tratamientos alcalinos con cal y luego se pueden tratar con soluciones acidas para su neutralización.
11. RE&ERENCIAS BIBLIORA&ICAS. 11.1. C'a* B/loHrFca*. /-0&ctave 9!F!LSP$!9,* $ngeniería De 9as #eacciones*, editorial limusa Riley S.2, edición en espaol, Iéxico, pág. -@ /0$4$D /-0, pág. -@ /:0&ctave 9!F!LSP$!9, *$ngeniería De 9as #eacciones*, editorial limusa Riley S.2, edición en espaol, Iéxico, pág. -<6;
11.2. BIBLIORA&IA. 11.2.1. &ctave 9!F!LSP$!9, *$ngeniería De 9as #eacciones*, editorial limusa S.2, edición en espaol, Iéxico. 12. ANEOS.
12.1. Diagrama del euipo. /Fer anexo -0 12.2. Iétodo $ntegral. 12.2.1. Diagrama -)"2 7 f /t0 / si el orden de reacción es igual a /asumido00. /Fer anexo 0
12. Iétodo Diferencial. 12..1. Diagrama "2 7 f/t0. /Fer anexo :0 12..2. Diagrama 9n /6 d"2)dt0 7 f / 9n /"200. /Fer anexo <0
1. CUESTIONARIO. 1.1. "alc+lese la velocidad de reacción cuando "2 7 -; mol)9T si Ur2 7 6d"2)dt 7 ;, mol)9?s cuando "2 7 - mol)9T. Da'o* rA K ?2 <+olL7*= CA K 1 <+olL=. −r A=
(
−dC A dt
)=
n
kC A
!c. -:.-6-
"omo no se conoce el orden de reacción no se puede calcular la velocidad con los datos dados por lo se asume un orden de reacción k =
−r A n A
C
=
0,2 [ mol / L∗ s ] n
1 [ mol / L ]
7
−1
0.2 s
!c. -:.-6
Para n7; mol −r A= kC An =( 0.2 s− ) ¿( 10 mol / L ) =0.2 1
0
L . s
Para n7mol −r = kC =( 0.2 s− )¿(10 mol / L ) =2 n
A
Para n7
A
1
1
L . s
−r A= kC An =( 0.2 s− ) ¿( 10 mol / L ) =20 1
2
mol L . s
12. ANEOS. 12.1. ANEO 1 Diagrama del euipo.
Migura -.-6-.Diagrama del euipo.
&ue#'eP laboratorio de reacciones uímicas de la Eniversidad "entral del !cuador
12.2. Iétodo $ntegral. 12.2.1. ANEO 2 Migura 12.2.1.;1 Diagrama "2 7 f/t0. &rden asumido de ;
CA($%t' $%&' ( ) "& * "+, R- ( "./
!scala' eBe y ;.=cm7 ;.;= mol)9 eBe x -cm7 -;;s
Migura 12.2.1.;2 Diagrama -)"2 7 f /t0 orden asumido de //(=f()
Li2ar %' $%&' ( "",& ) ,1! R- ( "#0
!scala' eBe x eBe y
-cm7 ;; s -cm7 =;s 9.molV6-
12. Iétodo Diferencial. 12..1. ANEO Diagrama "2 7 f/t0.
Migura 12..1.;1 Diagrama "2 7 f/t0. /Iétodo del polinomio0
CA($%t'
$%&' ( ) "& * "+, R- ( "./
!scala' eBe x - cm7 -;; s eBe y -cm7 ;.;= mol)9
12..2. ANEO 3
Migura 12..2. ;1 Diagrama 9n /6 d"2)dt0 7 f / 9n /"20 %−/ '=((''
$%&' ( ".!& ) "1 R- ( "..
!scala' eBe x eBe y
- cm7 ;.= ln/"a0 -cm7 ;.= ln/6d"a)dt0
