UNIVERSIDAD M MA YOR D DE S SAN S SIMON FACULTAD D DE C CIENCIAS Y T TECNOLOGIA ING. Q QUIMICA
Mater ia: a: Labor ator io d de R Reactor es III Docente: Ing. Docente: Ing. López Bernardo
Estudiantes:
Ay A Fer nandez K Kather ine Ayala F A Vivian Almar az Quir oga V Car tagena O Or tiz C Claudia Calizaya C Cr uz C Car la Y Yolanda
Grupo: # 2
Cochabamba - Bolivia
SAPONIFICACION DEL ACETATO DE ETILO 1. INTRODUCCION Una cinetica que caracteriza a la velocidad de reaccion y su forma puede provenir de consideraciones teoricas o ser simplemente el resultado de un procedimiento empirico de ajuste de curvas. En ambos casos, el valor de los coeficientes cineticos de la ecuacion solamente puede determinarse por via experimental, ya que en la actualidad resultan inadecuados los modelos de prediccion. Una reacción química, cambio químico o fenómeno químico, es todo proceso termodinámico en el cual una o más sustancias (llamadas reactantes), por efecto de un factor energético, se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces, en otras sustancias llamadas productos. Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro de forma natural, o una cinta de magnesio al colocarla en una llama se convierte en óxido de magnesio, como un ejemplo de reacción inducida. A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones químicas. Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según cambien las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total. 2. OBJETIVO 2.1 OBJETIVO GENERAL Estudiar la reaccion de saponificacion de acetato de etilo. 2.2 OBJETIVO ESPECIFICO - Realizar tratamientos de datos cineticos mediante el metodo integral y metodo diferencial empleando como sistema la reaccion de saponificacion del acetato de etilo. - Aplicar en tratamiento de datos experimentales los metodos matematicos señalados, para la determinacion del orden de reaccion, la contante de velocidad y el tiempo de vida media. - Definir la exactitud o aproximacion de cada metodo, mediante la comparacion de los resultados obtenidos con respecto a los datos teoricos existentes.
3. MARCO TEORICO El término jabón se aplica a las sales de sodio o potasio de varios ácidos grasos, especialmente oleico, esteárico, palmítico, laúrico y mirístico. Las principales materias primas para la fabricación del jabón son el sebo y las grasas. También se consumen grandes cantidades de otros productos químicos, especialmente sosa caústica, carbonato sódico y potasa caústica, así como silicato de sodio, bicarbonato sódico y fosfato trisódico. La reacción química básica para la fabricación del jabón es la saponificación: 3 NaOH + (C 17H35COO)3C3H5
3 C17H35COONa + C 3H5(OH)3
Aunque en estas reacciones aparezcan derivados del ácido esteárico, éstos se podrían sustituir por los de los ácidos oleico, laúrico o por los de algunos constituyentes ácidos de grasas. El procedimiento industrial consiste en descomponer o hidrolizar la grasa y neutralizar los ácidos grasos con una solución de sosa caústica después de una separación de la glicerina: (C17H35COO)3C3H5 + H2O C17H35COOH + NaOH
3 C17H35COOH + C3H5(OH)3 C 17H35COONa + H2O
En esta práctica se efectuará el estudio cinético de la reacción de saponificación del acetato de etilo con sosa. La reacción de saponificación del acetato de etilo es una reacción irreversible que puede representarse del siguiente modo: CH3-COO-CH2-CH3 + NaOH
CH3-COONa + CH3-CH2OH
La reacción de saponificación se realiza en exceso de acetato de etilo. Por lo tanto, la concentración de acetato de etilo puede suponerse constante durante la reacción. Entonces, la velocidad a la que se realiza este proceso va a depender únicamente de la concentración de NaOH en el medio de reacción. (-r A) = k C mAcet CnNaOH = k’ C nNaOH
k’ = k C mAcet.
El mecanismo de la saponificación del acetato de etilo con NaOH diluido en fase acuosa puede representarse por el siguiente esquema de reacciones: El ión hidróxido ataca al carbonilo del éster formando un intermedio tetraédrico. Cuando se regenera el grupo carbonilo se produce la eliminación del ión alcóxido y se forma un ácido carboxílico. Una rápida transferencia de protón forma el carboxilato y el alcohol. Este último paso desplaza los dos equilibrios anteriores del proceso de saponificación hacia su terminación, haciendo que el proceso sea irreversible. La reacción global resulta por tanto un proceso netamente monodireccional, con una primera etapa lenta de equilibrio, y una cinética de primer orden respecto a cada uno de los reactivos o de segundo orden global. Puede simplificarse la nomenclatura de la siguiente forma: AcEt + NaOH → AcNa + EtOH
o, para su estudio cinético, A + B → Productos
Metodo integral:
Este método se basa en suponer diferentes órdenes de reacción, es decir, suponer distintos valores de n e integrar la ecuación. Si los valores experimentales se ajustan a la función obtenida de la integral, el orden de reacción supuesto será el correcto y del ajuste a la función se podrá calcular el valor de la constante cinética. Por ejemplo, para n = 1, la ecuación tomará la siguiente forma: - dC A/dt =k Cn A =kC1 A La ecuación diferencial obtenida es una ecuación diferencial de variables separadas. Integrada con los límites de integración: t = 0
CA = CA0 , t = t ∴ CA = CA, se obtiene:
∴
ln C Ao/C A =k t
De este modo, se van probando diferentes órdenes de reacción, eligiendo aquél en el que los datos experimentales se ajusten mejor a la función integrada.
Figura 1 Aplicación del método integral para ecuaciones cinéticas de primer orden
Para n = 2, la ecuación toma la siguiente forma: - dC A/dt =k Cn A =kC2 A Separando variables e integrando, con los mismos límites de integración que en el caso anterior, se obtiene: 1/C A - 1/C Ao = k t Si al representar frente al tiempo los datos experimentales obtenidos, según esta ecuación, se obtiene una recta que pase por el origen de coordenadas, la ecuación cinética para este proceso corresponderá a una ecuación cinética de segundo orden, y el valor de la constante cinética será el de la pendiente de la recta obtenida.
Figura 2 Aplicación del método integral para ecuaciones cinéticas de segundo orden
Metodo Diferencial:
Para la aplicación del método diferencial es necesario conocer valores de velocidad de reacción (-rA) con el tiempo, es decir, datos diferenciales. Si los datos experimentales de los que se parte son de tipo integral (CA – t) es necesario obtener, a partir de estos datos por diferenciación gráfica o numérica, valores de velocidad de reacción. La velocidad de reacción puede calcularse en función del incremento de concentración frente al incremento del tiempo si estos incrementos son suficientemente pequeños. - r A = -dC A/dt = - ΔC A/Δt De esta forma, se puede calcular una velocidad media de reacción para un intervalo de concentraciones. Esto permite linealizar la ecuación cinética y ajustar los datos obtenidos a una línea recta, en la que la pendiente corresponda al orden de reacción y la ordenada en el origen al valor del logaritmo neperiano de la constante cinética, de acuerdo a la Figura 3.
ln(-r A) = ln k + n ln C A
Figura 3 Aplicación del método diferencial
4. MATERIALES Y REACTIVOS - 2 matraces aforados de 100 ml - 1 bureta de 25 ml - 2 vasos precipitados de 250 ml - 2 matraces erlenmeyer de 100 ml - 1 termometro - 1 cronometro - acido clorhidrico concentrado
- hidroxido de sodio - acetato de etilo - fenoftaleina - agua destilada 5. DESARROLLO EXPERIMENTAL - Preparar 100 ml de solucion 0.3 M de NaOH - Preparar 100 ml de solucion 0.3 M de acetato de etilo - Preparar y valorar 100ml de la solucion de concentracion 0.2 M de HCl y aforar en una bureta con solucion de HCl 0.2 M - Tomar 50 ml de acetato de etilo con una probeta y agregarlos a un vaso de precipitados de 250 ml que servira como reactor. - Adicionar 2 o 3 gotas de fenoftaleina al vaso de precipitado - Adicionar 50 ml de NaOH al reactor e inmediatamente proseguir con el siguiente paso - Tomar una alicuota de 10 ml del sistema, adicionarlos a un matraz erlenmeyer y titular con HCl 0.2 M - Repetir el anterior paso cada 3 minutos (tomar 10 lecturas)
Acetato de Etilo
NaOH
Fenolftalei
50 mL NaOH
50 mL Acetal
HCl
Titula
0.2M
Incolor
6. CALCULOS Y RESULTADOS Soluciones: * 50ml de 0.2 M HCl: 50 ml sol HCl * ( 0.2 mol HCl/1000 ml sol HCl )* ( 36.46 g HCl / 1 mol HCl ) * (100 g sol HCl / 36.5 g HCl ) * ( 1 ml sol HCl / 1.19 g sol HCl ) = 0.839 ml sol HCl * 50ml de 0.3 M NaOH: 50 ml sol NaOH * ( 0.3 mol NaOH / 1000 ml sol NaOH) * (40 g NaOH / 1 mol NaOH) = 0.6 g NaOH * 50 ml de 0.3 M Acetato de Etilo: ( 0.89 g sol Ac. etilo / ml sol Ac. etilo ) * (99.8 g Ac etilo / 100 g sol Ac. etilo) * (1 mol Ac. etilo / 93 g Ac. etilo) * (1000 ml sol Ac. etilo / 1 L sol Ac. etilo) = 10.093 M Ac. etilo 50 ml * 0.3 M / 10.093 M = 1.5 ml Ac. etilo Cacetato de etilo = C Ao = 0.3 M CNaOH = CBo = 0.3 M T = 24 oC A + B
productos
En el punto de equivalencia: moles de acido = moles de base VHCl * CHCl = VNaOH * CNaOH CNaOH = (VHCl * CHCl ) / VNaOH CNaOH = (VHCl * 0.2 [mol/ L] ) / 10 [ml]
Tabla de datos experimentales Corrida
Tiempo (minutos)
Volumen HCl (ml)
Concentracion NaOH (M)
1
3
1.9
0.038
2
6
1.6
0.032
3
9
1.3
0.026
4
12
1.1
0.022
5
15
0.8
0.016
6
18
0.7
0.014
7
21
0.6
0.012
8
24
0.5
0.01
9
27
0.3
0.006
10
30
0.2
0.004
METODO INTEGRAL
Podemos expresar la velocidad de reaccion como: -r B = -d CB/d t = k Cα A CβB CB = CBo (1-XB) derivando: d C B = - CBo d XB reemplazando: -r B = CBo d XB / dt = k Cα A CβB -r B = CBo d XB / dt = k C 2βB
suponiendo orden de reaccion n= 1 = 2β -r B = CBo d XB / dt = k CB -r B = CBo d XB / dt = k CBo (1-XB) integrando: - ln (1- X B) = k t
tiempo (minutos)
XB
- ln ( 1-X B)
3
0.873
2.063
6
0.893
2.235
9
0.913
2.442
12
0.927
2.617
15
0.947
2.937
18
0.953
3.058
21
0.96
3.219
24
0.967
3.411
27
0.98
3.912
30
0.987
4.343
- ln (1-X B) 5,000 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 0
2
Y=B*X Y = 1.174545 + 0.10495 * X r 2= 0.912828 B = k = 0.10495 n=1
4
6
8
10
12
tiempo
Tiempo de vida media (t 1/2)
- d CB/ d t = k C1 B - d CB/ C1 B = k d t integrando: CBO/2 = 0.3/2
t = t 1/2
CBO = 0.3
t=0
t1/2 = 6.60455 minutos
METODO DIFERENCIAL
Partiendo de la ecuación cinética: -r B = -d CB/d t = k Cα A CβB - r B = - dCB/dt =k C2βB 2β = n = orden de reaccion
- r B = - dCB /dt =k CnB
integrando: ln (-r B) = ln k + n ln C B
t (min)
CB (M)
dCB/dt
(-rB)
ln(CB)
ln(-rB)
3
0.038
-0.087
0.087
-3.27
-2.442
6
0.032
-0.002
0.002
-3.442
-6.215
9
0.026
-0.002
0.002
-3.65
-6.215
12
0.022
-0.0013
0.0013
-3.817
-6.645
15
0.016
-0.002
0.002
-4.135
-6.215
18
0.014
-0.00067
0.00067
-4.269
-7.308
21
0.012
-0.00067
0.00067
-4.423
-7.308
24
0.01
-0.00067
0.00067
-4.605
-7.308
27
0.006
-0.0013
0.0013
-5.116
-6.645
30
0.004
-0.00067
0.00067
-5.521
-7.308
ln(CB) 0 0
2
4
6
8
-1,000 -2,000 -3,000 -4,000 -5,000 -6,000
ln(-r B) = ln k + n ln C B Y=A+BX Y = -0.21168 + 1.4505 X k = exp A = 0.8092 B = n = 1.4505 r 2 = 0.886823
Tiempo de vida media (t 1/2) - d CB/ d t = k C1.45 B - d CB/ C1.45 B = k d t integrando: CBO/2 = 0.3/2
t = t 1/2
CBO = 0.3
t=0
t1/2 = 0.77762 minutos
ln(-rB)
Comparacion de resultados:
Metodo
Variable orden de reaccion Constante tiempo medio
literal n k t 1/2
integral 1 0.10495 6.60455
diferencial 1.4505 0.8092 0.77762
unidades C 1-n t-1 min
7. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES - En la práctica se realizo la saponificación de acetato de etilo, y con los datos experimentales obtenidos se determinaron los datos cinéticos de la reacción, por dos métodos, el integral y el diferencial. - Los resultados obtenidos fueron los siguientes: Por método integral, la contante cinética de la reacción es 0.10495, y el orden de reacción es 1, y el tiempo de vida media (t 1/2) es 6.60455 min. Por el método diferencial, la contante cinética de la reacción es 0.8092, y el orden de reacción es 1.4505, y el tiempo de vida media (t 1/2) es 0.77762 min. - Los dos métodos matemáticos para la determinación de los datos cinéticos son muy utiles, pero se observo que los resultados varian un poco utilizando uno u otro método.
8. BIBLIOGRAFIA http://ocw.upm.es/ingenieria-quimica/ingenieria-de-la-reaccionquimica/contenidos/OCW/PR/practica1.pdf http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/IRQCineticasald ediazonio2006.pdf
