Laboratorio de Fisicoquimica II- Cinetica Quimica

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

Facultad de Ingeniería Química

LABORATORIO N°8: CINETICA QUIMICA I! OB"ETI#O$: Determinar la “K” de la velocidad de una reacción química de primer orden, ya sea son catalizador, con catalizador y con catalizador y promotor.

II! FUN%AMENTO TEORICO: Cinética Química Química - tiene que ver con la rapidez de la reacción química y el estudio de los factores que determinan o controlan la rapidez de un cambio químico tales como: la naturaleza de los reactivos o productos, concentración concentración de las especies que reaccionan, el efecto de la temperatura, la naturaleza del medio de reacción y la presencia de agentes catalíticos. Para entender los diferentes pasos o procesos elementales (i.e. ( i.e. cómo cómo ocurren las reacciones a nivel atómicomolecu molecula lar) r) a travs travs de los los cuales cuales los los reacti reactivos vos se convie convierte rten n en produ producto ctos s debemos estudiar los mecanismos de reacción.

Mecanismo de reacción reacción - es la serie de pasos elementales a travs de los cual cuales es los los reac reacti tivo vos s se conv convie iert rten en en prod produc ucto tos. s. !na !na vez vez se cono conoce ce el mecanismo de una reacción podemos controlar las condiciones óptimas para la reacci reacción ón y obten obtener er una mayor mayor cantid cantidad ad de produ producto ctos s en menor menor tiempo tiempo.. "l mecanismo de una reacción representa lo que nosotros creemos (#ipótesis) que ocurre a nivel atómico molecular, la serie de transformaciones al nivel atómico molecular y se postula en base a los resultados de e$perimentos donde se #a determinado como afectan los diferentes factores la rapidez de la reacción. %a estequiometria estequiometria de la reacción es siempre muc#o m&s sencilla que el mecanismo y no nos dice nada sobre ste. "'emplo:

2 H2(g) + O2(g) º 2 H2O(l ) Para esta reacción se postula los mecanismos siguientes: siguientes:

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA FISICOQUIMICA - II



ada reacción ocurre en un solo paso al nivel molecular y donde aparecen envueltas especies intermedias reactivas como , *, * y * + que no aparecen en la ecuación química balanceada.

Molecularidad - nmero de molculas, (radicales, &tomos yó iones) envueltos en cada acto molecular individual que resulte en la transformación de reactivos a productos. ebe ser un nmero entero positivo. "s un concepto teórico: uni, bi, ter ó trimolecular.

Ley de rapidez de reacción - e$presión matem&tica que relaciona el cambio en concentración de un reactivo o producto por unidad de tiempo y que se determina e$perimentalmente. /iempre tiene un valor positivo y es proporcional a la concentración.

Constante específica de rapidez, k -es la constante de proporcionalidad entre la rapidez de reacción e$perimental y las concentraciones elevadas a e$ponentes dados y es función de temperatura, agente catalítico e independiente de concentración.



Facultad de Ingeniería Química Orden de reacción - e$ponente de cada concentración en la e$presión de la ley de rapidez, a, b, g ... (no e$iste relación sencilla entre los coeficientes estequiomtricos y los órdenes de reacción).

Orden total de reacción - suma de los órdenes individuales: a 0 b 0 g ...., puede ser positivo, negativo, fracción ó cero.

DETERMINACIÓN DE LA LEY DE RAPIDEZ

Podemos determinar la ley de rapidez de reacción por un e$perimento donde se mida el cambio en concentración de una especie como función de tiempo. /i la especie es un reactivo (1), la concentración del mismo disminuye con el tiempo y si la especie es un producto (P), la concentración aumenta con el tiempo.

Podemos tambin determinar la rapidez de la reacción en un tiempo dado de la pendiente de la tangente de la curva de concentración contra tiempo. Ejemplo: Para la reacción C2H5I º C2H4 + HI




"l cambio en concentración del reactivo es negativo porque desaparece y por esto la rapidez de desaparición se e$presa:

/i se e$presa en trminos de los productos el cambio en concentración es positivo y la rapidez se e$presaría como:

y debido a la estequiometria de la reacción las rapideces son equivalentes y las dos ecuaciones anteriores se pueden igualar.

/i la reacción tiene especies con estequiometrias no equivalentes como por e'emplo:

2N2O5



4NO2 + O2

"ntonces,




ya que por cada mol de 2 +*3 que desaparece, se forman dos de 2* + y 4 de *+. A. Determinación del orden de reacción 1. Método de rapidez inicial (Método diferencial de an!t "off ) - se #acen una serie de e$perimentos donde la concentración inicial del reactivo se varía y se observa como varía la rapidez de la reacción. Ejemplo: nA A º n B B 5ueremos determinar el orden de la reacción con respecto al reactivo 6. Para eso variamos la concentración de la especie y observamos la relación con la rapidez.

"$perimen to ;

7689, olarida d 

(r9);

+

+

(r9)+

"ntonces la razón tendr& un valor dependiente del valor de n.




2. Método de aislación - para dos o m&s reactivos, uno de los reactivos se varía sistem&ticamente manteniendo la concentración de los otros reactivos constante y observando como varía la rapidez de reacción. Ejemplo:

2NO(g) + B 2(g) º 2NOB (g)

Para la reacción: "$perimento

72*89, 

7
;

9.;

9.;

;+

+

9.;

9.+

+=

>

9.;

9.>

>?

=

9.+

9.;

=@

3

9.>

9.;

;9@

Para evaluar

"ntonces la ley de rapidez es:

6unque por casualidad los coeficientes estequiomtricos en esta reacción son iguales a los órdenes, no #ay una relación directa entre los coeficientes estequiometricos de la ecuación química balanceada y los ordenes con respecto a cada reactivo. "l nico caso cuando e$iste una relación directa entre el orden y el coeficiente estequiomtrico es cuando la reacción ocurre en un solo paso ( i.e. reactivos se convierten en productos en un solo paso)



Facultad de Ingeniería Química %a constante se evala usando uno de los e$perimentos, usando todos y evaluando un promedio o llevando a gr&fica el log r 0 contra el log de la concentración inicial cuando #ay suficientes datos para #acerlo.

3. Método gráfico de rapidez integrada -usando el c&lculo integral las leyes de rapidez tienen una ecuación específica dependiendo del orden de la reacción para reacciones del tipo:

a. Orden cero, n # $ (/eparando variables e integrando)

b. Orden uno, n # % (usando el mismo mtodo de separación de variables e integración)

c. Orden dos, n # &




!n e'emplo de las gr&ficas de las tres ecuaciones lineares se presenta en la figura a continuación

O!"n #"$

O!"n %n$

III! MATERIALE$& EQUI'O$ ( REACTI#O$:


O!"n !$&



I#! 'ROCE%IMIENTO E)'ERIMENTAL: SIN C!"I#D$%& ♣

'n

un

matraz,

se

per ó xidode hidrogeno ( H 2 O2 )

a(re(a

)*m"

de

, lue(o a+adiremos, a(ua un

volumen de * m". ♣

'nse(uida e-traeremos * m" de la muestra cada / minutos para asi determinar el volumen con la titulación con el

♣

permanganato de potasio ( KMnO 4 ) ,

'n una 0ureta con perman(anato de potasio, y un 0aso precipitado a(re(aremos la muestra con *m" de H 2 S O4

diluido, los cuales

muestra que se desea con el

nos ayudaran a titular la KMnO 4

, cada / minutos.

Con C!"I#D$%& FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA FISICOQUIMICA - II


Facultad de Ingeniería Química ♣

'n un matraz, se a(re(a )*m" de peró-ido de 1idro(eno, lue(o a+adiremos *ml de un catalizador que para nuestro caso usaremos el 2eCl  /,/*N.

♣

'nse(uida e-traeremos * m" de la muestra cada / minutos para asi determinar el volumen con la titulación con el perman(anato de potasio.

♣

'n una 0ureta con perman(anato de potasio, y un vaso precipitado a(re(aremos la muestra con *m" de H 2 S O 4 acido sul34rico diluido, el cual nos ayudaran a titular la muestra que se desea 5unto perman(anato de potasio cada / minutos.

del

Con C!"I#D$%& ♣

'n un matraz, se a(re(a )*m" de peró-ido de 1idro(eno, lue(o a+adiremos *ml de un catalizador que para nuestro caso usaremos el 2eCl  /,/*N.

♣

'nse(uida e-traeremos * m" de la muestra cada / minutos para asi determinar el volumen con la titulación con el perman(anato de potasio.

♣

'n una 0ureta con perman(anato de potasio, y un vaso precipitado a(re(aremos la muestra con *m" de acido H 2 S O4 sul34rico diluido, el cual nos ayudaran a titular la muestra que se desea 5unto del perman(anato de potasio cada / minutos.

#! CALCULO$: $IN CATALI*A%OR: !I'67$ 8minutos9 + -+ /+ 1+ ,0+

:$";6'N 8m"9 ,-. ,-,-0 ,-+ ,01

'ara 2allar la 3ariaci4n de la c5ncentraci4n c5n re67ect5 del tiem75: $aem56: ln [ A ] = ln [ AO ] −ln K



Facultad de Ingeniería Química y =b −mx V muestra=5 mL



Para t=0

θ=1 del H 2 O 2

entonces N=M

N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL) = ( 0.02 N ) ( 13.5 mL) 2

2

N H O = 0,054 N 2



2

Para t=30 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL) = ( 0.02 N ) ( 13.3 mL) 2

2

N H

2 O2



= 0,0532 N

Para t=60 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL) = ( 0.02 N ) ( 13.2 mL) 2

2

N H O = 0,0528 N 2



2

Para t=90 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL)= ( 0.02 N ) ( 13.0 mL ) 2

2

N H

2 O2



= 0,052 N

Para t=120 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL) = ( 0.02 N ) ( 12.9 mL) 2

2

N H O = 0,0516 N 2

Hallando

2

y = ln [ H 2 O2 ]



Facultad de Ingeniería Química ln [ H 2 O2 ]

T(minutos)

-2.918 -2.933 -2.9!12 -2.9"6" -2.96!2

0 30 60 90 120

#r$%camente&

De la (ra-/ =?min=. 7or lo tanto&

−m= K =3.79 x 10−4 min−1

CON CATALI*A%OR: Se tomaron los si(uientes datos e-perimentales& FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA FISICOQUIMICA - II



!I'67$ 8minutos9 + -+ /+ 1+

:$";6'N 8m"9 ,,9 , , +1

7ara 1allar la variación de la concentración con respecto del tiempo& $aem56: ln [ A ] = ln [ AO ] −ln K y =b −mx V muestra=5 mL



Para t=0

θ=1 del H 2 O 2

entonces N=M

N H

2 O2

N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

( 5 mL)= ( 0.02 N ) ( 11.7 mL) N H O = 0,0468 N 2



2

Para t=30 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL)= ( 0.02 N ) ( 4.1 mL) 2

2

N H

2 O2



= 0,0164 N

Para t=60 N H

2 O2

N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

( 5 mL)= ( 0.02 N ) (1.4 mL) N H O = 0,0056 N 2



2

Para t=90 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL)= ( 0.02 N ) ( 0.9 mL ) 2

2



Facultad de Ingeniería Química N H O = 0,0036 N 2

Hallando

2

y = ln [ H 2 O2 ] ln [ H 2 O2 ]

T(minutos)

-3.0619 -!.110" -".18" -".6268

0 30 60 90

#r$%camente&

'e la ra%ca se determina la endiente *ue es iual a - 0.0292min -1. Por lo tanto&

−m= K =0.0292 min−1




CON CATALI*A%OR ( 'ROMOTOR Se tomaron los si(uientes datos e-perimentales& !I'67$ 8minutos9 + -+ /+ 1+ ,0+

:$";6'N 8m"9 ,-/ /1 -9 0 ,/

7ara 1allar la variación de la concentración con respecto del tiempo& Sa0emos& ln [ A ] = ln [ AO ] −ln K y =b −mx V muestra=5 mL



Para t=0

θ=1 del H 2 O 2

entonces N=M

N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL )= ( 0.02 N ) ( 13.6 mL ) 2

2

N H O = 0,0544 N 2



2

Para t=30 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL)= ( 0.02 N ) ( 6.9 mL ) 2

2

N H

= 0,0276 N

2 O2



Facultad de Ingeniería Química 

Para t=60 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL)= ( 0.02 N ) ( 3.7 mL ) 2

2

N H O = 0,0148 N 2



2

Para t=90 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL)= ( 0.02 N ) ( 2.4 mL) 2

2

= 0,0096 N

N H

2 O2



Para t=120 N H

2 O2

= N

V muestra

KMnO 4

V KMnO

4

N H O ( 5 mL)= ( 0.02 N ) ( 1.6 mL ) 2

2

N H O = 0,0064 N 2

Hallando

2

y = ln [ H 2 O2 ]

ln [ H 2 O2 ]

T(minutos)

-2.911! -3."899 -!.2131 -!.6"6 -".0"1"

0 30 60 90 120

#r$%camente&




'e la ra%ca se determina la endiente *ue es iual a -0.018min -1. Por lo tanto&

−m= K =0.0178 min−1

#! CONCLU$IONE$: "n esta pr&ctica nos pudimos dar cuenta de que al cambiar los diferentes factores que intervienen en una reacción química como los catalizadores o concentración se puede acelerar o reducir la velocidad de una reacción, como se ve en los gr&ficos. %a rapidez de las reacciones químicas abarca escalas de tiempo muy amplias, es por eso que a veces se utiliza catalizadores, que no se consumen durante la reacción.

#I! RECOMEN%ACIONE$:



Facultad de Ingeniería Química •

/e tiene que medir bien la cantidad de reactivo que desaparece o producto que se forma en un determinado tiempo para que se pueda medir con menos error la velocidad de reacción.

•

"n la titulación de la muestra con el

KMnO4

,

se debe de agregar este ltimo gota a gota #asta que cambie de color la muestra, y cada gota que se agrega mover la muestra.

#II! BIBLIO;RAFIA: •

P.A. 6BCD2/, Eisicoquímica, *mega,

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