Práctica 2. Energía de Activación

Universidad Central del Ecuador Facultad de Ingeniería Química Carrera de Ingeniería Química

Laboratorio de Ingeniería de las Reacciones I PRÁCTICA No. 2 “ENERGÍA DE ACTIVACIÓN”

Semestre: Séptimo

Grupo No: 1

Paul Sebastian Vallejo Posso

Quito – Ecuador 2017

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA PRÁCTICAS DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS I

RESUMEN Estudio del efecto de un cambio de temperatura sobre la constante de velocidad y cálculo de la energía de activación a partir de los datos de constante de velocidad y temperatura. Se hidrolizó una sustancia con la presencia de una base fuerte y catalizador, se realizó a una temperatura determinada previa estabilización en un baño térmico; se mezcló ácido con la sustancia reactiva, se mide tiempos para tomar una muestra y realizar una titulación con base fuerte, se toma los valores de volumen utilizados para los cálculos respectivos. Se obtuvo valores de volumen consumido de la sustancia titulante, datos de la sustancia reactiva como su peso molecular y su masa para su procesamiento con fórmulas y conseguir valores cuantitativos de velocidad de reacción, constante de velocidad y de energía de activación. Concluyendo que la temperatura ejerce un efecto directo a la constante de velocidad, y de igual forma a la velocidad de reacción, por lo que un aumento de temperatura elevará la velocidad a la que se produce una reacción.

PALABRAS CLAVE CONSTANTE_DE_VELOCIDAD/ENERGIA_DE_ACTIVACION/TEMPERATURA/VELOC IDAD_DE_REACCION/


PRÁCTICA #2 ENE RGÍ A DE ACTIVACIÓN RESUMEN PALABRAS CLAVE 1. OBJETIVOS 1.1. Estudiar el efecto de un cambio de temperatura sobre la constante de velocidad. 1.2. Calcular la energía de activación a partir de los datos de constante de velocidad y temperatura.

2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. MA TE RI AL E S Y EQUI POS 2.1.1.Vasos de precipitación 2.1.2.Cronómetro 2.1.3.Jeringuilla 2.1.4.Bureta 2.1.5.Agitador 2.1.6.Soporte Universal. 2.1.7.Baño María 2.1.8.Balón de Aforo 2.1.9.Matraz Erlenmeyer 2.2. SUSTANCI AS Y RE ACTI VOS 2.2.1.Agua destilada 2.2.2.Hidróxido de sodio 2.2.3.Ácido clorhídrico 2.2.4.Fenolftaleína 2.2.5.Hielo 2.2.6.Acetato de etilo

R:(0-100) mL (A20mL) R:(0-999) s (A0.01s) R:(0-25) mL

(A0.05mL)

R:(0-250) °C (A1 °C) R:(0-100) mL (A0.400mL) R:(0-500) mL (A50mL)

H2O(l) NaOH(ac) HCl(ac) C20H14O4(ac) H2O(s) C4H8O2(ac)

0,2 N 0,5 N

2.3. PROCEDIMIENTO 2.3.1.Se llevará a cabo la hidrólisis del acetato de metilo, catalizada por hidrogeniones, a tres temperaturas diferentes de 25º, 35º y 45º C. 2.3.2.Añadir en un frasco Erlenmeyer 100 ml de ácido clorhídrico 1N y colocarlo en el baño a la temperatura elegida y que ésta sea constante. 2.3.3.Colocar también en el baño al mismo tiempo un matraz con acetato de metilo. 2.3.4.Dejar que alcancen el equilibrio térmico 2.3.5.Pipetear 5 ml del éster dentro del ácido. Anotar el tiempo al mezclarlos. 2.3.6.Para analizar, tomar muestras de 5 ml de la mezcla de reacción, de acuerdo con el programa de tiempos que se dará más adelante. 2.3.7.Verter estas muestras en vasos de precipitación que contengan 60 ml de agua-hielo. 2.3.8.Adicionar 1 gota de indicador de Fenolftaleína y proceder a titular con Hidróxido de sodio (0,2 N) hasta que la solución se torne de color púrpura. Anotar el volumen utilizado de NaOH en cada medición; recordar que a medida que transcurra el tiempo las cantidades de base requeridas para titular muestras de la mezcla de


reacción de igual volumen aumentarán ya que a medida que transcurre la reacción se forma ácido acético. 2.3.9.Para la determinación a 25ºC, 35ºC y 45º C, la primera muestra debe tomarse al cabo de cinco minutos. Las siguientes muestras se toman a intervalos de diez minutos durante la primera media hora y cada media hora durante las dos horas siguientes.

3. DATOS 3.1. DATOS EXPERI MENTALES Tabla. 3.1-1 Cantidad de Acetato utilizada

Sustancia

mAo, g

C 4H 8O 2

4,66

Tabla 3.1-2 Volúmenes utilizados Sustancia

V, ml

C 4H 8O2

5

HCl

100

Tabla 3.1-3 Datos de titulación a T 1=25º C

N

t, min.

VNaOH, ml.

1

5

5.6

2

10

5.7

3

15

5.8

4

---

---

…..

…..

---



N

t, min.

VNaOH, ml.

1

5

4.0

2

10

4.3

3

15

4.7

4

---

---

…..

…..

---


N

t, min.

VNaOH, ml.

1

5

3.4

2

10

3.7

3

15

4.1

4

---

---

…..

…..

---

3.2. DATOS ADI CI ONALE S Tabla. 3.2-1 Peso molecular del Acetato de etilo

Sustancia

MA, g/mol

C4H8O2

88

4. REACCIÓN

     +   →      +

Ec. 4-1


5. CÁLCULOS 5.1. Cálculo de la concentración inicial del acetato de metilo (CAo). n Ao

m Ao 

M A

Ec. 5.1-1

  = 4.66  88   = 0.0529  V TOTAL

 V Ao  V HCl

Ec. 5.1-2

 = 5  +100   = 105  C Ao



n Ao V TOTAL

Ec. 5.1-3

  = 0.0529 105   = 5.0433∗10−    = 0.5043   5.2. Cálculo para la T1=25º C 5.2.1. Cálculo de la concentración del ácido acético formado a los distintos tiempos. N C

N NaOH V NaOH 

V MUESTRA

Ec. 5.2.1-1

N C = [ Eq-g / l ]  transformar a M (mol/L)

 =  ∗  .  =   = .  = .  

Ec. 5.2.1-2


Calculo Modelo

 ∗.  .   = .   = .   Tabla 5.2.1 Concentración del CH3COOH

N

NC

M=CC, mol/L

1

0.224

2

0.228

3

0.232

....

---

---

5.2.2. Cálculo de la concentración de acetato de metilo remanente a los distintos tiempos.

C Af



C Ao



C c

Cálculo Modelo

  = 0.5043  0.224    = 0.2803   Tabla 5.2.2 Concentración del CH 3COOCH 3 remanente

N

CAf = CA, mol/L

1

0.2803

2

0.2763

3

0.2723

....

---

Ec. 5.2.2-1


Nota: Con estas concentraciones calcular la velocidad de reacción, es decir, con respecto al acetato de metilo.

5.2.3. Cálculo de la velocidad de reacción y la constante cinética.

Como la concentración del H2O es mucho mayor que la concentración del acetato de metilo, la reacción sigue la ecuación de velocidad de primer orden.

 dC  n  r A    A   K C A  dt 

Ec. 5.2.3-1

 dC   r A    A   K C A  dt 

Ec. 5.2.3-2

CA

dC A

CAo

C A



 K 

t

dt

Ec. 5.2.3-3

kt

Ec. 5.2.3-4

0

ln C A



ln C Ao

 

ln C A



ln C Ao



kt

Realizar el diagrama: ln C A  f (t ) (Ver Anexo 2) 

   mt  b

ln C A

En donde: b = ln(CA) m= -k k = -m (constante cinética)

  ln  =    0.3043 ln0.5043 =  300  = 0.680 ( ∗)

Ec. 5.2.3-5


Tabla 5.2.3 Velocidad y constante de reacción n

k

-rA=kCA

1

0.680

0.1907

2

0.682

0.1885

3

0.683

0.1860

5.3. Cálculo para la T2=35º C 5.3.1. Cálculo de la concentración del ácido acético formado a los distintos tiempos. N C

N NaOH V NaOH 

V MUESTRA

Ec. 5.3.1-1

N C = [ Eq-g / l ]  transformar a M (mol/L)

 =  ∗  .  =   = .  = .   Calculo Modelo

 ∗.  .   = .   = .  

Ec. 5.3.1-2


Tabla 5.3.1 Concentración del CH3COOH

N

NC

M=CC, mol/L

1

0.160

0.160

2

0.172

0.172

3

0.188

0.188

....

---

---


C Af



C Ao



C c

Ec. 5.3.2-1

Cálculo Modelo

  = 0.5043  0.160    = 0.3443   Tabla 5.3.2 Concentración del CH 3COOCH 3 remanente

N

CAf = CA, mol/L

1

0.3443

2

0.3323

3

0.3163

....

---

Nota: Con estas concentraciones calcular la velocidad de reacción, es decir, con respecto al acetato de metilo.

5.3.3. Cálculo de la velocidad de reacción y la constante cinética.



 dC  n  r A    A   K C A  dt 

Ec. 5.3.3-1

 dC   r A    A   K C A  dt 

Ec. 5.3.3-2

CA

dC A

CAo

C A



ln C A



ln C A



 K 

t

dt

Ec. 5.3.3-3

kt

Ec. 5.3.3-4

0

ln C Ao ln C Ao

 



Ec. 5.3.3-5

kt

Realizar el diagrama: ln C A  f (t ) (Ver Anexo 3) 

   mt  b

ln C A


  ln  =    0.3443 ln0.5043 =  300  = 0.6810 ( ∗) Tabla 5.3.3 Velocidad y constante de reacción n

k

-rA=kCA

1

0.6810

0.2345

2

0.6827

0.2269

3

0.6833

0.2161


5.4. Cálculo para la T2=45º C 5.4.1. Cálculo de la concentración del ácido acético formado a los distintos tiempos. N C

N NaOH V NaOH 

Ec. 5.4.1-1

V MUESTRA

N C= [ Eq-g / l ]  transformar a M (mol/L)

 =  ∗  .  =   = .  = .    ∗.  .   = .   = . 

Calculo Modelo

Ec. 5.4.1-2

Tabla 5.3.1 Concentración del CH3COOH

N

NC

M=CC, mol/L

1

0.136

0.136

2

0.148

0.148

3

0.164

0.164

....

---

---


C Af

Cálculo Modelo



C Ao



C c

  = 0.5043  0.136    = 0.3683  

Ec. 5.4.2-1


Tabla 5.4.2 Concentración del CH 3COOCH 3 remanente

N

CAf = CA, mol/L

1

0.3683

2

0.3563

3

0.3403

....

---

Nota: Con estas concentraciones calcular la velocidad de reacción, es decir, con respecto al acetato de metilo. 5.4.3. Cálculo de la velocidad de reacción y la constante cinética.


 dC  n  r A    A   K C A  dt   dC   r A    A   K C A  dt  CA

dC A

CAo

C A



ln C A



ln C A



 K 

ln C Ao ln C Ao

t

Ec. 5.4.3-2

dt

Ec. 5.4.3-3

kt

Ec. 5.4.3-4 Ec. 5.4.3-5

0







kt

Realizar el diagrama: ln C A  f (t ) (Ver Anexo _ _ _) 

   mt  b

ln C A


Ec. 5.4.3-1

  ln  =    0.3683 ln0.5043 =  300  = 0.6813( ∗)


Tabla 5.4.3 Velocidad y constante de reacción n

k

-rA=kCA

1

0.6813

0.2509

2

0.6829

0.2433

3

0.6834

0.2326

5.5. Cálculo de la energía de activación. E

k  A  e



Ec. 5.5-1

RT

E 1    ln  A    

ln k

Realizar el diagrama:

ln

ln

R  T 

Ec. 5.5-2

1 k   f    (Ver Anexo 4)

 T 

1 k   p    q

 T 

En donde: q = ln(A) p = -E/R E = -(q)*(R) (constante cinética) q = pendiente de la grafica R = 8,314 J/(mol * º K) Método gráfico

 = ..  =∗   = .  ∗. ∗   = .   =    = .

Ec. 5.5-3


 = .   = .  

6. RESULTADOS

Tabla 6-1 Cinética a T 1 = 25º C

CA,

N

t, min.

mol/L

1

5

0.2803

-1.27189

2

10

0.2763

-1.28627

3

15

0.2723

-1.30085

ln(CA)

n



k, [  ]



-rA, [ ∗ ] 0.1907

0.2

0.6820

0.1886 0.1860


CA,

N

t, min.

mol/L

1

5

0.3443

-1.06624

2

10

0.3323

-1.10172

3

15

0.3163

-1.15106

ln(CA)

N



k, [  ]



-rA, [ ∗ ] 0.2345

0.2

0.6824

0.2269 0.2161



CA,

N

t, min.

mol/L

1

5

0.3683

-0.99886

2

10

0.3563

-1.03198

3

15

0.3403

-1.07793

ln(CA)



k, [  ]

N



-rA, [ ∗ ] 0.2509

0.2

0.6825

0.2433 0.2326

Tabla 6-4 Energía de activación 1/T,



1/º C

k, [  ]

ln(K)

25

0.040

0.6820

-0.3828

35

0.029

0.6824

-0.3822

45

0.022

0.6825

-0.3820

T, º C

A,

 

0.6905

E,

 

30.6146

7. DISCUSION En la presente práctica se procedió a utilizar el método cuantitativo para el procesamiento de los datos experimentales, los cuales nos permiten obtener los valores de velocidad de reacción para el experimento dado, por lo que el método usado es válido. Durante el desarrollo de las experimentaciones se presentaron errores de tipo aleatorio y sistemático, los cuales afectaron los resultados esperados en esta práctica; se tiene un error de tipo sistemático como lo es la definición de la temperatura de calentamiento en el baño maría, se debe asegurar que la temperatura de la reacción se uniforme durante todo el tiempo, lo cual es muy difícil controlar; se tiene que la apreciación de los volúmenes de titulación es variable, depende del observador que realice ese procesos, esto es un error de tipo aleatorio que afecta a nuestra práctica; además se presenta una demora en la toma de muestra de la solución y su tratamiento para la titulación, lo que influye en gran medida a la reacción que se da lugar en el reactor, se debe realizar de manera rápida el muestreo y la titulación para obtener datos fiables. Se recomienda para futuras experimentaciones, que se realicen de manera rápida y precisa las etapas del proceso y que se mantenga la temperatura del reactor constante, para asegurar que la reacción se dé en condiciones óptimas.

8. CONCLUSIONES 8.1. Concluimos que la temperatura tiene un efecto muy grande sobre la velocidad de reacción, de acuerdo a las tablas de resultados 6-1,6-2 y 6-3 se puede observar que la


concentración decrece con el tiempo, con lo que se verifica que la reacción se está efectuando. Al incrementar la temperatura vemos que la velocidad de reacción tiene un valor más alto, por lo que su influencia es comprobada de manera experimental. 8.2. Mediante cálculos y con un análisis de los resultados de la tabla 6-4, tenemos que la energía de activación para esta reacción es igual para cada temperatura experimental. Por lo que, vemos que el valor de la constante de velocidad de la ecuación de Arrhenius es el mismo para cada caso, siendo así, que para esta reacción la energía de activación será de 30.61 J/mol, valor para este intervalo de temperaturas, por lo que el aumento de la temperatura no es suficiente para una variación significativa de la velocidad de reacción. 8.3. Vemos en las gráficas de los anexos 2-3-4 que la relación de los logaritmos de la concentración del ácido acético en función del tiempo, es una relación lineal; por lo que concluimos que a medida que sucede la reacción con el tiempo, esta reacción de primer orden, decrece su concentración de manera proporcional al avance del tiempo. 8.4. Mediante un análisis de la gráfica del anexo 5, vemos que su factor R es de 0.9415, lo que nos da una relación no muy precisa de los datos experimentales con una recta teórica; esto se debe a la desviación experimental propio de la ejecución del ensayo, por lo que concluimos que la temperatura y las concentraciones de las soluciones usadas son determinantes para el cálculo de la velocidad de reacción y de la energía de activación.

9.

APLICACIONES  Utilización de catalizadores en procesos de interés industrial La mayoría de los procesos industriales utilizan catalizadores sólidos. Estos sólidos, de composición altamente compleja (en ocasiones llegan a tener 10 o más elementos en su fórmula), pueden ser sin embargo descritos en forma de tres componentes elementales: la fase activa, el soporte y el promotor. La fase activa, como su nombre lo indica, es la directamente responsable de la actividad catalítica. Esta fase activa puede ser una sola fase química o un conjunto de ellas, sin embargo, se caracteriza porque ella sola puede llevar a cabo la reacción en las condiciones establecidas. Sin embargo, esta fase activa puede tener un costo muy elevado, como en el caso de los metales nobles (platino, paladio, rodio, etc.) o puede ser muy sensible a la temperatura (caso de los sulfuros de molibdeno y cobalto), por lo cual se requiere de un soporte para dispersarla, estabilizarla y proporcionarle buenas propiedades mecánicas. El soporte es la matriz sobre la cual se deposita la fase activa y el que permite optimizar sus propiedades catalíticas. Este soporte puede ser poroso y por lo tanto presentar un área superficial por gramo elevada. El promotor es aquella sustancia que incorporada a la fase activa o al soporte en pequeñas proporciones, permite mejorar las características de un catalizador en cualquiera de sus funciones de actividad, selectividad o estabilidad. (Sánchez & otros, sf.) 

Industria Alimentaria Los procesos utilizados en la industria alimentaria , es un factor importante en la condiciones de vida y en soluciones que nos permitan preservar los alimentos en largos periodos utilizando adecuadamente la aplicación de sustancias químicas en nuestros alimentos tales como la congelación , el enfriamiento ,pasteurización, secado, ahumado y otros . (Garófalo & Ramírez, 2002)



Recubrimientos electrolíticos


Los procesos de recubrimientos electrolíticos o químicos consisten en depositar por vía electroquímica finas capas de metal sobre la superficie de una pieza sumergida en una solución de iones metálicos o electrolito. En este proceso se usan productos químicos relativamente puros, sales y metales, de forma que durante la operación se depositan completamente los metales empleados sobre las piezas. La deposición de un determinado metal puede obtenerse a partir de baños o electrolitos de diferente composición. Las propiedades específicas de los recubrimientos dependen de los componentes del electrolito utilizado. La calidad de recubrimiento exigida para un campo de aplicación específico, sólo puede cumplirse manteniendo unas condiciones de trabajo constantes y definidas y realizando un seguimiento exhaustivo de los mismos. La estabilidad a largo plazo de los electrolitos, de gran importancia para minimizar la generación de baños electrolíticos contaminados a tratar, requiere un seguimiento continuo de concentraciones de los compuestos básicos, las condiciones físicas y las contaminaciones orgánicas e inorgánicas. Así mismo, hacen necesario un mantenimiento y una limpieza del baño para eliminar partículas y sustancias contaminantes. (Barroso & otros, 2010) 

Industria Textil La mayoría de los tintes naturales requieren de ciertos fijadores o asistentes para poder teñir, estas substancias son denominadas mordientes, mismas que pueden ser de origen natural o químico, las cuales facilitan la fijación del tinte a la fibra, además funcionan como elementos de uniformidad y brillo de color. El mordentado puede realizarse antes o después del teñido e implica generalmente agregar el mordiente en agua caliente junto con la fibra que puede estar o no teñida. Entre las comunidades indígenas andinas, fueron trabajados los mordientes naturales, utilizaron el término “enjebar” que era l a acción de

aplicar el mordiente a los hilos y tejidos, antes de recibir el baño de tintura. Los mordientes y los tintes naturales han estado estrechamente unidos; con el descubrimiento de las sales de alumbre en las plantas, es el caso de los líquenes y los musgos, de las sales de hierro encontradas en barros y en las raíces como en la lengua de vaca Rumex, el hombre preparó sus hilos. A medida que se fueron usando estas plantas como tintes, se encontró que tenían propiedades que hacían permanente el color y se fueron añadiendo a otros tintes por sus buenas cualidades. (Kohai, sf.)

10. ANEXOS 10.1. Diagrama del equipo (Ver Anexo 1) 10.2. Diagrama a T1 10.2.1. Diagrama ln(CA)=f(T) (Ver Anexo 2) 10.3. Diagrama a T2 10.3.1. Diagrama ln(CA)=f(T) (Ver Anexo 3) 10.4. Diagrama a T3 10.4.1. Diagrama ln(CA)=f(T) (Ver Anexo 4) 10.5. Diagrama ln(k)=f(1/T) (Ver Anexo 5) 11. BIBLIOGRAFIA  Sánchez & otros, (sf.), Física y Química Aplicaciones Didácticas, Editorial MAD, 1ra Edición, España. Garófalo & Ramirez, (2002), Cinética Homogénea: Energía de Activación, Universidad  Central del Ecuador, Ecuador. Barroso & otros, (2010), Introducción al conocimiento de los materiales y sus  aplicaciones, Universidad Nacional de Educación a Distancia Madrid, España

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA PRÁCTICAS DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS I 

Kohai, R., (05 Noviembre 2008), Tintes naturales para teñir fibras/tejidos naturales [Entrada de Blog], Estados Unidos.

12. CUESTIONARIO 12.1. La regla práctica de que la velocidad de reacción se duplica con incremento de 10º C en la temperatura solo ocurre a una temperatura específica para una energía de activación dada. a) Deduzca una reacción entre la temperatura y la energía de activación para la cual se cumpla la regla práctica. Haga caso omiso de cualquier variación de la concentración con la temperatura. Reacción de un hidrocarburo con el oxígeno, en combustión, para que llegue a inflamarse este debe llegar a tener la energía suficiente para superar la barrera de su punto de ignición, por lo cual se incrementara la temperatura para suministrar más cantidad de energía para que se dé la reacción.

 + ∆→  + 

Ec.12.1-1

b) Determine la energía de activación y el factor de frecuencia a partir de estos datos: Tabla 12.2-1 k, min-1

0,001

0,05

T, ºC

0

100

Tabla 12.2-2 Datos Transformados de tabla 12.2-1 k, s-1 T, K

0.0008333 273.15

0.0000166 373.15

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Ec.12.1-1

Ec.12.1-2

Práctica 2. Energía de Activación

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