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• Alexis Lazaro Castro

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Departamento Académico de Ingeniería Química

“Cinética Química: Hidrolisis del Acetato de Etilo” GRUPO N°1 INTEGRANTES:

Chang López, José Antonio Corzo Chávez Nicol Huarcaya Montes Medally

DOCENTES:

Ing. Cárdenas Teodardo Ing. Paucar Karim LIMA-PERÚ 2018

Índice

Objetivos ................................................................................................................................ 3 Fundamento Teórico .............................................................................................................. 3 Datos ...................................................................................................................................... 5 Datos Experimentales: ....................................................................................................... 6 Datos Bibliográficos: ......................................................................................................... 8 Cálculos .................................................................................Error! Bookmark not defined. Discusión de resultados ........................................................................................................ 19 Conclusión.............................................................................Error! Bookmark not defined. Bibliografía .......................................................................................................................... 20 Aplicación Industrial ............................................................................................................ 20

Objetivos  Determinar la constante de velocidad de reacción del hidrolisis del acetato de etilo a nivel de laboratorio  Determinar el comportamiento de la constante de velocidad de reacción con la energía de activación y la temperatura a nivel de laboratorio, según la ecuación de Arrhenius  Estudiar y analizar la cinética de la reacción de hidrolisis de acetato de etilo (reacción inversa de la esterificación)  Elaborar y analizar gráficos de cinética de la reacción de hidrolisis de acetato de etilo, de concentración vs el tiempo y ver como se comporta según su orden de reacción Fundamento Teórico La cinética química es aquella rama de la físico-química que estudia la velocidad de reacción y sus mecanismos reacción que involucran a dicha ecuación química a analizar , a diferencia de la termodinámica que solo le importa la energía entre los reactivos y productos , en consecuencia podríamos decir la cinética química complementa a la termodinámica proporcionando información de la velocidad y mecanismo de transformación de reactantes a productos. No toda la reacción corresponde a un estudio cinética ya que hay reacción tan rápido que parecen instantáneas lo cual imposibilita determinar su velocidad de reacción, o requieren procedimientos especiales para determinar su velocidad de reacción. También existen reacciones tan lentas que ver un cambio perceptible tienes que pasar días, meses, años. En ambos casos puede haber reacciones orgánicas como inorgánicas La velocidad de una reacción depende de la naturaleza de la sustancia, temperatura y de la concentración, cada uno de estos 3 factores se puede cambiar entonces como

consecuencia cambiara la velocidad de reacción y también depende como la cambies para la velocidad de reacción aumente o disminuya con respecto al inicial. La velocidad de reacción como ya mencionamos depende 3 factores , pero al momento de expresar la velocidad este por su estequiometria va tener un orden de reacción diferente , dependiendo de los reactantes en la estequiometria , las ecuaciones de velocidad de reacion para los diferentes tipos orden de reacción son :

Donde “k” es una constante y como podemos apreciar sus unidades depende del tipo de reacción de orden de reacción que se tenga, pero de donde podemos apreciar mejor de que factores depende la contante “k” es la ecuación de Arrhenius donde “R”,”e” son constante ,”A” y”EA” depende la temperatura a cual se desarrolle la ecuación química ya que cada medición se debe desarrollar a una determinada temperatura “T” . Como ”A” es número de colisiones entonces a mayor T mayor A ,del mismo modo EA a mayor T será mas factible que la ecuación química llegue a EA y por lo tanto llegara al complejo activo , y de este modo se podrá desarrollar la ecuación química correspondiente.

Parte experimental: Procedimiento Primero utilizando añadimos 160ml de HCl a un Erlenmeyer y separamos 5ml en un vaso de precipitado para hallar la concentración del NaOH.. Después separamos otros 5ml de HCl a otro caso y titularemos NaOH y HCL con fenolftaleína y CH3COOH con el objetivo de hallar la concentración del HCL. Luego, colocar la solución ácida en un baño termostatizado haciendo uso de la pinza y el soporte. Para que después sea añadido el acetato de etilo a la solución y desde ese momento se toma el tiempo de la reacción con el cronómetro. El Erlenmeyer debe estar con su tapón y envueltas en un parafilm.Luego de estar 15 minutos en el baño termostatizado extraer 5mL de la solución y agregarle agua helada. Esta muestra luego la titularemos con NaOH en presencia de fenolftaleína. Luego repetir este procedimiento unas cuantas veces más a diferentes temperaturas.

EQUIPOS Y MATERIALES •

Baño termostático (con resistencia de calefacción)

•

Solución de acetato de etilo

•

Dos vasos precipitados de 250 mL

•

Dos vasos precipitados de 500 mL

•

Una bureta de 50 mL

•

Un cronometro

•

Un termómetro

•

Una balanza

•

Agua destilada

•

Escobilla

•

Erlenmeyer.

Baño termostático

cronometro

Datos Experimentales: Volumen gastado de NaOH para la titulación en los distintos tiempos: T= 20°C N° Prueba Tiempo de Reacción (s) Volumen de NaOH (mL) 1

951

18

2

1910

18.5

3

2825

19

4

3770

19.3

T= 27.5°C N° Prueba Tiempo de Reacción (s) Volumen de NaOH (mL) 1

660

17.7

2

1288

18.2

3

1980

19.9

4

2584

20.6

T= 40°C N° Prueba Tiempo de Reacción (s) Volumen de NaOH (mL) 1

634

17.4

2

1234

18.3

3

1844

19.3

4

2449

20

Datos Bibliográficos: Peso molecular del acetato de etilo: 88.11g/mol Densidad del acetato de etilo: 0.894 g/cm3 R= 8.314 J/mol.K

CÁLCULOS: a) Representar en forma gráfica la “concentración final del acetato de etilo” respecto al tiempo transcurrido para cada condición de temperatura. Según las consideraciones de la guía de laboratorio tenemos que la reacción de hidrolisis del acetato de etilo presenta una cinética de primer orden, por lo tanto la cinética depende de la concentración de acetato de etilo. Se tiene la siguiente ecuación: −

Resolviendo:

𝑑𝐶𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑖𝑙𝑜 = 𝑘𝐶𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑖𝑙𝑜 𝑑𝑡

𝐶𝑓 𝑑𝐶𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑖𝑙𝑜

∫𝐶

𝑖

𝐶𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑖𝑙𝑜

𝑡

= −𝑘 ∫0 𝑑𝑡

𝐶𝑓 ln ( ) = −kt 𝐶𝑖 𝑪𝒇 = 𝑪𝒊 𝒆−𝒌𝒕 Ahora se procederá a hallar la concentración inicial de acetato de etilo mediante la siguiente ecuación: [𝐂𝐇𝟑 𝐂𝐎𝐎𝐂𝟐 𝐇𝟓 ]𝐢 =

𝐧𝐚𝐜𝐭.𝐞𝐭𝐢𝐥𝐨 𝛒𝐚𝐜𝐭 .𝐞𝐭𝐢𝐥𝐨 𝐱 𝐕𝐚𝐜𝐭.𝐞𝐭𝐢𝐥𝐨 𝟏 =( ) ̅ 𝐕𝐬𝐨𝐥𝐮𝐜𝐢ó𝐧 𝐕𝐬𝐨𝐥𝐮𝐜𝐢ó𝐧 𝐌𝐚𝐜𝐭.𝐞𝐭𝐢𝐥𝐨

Reemplazando los datos: 𝐠 𝟎. 𝟖𝟗𝟒 𝐦𝐋 𝐱 𝟓 𝐦𝐋 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒎𝑳 [𝐂𝐇𝟑 𝐂𝐎𝐎𝐂𝟐 𝐇𝟓 ]𝐢 = ∗ = 𝟎. 𝟑𝟐𝟕 𝐌 𝐠 𝟏𝑳 𝟖𝟖. 𝟏𝟏 𝐱 𝟏𝟓𝟓𝐦𝐋 𝐦𝐨𝐥

(0,3273)(0,005) = 0,00163𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑖𝑙𝑜 Al inicio se tiene HCl (ac) de concentración 0.884M, pero luego de añadir los 5 mL de acetato de etilo, la nueva concentración de HCl (ac) en la solución será: [ 𝐇𝐂𝐥 ] =

(𝟎. 𝟖𝟖𝟒 𝐌)𝐱(𝟏𝟓𝟎𝐦𝐥) = 𝟎. 𝟖𝟓𝟓𝑴 𝟏𝟓𝟓 𝒎𝒍

Transcurridos los primeros 15 min hallamos las moles de HCl en la muestra de 5mL que se tomó del Erlenmeyer: 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 = (0,855𝑀)(0,005𝐿) = 0,00428 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 Ahora es necesario conocer el volumen de NaOH requerido para neutralizar esta cantidad de moles de HCl. Como la reacción es equimolar entonces se necesita la misma cantidad de moles de la base: 𝑉 𝑁𝑎𝑂𝐻 =

0,00428𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 = 0,0164𝐿 = 16.44𝑚𝑙 0,26𝑀

Los moles de ácido acético formado se obtienen del volumen de NaOH gastado en su neutralización, que se consigue restando el volumen total menos el volumen gastado para neutralizar el HCl. Para t= 951s a 20°C, se tiene: 0,00428𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 = 0,01644 𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻 0,26𝑀 0,018𝐿 − 0,01644𝐿 = 0,00156𝐿 (0,00156𝐿)(0,26𝑀) = 0,00041𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝐶00𝐻 Debido a que la reacción es equimolar, la concentración de acetato de etilo sin reaccionar se obtendrá restando las moles de ácido acético de los moles acetato de etilo inicial:

Moles restantes de acetato de etilo: 0,00163𝑚𝑜𝑙 − 0,00041𝑚𝑜𝑙 = 0,00122𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑖𝑙𝑜. Entonces la concentración de acetato de etilo para t= 951s a 20°C es: [𝐶𝐻3 𝐶00𝐶2 𝐻5 ] = 0.00122𝑚𝑜𝑙/0.005𝐿 [𝐶𝐻3 𝐶00𝐶2 𝐻5 ] = 0.245 𝑀 Análogamente se realiza el mismo cálculo para los distintos tiempos, obteniéndose la siguiente tabla: T = 20°C



Tiempo de reacción (s)

Concentración de acetato de etilo (M)

0

0.327

951

0.245

1910

0.219

2825

0.193

3770

0.177

Análogamente realizando el mismo procedimiento para los demás grupos obtenemos: T = 27.5°C Tiempo de reacción (s)

Concentración de acetato de etilo (M)

0

0.327

660

0.260

1288

0.234

1980

0.146

2584

0.110

T = 40°C Tiempo de reacción (s)

Concentración de acetato de etilo (M)

0

0.327

634

0.276

1234

0.229

1844

0.177

2449

0.141

 Graficando en Excel concentración de acetato de etilo vs tiempo se tiene: Para T= 20°C

[CH3COOC2H5] vs. Tiempo 0.35 0.3

[CH3COOC2H5]



0.25 0.2 0.15

y = -4E-05x + 0.3029 R² = 0.8921

0.1 0.05

FIGURA 1.

0 0

500

1000

1500

2000

CONCENTRACIÓN VS t

2500

Tiempo (s)

3000

3500

4000



Para T= 27.5°C

[CH3COOC2H5] vs. Tiempo 0.350000

[CH3COOC2H5]

0.300000 0.250000 0.200000 0.150000

y = -8E-05x + 0.326 R² = 0.9819

0.100000 0.050000 0.000000 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Tiempo (s)



Para T= 40°C

[CH3COOC2H5] vs. Tiempo 0.350000

[CH3COOC2H5]

0.300000 0.250000 0.200000 0.150000 0.100000

FIGURA 2.

0.050000

y = -8E-05x + 0.3251 R² = 0.9974

CONCENTRACIÓN VS t

0.000000 0

500

FIGURA 3. 1000

1500

Tiempo CONCENTRACIÓN VS (s) t

2000

2500

3000

b) Representar en forma gráfica el “Ln (Concentración final del acetato de etilo)” respecto al tiempo transcurrido para cada condición de temperatura. De la parte “a” tomamos los datos de la concentración de acetato de etilo y calculamos el Ln de este valor, obteniendo así la siguiente tabla: Para T=20°C T = 20°C Tiempo de Reacción (s)

Volumen de NaOH (mL)

Concentración acetato de etilo

Ln (Concentración de acetato de etilo)

0

16.5

0.327

-1.1178

951

18

0.245

-1.4070

1910

18.5

0.219

-1.5192

2825

19

0.193

-1.6457

3770

19.3

0.177

-1.7300

Graficando en Excel obtenemos:

Ln(CH3COOC2H5) vs. Tiempo 0.0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

-0.2

Ln[CH3COOC2H5]

-0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2

y = -0.0002x - 1.1897 R² = 0.9411

-1.4 -1.6

-1.8 -2.0

Tiempo (s)

Para los demás grupos: T = 27.5°C Tiempo de Reacción (s)

Volumen de NaOH (mL)

Concentración acetato de etilo

Ln (Concentración de acetato de etilo)

0

16.5

0.327

-1.1178

660

17.7

0.260

-1.3452

1288

18.2

0.234

-1.4504

1980

19.9

0.146

-1.9236

2584

20.6

0.110

-2.2102

Ln(CH3COOC2H5) vs. Tiempo 0.0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ln[CH3COOC2H5]

-0.5

-1.0

-1.5

y = -0.0004x - 1.0542 R² = 0.9609

-2.0

FIGURA 5. Ln (CONCENTRACIÓN AE) -2.5

VS t

Tiempo (s)

T = 40°C Tiempo de Reacción (s)

Volumen de NaOH (mL)

Concentración acetato de etilo

Ln (Concentración de acetato de etilo)

0

16.5

0.327

-1.1178

634

17.4

0.276

-1.2871

1234

18.3

0.229

-1.4728

1844

19.3

0.177

-1.7300

2449

20

0.141

-1.9598

Ln(CH3COOC2H5) vs. Tiempo 0.0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ln[CH3COOC2H5]

-0.5

-1.0

y = -0.0003x - 1.0847 R² = 0.9919

-1.5

-2.0

FIGURA 6. LN (CONCENTRACIÓN AE) -2.5

VS t

Tiempo (s)

c) Para cada temperatura y según la ecuación: 𝐋𝐧(𝐂𝐟𝐚𝐜𝐞𝐭𝐚𝐭𝐨 𝐝𝐞 𝐞𝐭𝐢𝐥𝐨 ) = 𝐋𝐧(𝐂𝐢𝐚𝐜𝐞𝐭𝐚𝐭𝐨 𝐝𝐞 𝐞𝐭𝐢𝐥𝐨 ) + 𝐤𝐭 Determine k, constante especifica de reacción de hidrolisis, use el método de mínimos cuadrados Para T= 20°C De la gráfica del inciso “b” obtenemos la ecuación por métodos de mínimos cuadrados: 𝑌 = −0.0002𝑋 − 1.1897 Comparamos con la ecuación: 𝐿𝑛 (𝐶𝑓) = 𝐿𝑛(𝐶𝑖) + 𝑘𝑡 Obteniendo así: 𝑌 = 𝐿𝑛(𝐶𝑓) 𝑘 = 0.0002 𝐿𝑛(𝐶𝑖) = −1.1897

Entonces: 𝐿𝑛(𝐶𝑓) = −0.0002𝑡 − 1.1897 𝑘 = 0.0002𝑠 −1 Para las temperaturas trabajadas:

Temperatura (ºC)

Ecuación del gráfico

k (s-1)

20

y = -0.0002x - 1.1897

0.0002

y = -0.0004x - 1.0542

27.5

0.0004

y = -0.0003x - 1.0847

40

0.0003

d) Representar en forma gráfica la constante específica k, respecto a la inversa de la Temperatura (K-1) y por el método de mínimos cuadrados determine los parámetros que definen la ecuación de Arrhenius. Dada la siguiente tabla: Temperatura (ºC) 20 27.5 40

1/T

k (s-1)

0.0500

0.0002

0.0364

0.0004

0.0250

0.0003

Obtenemos la siguiente gráfica mediante Excel:

Chart Title 0.00045 0.0004 0.00035

Axis Title

0.0003

0.00025

y = 0.0005e-17.36x R² = 0.3894

0.0002 0.00015 0.0001

0.00005 0 0.00000

0.01000

0.02000

0.03000

0.04000

0.05000

0.06000

Axis Title

Ajustamos la gráfica mediante mínimos cuadrados a una función exponencial, obteniendo así la ecuación: y = 0.0005e-17.36x Comparándola con la ecuación de Arrhenius: 𝐸𝑎

𝐾 = 𝐴. 𝑒 (−𝑅𝑇) Se obtiene: 𝐴 =0.0005 𝐸𝑎 /𝑅 = 17.36 Ea=17.36*8.314=144.33 J/mol 1 =𝑥 𝑇

Discusión de resultados • Al pasar el tiempo la concentración del acetato de etilo disminuye, por lo que va acorde a la teoría del equilibrio y velocidad de reacción. • El tiempo debe ser tomado desde que se agregaron el acetato y el HCl al agua porque recién en ese sistema comienza la hidrolisis. • Según la gráfica de la concentración final del acetato de etilo vs el tiempo, es aproximadamente una relación lineal, por lo tanto, la velocidad de reacción dependería de una sola variable, en este caso de solo de la concentración de acetato de etilo, comprobando así que la reacción es de primer orden. • Al tomar la constante específica de la reacción en relación a la inversa de la temperatura se obtiene una relación exponencial, lo que determinaría que la velocidad de la reacción está relacionada con la ecuación de Arrhenius, pues hay una dependencia de la constante específica “K” en función de la temperatura, además según la ecuación, también se indica la frecuencia de colisiones denotada con la letra “A” en la ecuación.

Conclusiones • La hidrolisis del acetato aumenta su velocidad de reacción cuando entra en contacto con el HCl es por esto que se le agrega a este experimento. • En una reacción de primer orden como la hidrólisis del acetato de etilo la cinética de una reacción depende solo de las concentraciones final e inicial de un solo reactivo. • La constante específica de velocidad de la reacción muestra una dependencia con la temperatura, es decir al aumentar la temperatura la velocidad aumenta, al igual que la frecuencia de colisiones, mostrando relación con la ecuación de Arrhenius. • La energía de activación de la cinética de la reacción está relacionada mediante la ecuación de Arrhenius.

Bibliografía

Castellan, G. (1974). Fisicoquimica. Bogota: Fondo Educativo Interamericano S.A. Lamarque, A., & Zygadlo, J. (2008). Fundamentos teorico- practico de quimica organica. Editorial Brujas. Maron, S., & Prutton, C. (1996). Fundamentos de Fisicoquimica. Mexico: Limusa.

Aplicación Industrial La importancia de los catalizadores en el sector industrial Un catalizador se define como aquel compuesto que, tras ser adicionado a una reacción, aumenta su velocidad o favorece la interacción de un proceso químico, permaneciendo inalterado debido a que no participa en la reacción. Los catalizadores tienen un amplio rango de aplicación, pues se estima que las reacciones catalíticas intervienen en un 90% de la manufactura química, y más del 20% de todos los productos industriales emplean este tipo de reacciones en sus procesos de fabricación. Las industrias como la alimentaria, química, farmacéutica y petroquímica basan gran parte de su producción en reacciones catalíticas, las cuales se han convertido en una actividad de suma importancia en sus procesos. Un ejemplo de ello es el craqueo catalítico, que es la etapa de la refinería más importante, en este punto, la adición de un catalizador orienta la reacción principal para evitar las reacciones secundarias indeseables; además, con su adición, este proceso puede realizarse a una menor temperatura en comparación con el método que se usaba en el pasado (craqueo térmico). Los catalizadores más usados para dicho fin son: óxido de aluminio, tierras absorbentes naturales, silicatos de aluminio y aluminio aleado con silicio. Todos ellos, químicamente similares entre sí. De manera general, la catálisis se clasifica en tres grandes categorías:

1) Homogénea: el catalizador utilizado es del mismo estado de agregación que los reactivos reaccionantes, este tipo de catálisis tiene un uso industrial reducido, pues solo el 20% de las reacciones catalíticas comerciales lo utilizan. 2) Enzimática: tal como su nombre lo indica, los catalizadores utilizados son enzimas, las cuales son altamente eficaces y selectivas. Dentro de esta categoría están las oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. 3) Heterogéneas: Se utiliza un catalizador que tiene una fase diferente a la de los reactivos, que por lo general son sólidos. La catálisis heterogénea es la base del 80% de todos los procesos catalíticos usados a nivel industrial. Debido a la importancia de los catalizadores en la producción industrial, existe una amplia variedad de productores y/o distribuidores de los mismos a nivel internacional. A pesar de que existen una gran variedad de compuestos catalíticos, hoy en día se realizan investigaciones para mejorarlos y diseñar nuevos productos que posean aplicaciones ambientales como, por ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales y en el tratamiento de aire contaminado; a la par, las investigaciones de la industria de los biocatalizadores está en amplio desarrollo esperando que, en un futuro no muy lejano, el sector industrial cuente con procesos más eficientes y amigables con el medio ambiente.