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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE QUIMICA E ING. QUIMICA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICO QUIMICA LABORATORIO DE FISICO QUIMICA AII CINETICA QUIMICA

Lima-Peru 1. Resumen

Esta práctica tuvo como objetivo determinar la constante de velocidad de reacción y demostrar mediante los datos obtenidos que la velocidad de reacción es de primer orden, dependiendo de la concentración del Ester a través de la hidrolisis del acetato de etilo. Las condiciones de laboratorio a la cual trabajamos fueron: Presión=756 mmHg Temperatura=22°C y porcentaje de humedad relativa= 94%. La práctica consistió en, primero, introducir un matraz con 100mL de HCl y otro con 20 mL de acetato de etilo en un termostato a 35°C , se dejaron reposar por 15 minutos, luego de los cuales se extrajo del primer matraz 5mL de HCl para valorar con NaOH previamente valorado con biftalato de potasio, luego sin retirar el matraz del termostato se repuso lo extraído con acetato y se comenzó a tomar el tiempo a partir de agregar la mitad del volumen del acetato, pasado 5 minutos se tomó 5mL de muestra y se vertió sobre aprox. 20mL de agua destilada helada y se valoró con NaOH en un baño de hielo. Después de 5 minutos más se tomó y valoro otra muestra, luego se tomó 3 muestras más con intervalos de 10 minutos cada una, luego se tomaron otras 3 muestras más con intervalos de 20 minutos y por ultimo dos muestra después de 30 minutos. Al graficar Log [Éster] vs. Tiempo mostro un comportamiento lineal, del cual se determinó la constante de velocidad igual a 𝐾 = 0.0077 𝑚𝑖𝑛−1 y un tiempo de vida media de 90 min, brindado errores porcentuales de 31.85 por defecto. Podemos concluir en que esta práctica no es muy confiable, dado al mayor porcentaje de error obtenido, puede ser que dicho error se vio alterado al valor teorico del K, o a la mala lectura en los tiempos para cada valoración.

2. Introducción

Gran parte del estudio de las reacciones químicas se ocupa de la formación de nuevas sustancias a partir de un conjunto dado de reactivos. Por lo tanto, es necesario entender la rapidez con que pueden ocurrir las reacciones químicas. La teoría de coaliciones, explica detalladamente como la concentración de un reactivo permite priorizar la velocidad a la cual puede ir una reacción. La experiencia nos dice que hay reacciones más rápidas que otras, debido a este fenómeno, debemos comprender los factores que controlan o influyen en la velocidad. De este estudio se encarga la cineteca química. Actualmente la aplicación de la cinética química se realiza en todas las actividades productivas en las que toma lugar una reacción química; por ejemplo, en la síntesis de productos básicos (ácido sulfúrico, ácido nítrico, etc.) en la refinación del petróleo y la petroquímica, en la síntesis de productos farmacéuticos, en la industria de los alimentos. Gracias también a la cinética química en la industria de las farmacias poder determinar cuanto tiempo un medicamento actúa dentro de un organismo, y a la ves podríamos determinar el tiempo de vencimiento de cada medicamento (pastillas, jarabes, pomos, etc.)

3. Principios teóricos

La cinética química es la parte de la fisicoquímica que trata de la velocidad con que suceden las reacciones, de los factores que influyen en ella y del mecanismo a través del cual los reactivos se transforman en productos

La velocidad de reacción se define también como la cantidad de sustancia que se transforma en una determinada reacción por unidad de volumen y tiempo. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tardar muchos años, pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo.

Otro ejemplo seria:

4. Detalles experimentales  Materiales: - Termostato, cronómetro, 2 matraces Erlenmeyer de 125mL, matraz de 250mL, probeta, pipetas, buretas.  Reactivos: - Acetato de etilo, fenolftaleína, biftalato de potasio, solución de ácido clorhídrico ≈0,1N, solución de hidróxido de sodio≈0,4N, agua desionizada, hielo. Procedimiento: a) Se introdujo en el termostato a 35°C un matraz con 100mL de HCl y también un segundo matraz con 20mL de acetato de etilo. b) Se dejó los matraces en el baño por unos 15 minutos y luego de este tiempo se retiró del primer matraz 5mL de HCl, con lo cual se valoró dicha solución usando el NaOH previamente valorado con biftalato de potasio. c) Se sustituyó los 5mL con acetato de etilo del segundo matraz y sin retirar el matraz se comenzó a tomar el tiempo a partir de agregar la mitad de volumen del éster, este será el tiempo cero. d) Después de unos 5 minutos se retiró 5mL de la muestra reaccionante y se vertió en un matraz con aproximadamente 30mL de agua destilada helada, al cual se le agrego fenolftaleína y se valoró con NaOH en un baño de hielo. e) Luego de otros 5 minutos se valoró otra muestra de 5mL, luego se extrajeron otras dos muestras con intervalos de 10 minutos cada una, después tres muestras con intervalos de 20 minutos y por ultimo dos extracciones cada 30 minutos.

5. Tablas de Datos Tabla N°1: Condiciones de laboratorio de trabajo. Presión (mmHg) Temperatura (°C) %Humedad relativa 756 22 94

Tabla N°2: Valoración del NaOH≈ 0,1N con biftalato de potasio. Masa de biftalato(g) 0.101

Volumen de NaOH 0.7

Normalidad 0.7065

Tabla Nº 03: Determinación de la densidad del éster a la temperatura de trabajo 

 (°C) de trabajo

35(g/mL)

1.389x10-3

35

0.8819

Tabla Nº 04: Determinación de la concentración exacta del HCl. V NaOH gastado (mL)

V HCl (mL)

Concentración de NaOH (N)

5.6

5

0.7065

Concentración exacta del HCl (mol/L) 0.706

Tabla Nº 05: Cálculo de la concentración original del éster.  ester (g/mL) 0.8819

Vol. del ester (mL) 5.0

PM ester (g/mol) 88

Vol. solución (L) 0.1

Concentración (mol/L) 0.5011

Tabla Nº 06: Determinación de la acidez total de cada solución valorada Tiempo (min)

V H2O (mL)

VNaOH (mL)

4.38

20

6

9.1

20

6.2

18.37

20

6.2

27.53

20

6.3

47.55

20

6.4

66.27

20

7

87.18

20

7.4

106.98

20

7.7

Concentración (mol/L) 0.8478 0.87606 0.87606 0.89019 0.90432 0.9891 1.04562 1.08801

Tabla Nº 07: Concentración del ácido producido y del éster sin reaccionar(final) N° muestra

C ácido producido

C éster sin reaccionar (mol/L)

(mol/L)

1

0.069275

0.431825

2

0.097535

0.40356

3

0.097535

0.403565

4

0.111665

0.389435

5

0.125795

0.375305

6

0.210575

0.290525

7

0.267095

0.234005

8

0.309485

0.191615

Tabla Nº 08: Datos para la gráfica ln(ester) vs tiempo. Ln (éster)

Tiempo (min)

-0.83973

4.38

-0.90742

9.1

-0.90742

18.37

-0.94306

27.53

-0.98002

47.55

-1.23607

66.27

-1.45241

87.18

-1.65227

106.98

Tabla Nº 09: Datos teóricos y experimentales de k y t1/2. K teórico (min-1)[3]

0.0113

K experimental (min-1)

0.0077

% error (%)

31.85%

6. Cálculos a) Hallando la concentración exacta del hidróxido de sodio que se empleó en la práctica: 𝑁𝑥𝑉 =

𝑁=

𝑚 𝑀 𝜃

0.101𝑔 𝑔 204.22 ⁄𝑚𝑜𝑙 𝑥0.7𝑥10−3 𝐿 1 𝑁𝑁𝑎𝑂𝐻 = 0.7065 𝑁

Ahora podremos a calcular la concetracion del HCl de 100ml: Para ello igualamos los equivalentes gramos del ácido y la soda cuando fueron titulados: (𝑁 × 𝑉)á𝑐𝑖𝑑𝑜 = (𝑁 × 𝑉)𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑁 × 5 𝑚𝐿 = 0.7065 𝑁 × 5.6 𝑚𝐿 𝑁𝐻𝐶𝑙 = 0.706 𝑁 Ahora pasamos a calcular la concentración del HCl en el termostato, después de sacar 5ml de este, decimos: : (𝑀 × 𝑉)1 = (𝑀 × 𝑉)2 Para la primera dilución: 0.706 𝑀 × 95 𝑚𝐿 𝑀= = 0.8195𝑀 100 𝑚𝐿

b) Determine la concentración del ácida (acidez total) de cada solución valorada. La concentración ácida se obtiene mediante la ecuación: (𝑁𝑋𝑉)á𝑐𝑖𝑑𝑜𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = (𝑁 × 𝑉)𝑏𝑎𝑠𝑒 Para la muestra 3:

𝑁𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =

0.7065𝑁×6.2𝑚𝐿 5𝑚𝐿

=0.87606 𝑁

c) Calcule la concentración original del Ester en términos de molaridad. Sabemos que la concentración está definida como el número de moles de soluto por volumen de solución, así que hacemos el siguiente arreglo: 𝑚 𝑛 𝑀 𝜌 ̅ 𝑀= = = ̅ 𝑉 𝑉 𝑀

Entonces, tenemos otra expresión de la molaridad. Ahora remplazamos la densidad del acetato de etilo a la temperatura de trabajo y su masa molar: 𝑔 0.8819 𝑚𝐿 5 𝑚𝐿 𝑀= × = 0.5011𝑀 𝑔 0.1 𝐿 88 𝑚𝑜𝑙 d) Obtenga la concentración de ácido producido ( acido acético) en cada solución y determine su equivalencia con el éster que reacciona. El ácido producido se determina por la diferencia de equivalentes gramo de la muestra en su totalidad con el número de equivalentes gramo de HCl. Entonces restamos el resultado d tenemos: por ejemplo para la muestra 3:

0.87606(𝐸𝑞 − 𝑔) − 0.87606(𝐸𝑞 − 𝑔) = 0.0975𝐸𝑞 − 𝑔

e) Determinación de la concentración del éster sin reaccionar Luego de determinar el número de Eq-g éster gastado en la formación del ácido, dicha cantidad se le resta al número de Eq-g iniciales de éster: Veamos en la muestra 3: Cester sin reaccionar = (0.5011 – 0.0.975) mol/L Cester sin reaccionar = 0.403565mol/L

f) Grafique el log de la concentración del éster versus el tiempo de reacción (en minutos) Grafica N°1 Se construyó la gráfica Ln[Éster] vs. Tiempo . La pendiente de la recta fue la siguiente: 𝑚 = −0.0077𝑚𝑖𝑛−1

El tiempo de vida media se obtuvo de la siguiente forma: ln 2 = 𝐾𝑡 𝑡1 = 2

g)

ln 2 = 90 𝑚𝑖𝑛 0.0077𝑥 𝑚𝑖𝑛−1

Cálculo del porcentaje de error

Para la constante de velocidad (0.0113 𝑚𝑖𝑛−1 − 0.0077 𝑚𝑖𝑛−1 ) %𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = × 100 = 31.85 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 0.0113 𝑚𝑖𝑛−1

7. Análisis y discusión de resultados Al graficar ln 𝐶𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟 𝑣𝑠 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 y darnos una recta con pendiente negativa, se demostró que esta experimentación se da a una velocidad de reacción de primer orden, el cual este proceso solo depende de la concentración del acetato de etilo, debido a que el agua estuvo en una cantidad en exceso el cual se mantuvo constante en cada tiempo. De la gráfica se determinó la constante k y el tiempo de vida media cuyos valores fueron 0.0077 𝑚𝑖𝑛−1 y 90 𝑚𝑖𝑛 respectivamente presentando porcentajes de error de 31.85 por defecto. Estos errores fueron debido a que no se valoró las muestras de manera rápida o demoras en la extracción de muestras del matraz haciendo que se evapore un poco de muestra para la siguiente extracción, o tal vez a la mala lectura de los tiempos y al mal valor teórico del K encontrado.

8. Conclusiones 1) La concenttracion de ester esta en una relación inversa al aumento del tiempo 2) La velocidad de reacción solo depende de la concentración del ester 3) El acido clorhidirico actua como un catalizador para la hidrolisis del acetato 4) El valor del K depende de la temperatura , el cual lo podemos demostrar con la ecuación de arhenious, con la teoría de colisiones 5) El tiempo de vida media obtenido nos permite conocer en qué tiempo transcurrido se habrá gastado la mitad de la cantidad inicial de la muestra

9. Bibliografía. [1]Maron S., Prutton C., “Fundamento de fisicoquímica”, 1ra edición, Ed. Limusa, México, 1968, págs. 558-561. [2]Castellan G., “Fisicoquímica”, 2da edición, Ed. Pearson, México, 1987, págs. 844848. [3] Nernert A. Lange / Handbook of Chemistry /10 Edición /Editorial Mac Graw Hill / New York –1961.Páginas 1675, 1309

10. Anexos. Cuestionario. 1) ¿Cuáles son algunas técnicas usadas en el estudio de la cinética de reacción? Para determinar la velocidad de una reacción química se debe conocer primero el orden de la reacción, por lo que es indispensable establecer primero el orden de reacción según cada una de las sustancias participantes en la reacción. La suma de los órdenes de reacción en términos de cada sustancia da el orden total de reacción. -Primer Método: Se crean condiciones tales que durante la reacción cambie solamente la concentración de la sustancia en cuestión, por lo que las concentraciones de las sustancias restantes deben ser suficientemente grandes para que se puede despreciar su variación con el tiempo. El orden de reacción se determina por el periodo de vida media de la sustancia. Se realizan varios experimentos partiendo cada vez de una concentración inicial de la sustancia dada, y ver cómo depende el período de vida media de la cantidad de sustancia inicial. El periodo de vida media es inversamente proporcional a la concentración de sustancia inicial elevada a una potencia igual al orden de reacción menos 1. Efectuando experimentos con cada sustancia por separado, se pueden determinar los exponentes de las concentraciones de cada sustancia. El orden total de la reacción es la suma de todos los órdenes de reacción de cada sustancia. Este método es particularmente cómodo para determinar el orden de reacciones que transcurren entre sustancias gaseosas. -Segundo método: Una determinada reacción se efectúa tomando un exceso de todas las sustancias, de modo que su concentración no varíe con el tiempo, con excepción de una. Dicha reacción se repite una segunda vez, tomando diferentes valores iniciales de las concentraciones. Se calcula el cambio de concentraciones en el tiempo. Del mismo modo se procede con las diferentes sustancias. Sumando los órdenes de reacción de todas las sustancias reaccionantes, encontraremos el orden total de reacción. El orden de reacción, con respecto a cada producto se calcula gráficamente basándose en la ecuación: 𝝏𝒄𝑨 𝒏 − = 𝒌𝒊 𝒄𝑨𝒊 𝝏𝒕 Donde ki es la constante de velocidad de reacción de la sustancia A y ni es el exponente de la concentración de la sustancia i en cuestión y determina el orden de reacción según esta sustancia. 2) Explique el concepto de energía de activación en una reacción química. La energía de activación (Ea), es la mínima cantidad de energía que se requiere para iniciar una reacción química Cuando las moléculas chocan forman un complejo activado, una especie formada temporalmente por las moléculas de los reactivos, como resultado de la colisión, antes de formar el producto. Por ejemplo:

A + B → C + D

Si los productos son más estables que los reactivos, entonces la reacción será acompañada por una liberación de calor, es decir, la reacción es exotérmica. Por otra parte, si los productos son menos estables que los reactivos, entonces la mezcla de reacción absorberá calor de los alrededores y se tendrá una reacción endotérmica. En los dos casos se hace una gráfica de energía de potencial del sistema de los reactivos y el avance de la reacción.

GRAFICOS