• Author / Uploaded
• ElioGustavoCordoba

Citation preview

T. P. NO 1: VELOCIDAD DE REACCIÓN INFORME PRESENTADO POR : DELGADO YANINA/ CÓRDOBA ELIO FECHA DE REALIZACIÓN :

27/03/2018

FECHA DE ENTREGA:

Objetivo: Estudiar la cinética de la reacción de descomposición del agua oxigenada (peróxido de hidrogeno) catalizada por Ion ioduro, determinando el orden de reacción en H2O2, en KI, y el valor de la constante específica de velocidad k a 22° C. Lo realizaremos utilizando dos métodos el del tanteo y el calculo integral.

.Procedimiento experimental: La velocidad de reacción se medirá por el volumen de gas desprendido en función del tiempo, para cada concentración inicial de peróxido de hidrógeno e ion ioduro. H 2 O2( ac)  H 2 O( ac)  O2( g ) Sobre la base de los resultados obtenidos se deducirán los valores de m y n y se calculará el valor de k en la ecuación: Velocidad de descomposición de peróxido de hidrógeno = v = k [H2O2]m [I-]n

Para medir el volumen de gas desprendido armamos un dispositivo similar la siguiente figura 1. Para el armado, se sugiere colocar la cánula unos 5 cm dentro de la bureta vacía, luego colocar ambas en el recipiente lleno de agua y por último llenar de agua la bureta utilizando una perita de goma. La bureta invertida debe estar cerrada; el nivel de agua debe estar apenas por encima de la marca de 25 mL; el extremo de la cánula debe estar dentro de la bureta para asegurarse que no se pierda el gas producido en la reacción.

Para determinar la velocidad de reacción realizaremos varias experiencias que se detallan a continuación: EXP.1 : se coloca en el tubo de reacción 4 mL de KI 0,1M y 2 mL de agua. Se agrega un buzo pequeño y sujete el tubo sobre un agitador magnético, con la velocidad de agitación prefijada en 250 r.p.m. Se comience a agitar. SE AGREGA 3 mL de agua oxigenada 1,0 M, se tapa rápidamente y mantiene la agitación siempre al mismo ritmo durante toda la experiencia. Se anota el tiempo que transcurre a medida que varía el volumen de oxígeno desprendido, realizando lecturas cada mL hasta que se hayan desprendido unos 20 mL de oxígeno. Como no es posible realizar lecturas hasta tanto el nivel del agua haya alcanzado la primera marca de la bureta (25 mL), el dato correspondiente a tiempo 0 y volumen 0 se tomará cuando el nivel del agua alcance esta primera marca.

EXP 2: Se Repite la experiencia utilizando 5 mL de KI 0,1M y 1 mL de agua agregando esta vez 3 mL de agua oxigenada 1M. EXP 3: Se Repite la experiencia utilizando 6 mL de KI 0,1M y 3 sin el agregado de agua y 3 mL de agua oxigenada 1,0M. EXP 4 : 3 mL de KI 0,1M , 3 mL de agua y 2 ml de agua oxigenada 1,0M y 3 mL de agua oxigenada 1,0M. EXP 5: 3 mL de KI 0,1M, 2 mL de agua y 4 mL de H2O2 1,0 M. Exp 6: 3 mL de KI 0,1M, 1 mL de agua y 5 mL de H2O2 1,0 M. Exp 7: 3 mL de KI 0,1M y 3 sin el agregado de agua y 6 mL de agua oxigenada 1,0M.

 Se tomó nota de la temperatura de trabajo (ambiente) 298 k.  Se calculó las concentraciones reales de H2O2 y IK empleadas en cada uno de los experimentos  Se construyó una tabla con los datos obtenidos y un gráfico que represente el volumen desprendido en función del tiempo transcurrido (Vol. O2 vs t de reacción), en nuestro caso experiencia 2.  Para cada experimento, se determinará el valor de la pendiente inicial.  En base a los experimentos en que se mantuvo constante la concentración de ioduro (EXP 4/5/6/7) y en lo que la concentración fue de agua oxigenada (EXP 1-2-3-4), se determina el orden de reacción en agua oxigenada

Resultados experimentales

VO2

Exp 2 Tiempo (seg) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

12 34 50 65 84 100 120 136 150 170 184 210 230 245 270 290 310 330 355 380

ex

V H 2O 2 Agregado ,ml

[H2O2] (M) solución madre

V KI [I-] (M) V H2O Agregado solución Agregado,ml ,ml madre

[H2O2]0 (M)

[I]0 (M)

1 2

3 3

1,0 1,0

4 5

0,1 0,1

2 1

0,333 0,333

0,044 0,055

3 4

3 3

1,0 1,0

6 3

0,1 0,1

------3

0,333 0,333

0,066 0,033

5

4

1,0

3

0,1

2

0,444

0,033

6

5

1,0

3

0,1

1

0,555

0.033

7

6

1,0

3

0,1

------

0,666

0,033

Concentraciones iniciales de cada experimento La concentración inicial de agua oxigenada, será el número de moles de agua oxigenada que tenemos en la disolución dividida por el volumen total por 1000 ml ya que la concentración será expresada en molaridad. Cálculos para [H2O2]0 (M) experiencia 2

[H2O2]0= 0,333 M

ANALOGAMENTE se calculan las otras concentraciones iniciales de [H2O2] para las otras experiencias. También obtenemos las concentraciones de [I] realizando estos cálculos.

CALCULO DE MOLES DE OXIGENO Como el oxigeno es un gas los números de moles se pueden calcular con la ecuación de gases ideales, como datos tenemos el volumen desprendido del gas (lo leemos en la bureta) la temperatura de laboratorio 22 °C (295 K) , la constante de gases 0.082 atmosfera litro / Kelvin mol. Moles en un volumen inicial de 1 ml = 1 x 10-3 litros

PV = N  R T  N =

P  V 1atm 110 3 l  K  mol =4,09. 10-5moles de oxigeno  N T 0.082  298K  atm  l

Calculo de moles de agua oxigenada que reaccionan. Estos moles los relacionamos con los moles de oxigeno presentes en la bureta. Teniendo en cuenta la reacción química vemos que en ell 2 moles de H 2O2 se descomponen para dar un mol de O2

2H2O2 (AC)

I-

2H2O (l) + O2 (g)

1mol....de...O2 4,09 10 5...moles...O2 4,09 10 5 moles...O2  2mol....H 2O2    8,18 10 5 mol...H 2O2 2mol....H 2O2 mples...H 2O2 mol...O2

Calculo de moles de agua oxigenada sin reaccionar según la exp. 1, 2,3 y 4 Como utilizamos 3 ml de una solución 1 M de H2O2 la cantidad de moles sin reaccionar inicial de agua oxigenada es 3 ml x 1 mol / 1000 ml = 3x10 - 3 moles Moles H 2 O 2 (sin reaccionar)=moles H 2 O 2 (o) – moles H 2 O 2 reaccionan Moles H 2 O 2 (sin reaccionar)=3x10 - 3 -8,18x10 - 5 =2,92x10 - 3

Conversión de volumen de oxigeno (cm3) en [H2O2] (M) para cada experiencia Experiencia 1, 2, 3 y 4: VOLUMEN

MOLES O2

O2 (litro) 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016 0,017

0

MOLES H2O2

MOLES H2O2

[H2O2]

CONSUMIDOS

SIN REACCIONAR

REMANENTES (M)

0 -5

4,09 x 10

-5

8,18 x 10

-04

1,23 x10

-04

1,64 x10

-04

2,05 x10

-04

2,45 x10

-04

2,86 x10

-04

3,27 x10

-04

3,68 x10

-04

4,50 x10

-04

4,91 x10

-04

5,32 x10

-04

5,73 x10

-04

6,14 x10

-04

6,55 x10

-04

6,96 x10

-04

-03

0,330

-03

0,321

-03

0,312

-03

0,303

-03

0,294

-03

0,285

-03

0,276

-03

0,267

-03

0,258

-03

0,249

-03

0,231

-03

0,222

-03

0,213

-03

0,204

-03

0,195

-03

0,186

-03

0,177

-03

3,00 x 10 -5

8,18 x 10

-04

1,64 x10

-04

2,45 x10

-04

3,27 x10

-04

4,09 x10

-04

4,91 x10

-04

5,73 x10

-04

6,55 x10

-04

7,36 x10

-04

9,00 x10

-04

9,82 x10

-03

1,06 x10

-03

1,15 x10

-03

1,23 x10

-03

1,31 x10

-03

1,39 x10

-03

2,92 x 10

2,84 x 10 2,75 x 10 2,67 x 10 2,59 x 10

2,51 x 10 2,43 x 10 2,35 x 10 2,26 x 10

2,10 x 10 2,02 x 10 1,94 x 10 1,85 x 10 1,77 x 10 1,69 x 10 1,61 x 10

0,018

7,36 x10

1,47 x10

1,53 x 10

0,168

0,019

7,77 x10-04

1,55 x10-03

1,45 x 10-03

0,159

-04

-03

-03

0,150

0,02

8,18 x10

1,64 x10

1,36 x 10

GRAFICO EXPERIENCIA 2

[H2O2] M EN FUNCION DEL TIEMPO (sg) 0,35 0,3

[H2O2] M

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

TIEMPO (sg)

VELOCIDAD DE REACCION exp 2 Punto A = (12 ; 0,321)

m

Punto B = (65 ; 0,294)

(0,294  0.321) M  0,027 M   5,094 10 4 (65  12) sg 53sg

Reacción química

2H2O2 (AC)

I-

2H2O

(l)

+ O2 (g)

1  H 2 O2  1  0.294  0.321  4 velocidad          2,547 10 2  t  2  65  12 

ANALOGAMENTE se calculan las otras velocidades de las demás experiencias

Experiencia nro 1 2 3 4 5 6 7

Pendiente calculada -4,355 x 10-4 -5,398 x 10-4 -6,750 x 10-4 -3,012 x 10-4 -4,660 x 10-4 -5,743 x 10-4 -7,655 x 10-4

Velocidad inicial 2,177 x 10-4 2,699 x 10-4 3,375 x 10-4 1,506 x 10-4 2,330 x 10-4 2,871 x 10-4 3,827 x 10-4

Calculo de los órdenes de reacción y el valor de la constante de velocidad EXP

v0 (M/sg)

[H2O2]0 M

[I-]0 M

1 2 3 4 5 6 7

2,177 x 10-4 2,699 x 10-4 3,375 x 10-4 1,506 x 10-4 2,330 x 10-4 2,871 x 10-4 3,827 x 10-4

0,333 0,333 0,333 0,333 0,444 0,555 0,666

0,044 0,055 0,066 0,033 0,033 0,033 0,033

Velocidad = k [H2O2]m x [I-]

n

Dónde:  K = constante de velocidad, (la unidad es M/s)  m= orden de reacción con respecto a la concentración de peróxido de hidrógeno  n = orden de reacción con respecto a la concentración del ión yoduro  El orden global de reacción, es la suma de los órdenes parciales: Orden global = m + n Cálculos por el método del tanteo Si a [I-]0 lo tomamos como constante tenemos las experiencias 4 a 7, y suponemos que el orden de reacción m =1, al graficar velocidad inicial en función de la concentración de agua oxigenada obtendríamos una recta Velocidad = k´x [H2O2]m

con

k´= k x [I-]

n

Graficamos v0 vs [H2O2]1

0,00045 0,0004

[VELOCIDAD] M/sg

0,00035 0,0003 0,00025 0,0002 0,00015 0,0001 0,00005 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

[H2O2] M

Se observa, una tendencia lineal en el grafico, donde se puede entonces afirmar que el exponente m es aproximadamente cercano a 1. CALCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA Tomamos los puntos PA = (0,333 ; 1,506 x 10-4)

m

PB = (0,666 ; 3,827 x 10-4 )

(3,827.10 4  1,506.10 4 )M / sg 2,318.10 4 M   7 10 4 (0,666  0,333)M 0,333Msg

El valor de la pendiente corresponde a k´ Si a lo [H2O2]0 tomamos como constante tenemos las experiencias 1 a 4 Velocidad = k”x [I-]

n

con

k”= k x [H2O2]m

Suponemos que el orden de reacción n =1, al graficar velocidad inicial en función de la concentración de agua oxigenada obtendríamos una recta

0,0004 0,00035 0,0003 0,00025 0,0002 0,00015 0,0001 0,00005 0 0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

Se observa, una tendencia lineal en el grafico, donde se puede entonces afirmar que el exponente n es aproximadamente cercano a 1.

CALCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA Tomamos los puntos PA = (0,033 ; 1,506 x 10-4)

m

PB = (0,066 ; 3,375 x 10-4 )

(3,375.10 4  1,506.10 4 )M / sg 1,869.10 4 M   5,663 10 3 (0,066  0,033)M 0,033Msg

El valor de la pendiente corresponde a k” Calculo de la constante k k´= k x [I-]

1

k”= k x [H2O2]1

k = k´/ [I-]

1

= 7. 10-4 / 0,033 = 0,021

k = k” / [H2O2]1 = 5,663 . 10-3/0,333 = 0,017

k promedio =0.021+0.017/ 2 = 0.019

Calculo de los órdenes de reacción y el valor de la constante de velocidad por el método integral. Velocidad = k [H2O2]m x [I-]

n

Otra forma de rescribir la ecuación consiste en aplicar logaritmos del lado derecho de la igualdad como también del izquierdo; lo podemos realizar y reescribir la ecuación de la siguiente forma: Log Velocidad = log k +m log [H2O2]0 + n log [I-]0

Cuadro de logaritmo de velocidades iniciales de las experiencias y concentraciones iniciales de agua oxigenada e yoduro EXP Log v0 (M/sg) Log [H2O2]0 M Log [I-]0 M 1 2 3 4 5 6 7

Log Log Log Log Log Log Log

2,177 x 10-4 = -3,662 2,699 x 10-4 = -3,569 3,375 x 10-4 = -3,472 1,506 x 10-4 = -3,822 2,330 x 10-4 = -3,633 2,871 x 10-4 = -3,542 3,827 x 10-4 = -3,417

Log 0,333 = Log 0,333 = Log 0,333 = Log 0,333 = Log 0,444 = Log 0,555 = Log 0,666 =

-0,477 -0,477 -0,477 -0,477 -0,353 -0,256 -0,176

Log 0,044 = Log 0,055 = Log 0,066 = Log 0,033 = Log 0,033 = Log 0,033 = Log 0,033 =

-1,356 -1,259 -1,180 -1,481 -1,481 -1,481 -1,481

Si a [I-]0 lo tomamos como constante tenemos las experiencias 4 a 7

Log Velocidad = log k´ +m log [H2O2]0

con

k´= k x [I-]

n

Esta ecuación tiene la forma de una recta y = mx + b , donde y es el Log de velocidad, la pendiente es m , x es Log [H2O2]0 y la intercesión con el eje y, b = log k´.

Graficamos Log v0 vs Log [H2O2]0

-3,35 -0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

-3,4

log [velocidad] INICIAL

-3,45

0

y = 1,3086x - 3,1906

-3,5 -3,55 -3,6 -3,65 -3,7 -3,75 -3,8 -3,85 log [H2O2] INICIAL

Tomamos los puntos PA = (-0,176; -3,417)

PB = (-0,477; -3,822)

CALCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA

 3,822  3,417  1 entonces como la pendiente es igual al orden de reacción este  0,477  0,176 tiene un valor de 1 (m=1) pendiente 

Del grafico (realizado en Excel) obtenemos la ecuación de la recta en la cual la ordenada al origen es -3,1906 por lo tanto

k´= 10-3,1906 = 6,448 x 10-4

log k´= -3,1906

Si a lo [H2O2]0 tomamos como constante tenemos las experiencias 1 a 4

Log Velocidad = log k” +n log [I-]0

con

k´= k” x [H2O2]m

Esta ecuación tiene la forma de una recta y = mx + b , donde y es el Log de velocidad, la pendiente es n , x es Log [I-]0 y la intercesión con el eje y, b = log k”.

Graficamos Log v0 vs. Log [I-]0 -3,45 -1,6

-1,4

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

LOG [VELOCIDAD] INICIAL

-3,5 -3,55 -3,6 -3,65 -3,7 -3,75

y = 1,146x - 2,1197

-3,8 -3,85 LOG [I ] INICIAL

Obtenemos luego de realizar el grafico con la línea recta de tendencia (realizada en Excel) la ecuación de ecuación de la recta, de ella inferimos que el orden de reacción n = 1 y k” = -2,1197

k”= 10-2,1197 = 7,591 x 10-3

log k”= -2,1197

Calculo de la constante k k´= k x [I-]

1

k”= k x [H2O2]1

k = k´/ [I-]

1

= 6,448 x 10-4 / 0,033 = 0,019

k = k” / [H2O2]1 =7,591 x 10-3 /0,333 = 0,023

k promedio =0.019+0.023/ 2 = 0.021

Conclusiones 1. se encontró experimentalmente que el orden global de la reacción de descomposición del peroxido de hidrogeno, catalizado por el Ion yoduro, es 2. 2. los parámetros cinéticos de la ecuación de ley de velocidad, nos indican que la potencia a la cual esta elevado el factor de concentración para el Ion yoduro es 1. y la potencia a la cual esta elevado el factor de concentración del peroxido de hidrogeno también es 1. 3. la constante cinética k, se reporta como 0.019 (M/sg), por el método del tanteo, y 0,023 por el método integral. Estos valores son aproximados a los bibliográficos el cual es de 0,0219 (M/sg) 4. Se considera que los métodos de análisis de datos utilizados en el desarrollo de esta experiencia son aceptables. En el método de tanteo se presentan desviaciones principalmente en el calculo de la constante k, esto puede ser devido a la manipulación para obtener los resultados experimentales.. en cuanto al método integral presenta un buen desempeño , se puede considerar el mejor método para estimar los ordenes de reacción y el valor de la constante k.

Bibliografía H. Scott Fogler, Elementos de ingeniería de las reacciones químicas, Cuarta ed., Rubén Fuerte Rivera, Ed. D.F., México: Pearson Educación, 2008. Fisicoquímica David W. Ball, Ciencias ingeniarías, Thomson Editores, México DF ,2004