Cinética-Q - hidrolisis de acetato de etilo PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOFacultad de Estudios Superiores CuautitlánQuímica IndustrialLaboratorio de Cinética Química.Reporte de LaboratorioACTIVIDAD EXPERIMENTAL No.Cinética de hidrólisis de acetato de etilo.Profesor:Graciela Martínez CruzGrupo: 1551 ASemestre: 2021-IIntegrantes del eq...

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán Química Industrial Laboratorio de Cinética Química. Reporte de Laboratorio ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No.1 Cinética de hidrólisis de acetato de etilo. Profesor: Graciela Martínez Cruz

Grupo: 1551 A

Semestre: 2021-I

Integrantes del equipo: Arana Méndez Carolina González Guadarrama Juan Pablo Melendez Javier Aylin Fernanda

Introducción La cinética química constituye aquella parte de la Fisicoquímica que se ocupa del estudio de la velocidad con que transcurren las reacciones químicas, así como de los factores que influyen sobre las mismas. De entre estos factores, los más interesantes son la concentración y la temperatura. La velocidad de reacción se define como la variación de la concentración de reactivos o productos que toman parte en la reacción, con el tiempo. En una reacción del tipo:

La velocidad de reacción se puede expresar, indistintamente, como “velocidad de desaparición de uno de los reactivos” o “velocidad de formación de uno de los productos”, por:

El signo negativo indica que la concentración de los reactivos disminuye con el tiempo. Para que la velocidad de reacción sea independiente del componente usado para definirla, se debe tener en cuenta su coeficiente estequiométrico. De esta manera, es posible definir una única velocidad de reacción, teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, por:

En algunas reacciones la velocidad resulta proporcional a las concentraciones de los reactivos elevadas a una potencia. Así, si la velocidad es directamente proporcional a la primera potencia de la concentración de un solo reactivo, se dice que la reacción es de primer orden. El término segundo orden se aplica a dos tipos de reacciones, aquellas cuya velocidad es proporcional al cuadrado de una sola concentración y a aquellas otras cuya velocidad es proporcional al producto de la primera potencia de dos concentraciones de diferentes reactivos. Se conocen también reacciones de órdenes superiores. Esta situación se generaliza como sigue: si la velocidad de una reacción es proporcional a la potencia α de la concentración de un reactivo A, a la potencia β de la concentración de un reactivo B, etc.:

se denomina orden de la reacción a la suma de exponentes α+β+γ+... El orden de una reacción tiene, por lo tanto, un sentido eminentemente práctico.

La constante de velocidad o velocidad específica es aquella constante de proporcionalidad k puesta en juego en la relación anterior. Es característica de la reacción a la temperatura del medio reaccionante y resulta numéricamente igual a la velocidad de reacción cuando las concentraciones de los reactivos son toda la unidad. Sus unidades se deducen de la ecuación cinética y varían con el orden de reacción. Medida de las velocidades de reacción. Para medir la velocidad de reacción, es necesario determinar la concentración de un reactivo o de un producto en función del tiempo y mantener la reacción a temperatura constante.

En general, la hidrolisis de éster se produce de la siguiente manera:

Que para el acetato de metilo quedaría:

Esta reacción es muy lenta en agua pura, pero está catalizada por ácidos fuertes. El orden de reacción respecto al acetato de metilo se puede determinar siguiendo la evolución de la reacción mediante valoraciones periódicas del ácido acético formado usando una base fuerte.

Objetivos académicos ⮚ Estudiar el mecanismo de hidrólisis básica del acetato de etilo ⮚ Utilizar el método integral gráfico ⮚ Seguir el avance de reacción a través de medidas de pH

Objetivos de la química verde ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ ⮚

Minimización de residuos (1). Factor de eficiencia en volumen 0.010 Economía atómica alta (2), 100% Experimento con sustancias de toxicidad reducida (3) Residuos con toxicidad reducida (4) Eliminación de sustancias auxiliares (5) Disminución del consumo energético (6) No fue necesaria la formación de grupos de bloqueo (8) Residuos biodegradables (10) Monitoreo en tiempo real del proceso (11) Minimización del riesgo potencial de accidentes químicos (12)

Materiales

✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔

1 tubo de ensaye de 113 mm por 23 mm 1 soporte universal con pinzas 1 cronómetro 2 pipetas volumétricas de 5 mL 1 pipetas volumétricas de 1 mL 2 vasos de precipitados de 10 mL 1 piseta 1 barra de agitación magnética 1 termómetro 1 vaso de precipitados de 600 mL 1 potenciómetro con electrodo de vidrio 1 parrilla con agitación magnética

✔ 5 mL de disolución 0.2 M de hidróxido de sodio ✔ 5 mL de disolución 0.2 M de acetato de etilo, recién preparada

Resultados Tiempo

pH

Tiempo

pH

15 s

12.94

7 min

12.27

30 s

12.89

10 min

12.15

1 min

12.8

12 min

12.09

1.5 min

12.17

14 min

12.01

2 min

12.67

16 min

11.99

3 min

12.57

18 min

11.93

5 min

12.4

20 min

11.87

Tabla 1.1 Resultados de pH en función del tiempo de reacción.

pH vs Tiempo 13.2 13 12.8

f(x) = 0 x² − 0.1 x + 12.9 R² = 0.99

12.6 12.4 12.2 12 11.8 11.6 11.4 11.2

0

5

10

15

20

25

Gráfico 1. Curva polinómica de pH en función del tiempo.

Análisis de Resultados Como se muestra en el gráfico 1, el pH en función del tiempo tiene un comportamiento polinómico, considerando la ecuación polinómica es posible determinar el valor de pH a tiempo cero mediante una estimación para el valor en la señal del instrumento (potenciómetro) o simplemente tomando el valor de la ordenada al origen. Dada la ecuación: 2

ŷ =0.0027 x −0.1033 x +12.896 Es de suponer que el valor del tiempo “x” es igual a 0. Entonces se determina ŷ: 2

ŷ=0.0027 (0) −0.1033 (0)+ 12.896 =12.896

Una vez conocido el valor de pH, a tiempo cero, es posible plantear una tabla de variación de cantidades molares para la reacción realizada en la sesión experimental para poder plantear la ecuación cinética de la reacción para cada orden distinto.

CH 3 COOC 2 H t=0

0.1527

t=t

X

∞

0.1727- x

t

CH 3 COONa

NaOH

x

C2 H 5 OH

x

Una vez obtenida la reacción general, es posible plantear la ecuación de rapidez o ecuación cinética. β

NaOH ¿ Acet . Etilo ¿α ¿ −d [ acetato deetilo] −d [ NaOH ] = r= =k ¿ dt dt

Considerando que α+β= n, donde n= orden de reacción global, es de esperarse que la reacción sea de orden global=2. Posteriormente es necesario calcular “x” (la concentración remanente de hidróxido de sodio) para poder saber el orden experimental de la reacción.

Tiempo (m)

pH

pOH

0.25

12.94

1.06

0.5

12.89

1.11

1

12.8

1.2

1.5

12.71

1.29

2

12.67

1.33

3 5

12.57 12.4

1.43 1.6

[OH-] ln[OH-] 1/[OH-] 0.0870963 11.481536 6 -2.4407402 2 0.0776247 12.882495 1 -2.5558695 5 0.0630957 15.848931 3 -2.7631021 9 0.0512861 4 -2.9703348 19.498446 0.0467735 21.379620 1 -3.0624382 9 0.0371535 2 -3.2926967 26.915348 0.0251188 -3.6841361 39.810717

7

12.27

1.73

10

12.15

1.85

12

12.09

1.91

14

12.01

1.99

16

11.99

2.01

18

11.93

2.07

6 0.0186208 7 0.0141253 8 0.0123026 9 0.0102329 3 0.0097723 7 0.0085113 8

20

11.87

2.13

0.0074131

-3.9834722 -4.2597824 -4.3979375 -4.5821443 -4.628196 -4.7663511 -4.9045062

1 53.703179 6 70.794578 4 81.283051 6 97.723722 1 102.32929 9 117.48975 5 134.89628 8

Tabla 1.2 Cálculo de la concentración remanente de hidróxido de sodio.

Dados estos resultados, se procede a graficar para conocer el orden de la reacción: ⮚ Orden Cero

[OH-]

orden cero 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0

f(x) = − 0 x + 0.06 R² = 0.73

0

5

10

15

20

25

tiempo

Gráfico 2. Orden cero: tiempo vs concentración de hidróxido de sodio.

⮚ Primer Orden

Primer orden 12 10

Ln(OH-)

8 6 4 2 0 0

f(x)2 = 0 R² = 0

4

6

8

10

12

14

16

tiempo

Gráfico 3. Primer orden: tiempo vs Logaritmo natural de concentración de hidróxido de sodio.

⮚ Segundo Orden

Segundo orden 160 140 f(x) = 6.08 x + 9.68 R² = 1

120

1/[OH-]

100 80 60 40 20 0

0

5

10

15

20

25

tiempo

Gráfico 4. Segundo orden: tiempo vs Inverso de concentración de hidróxido de sodio

Al comparar los datos del coeficiente de correlación lineal (r2) de cada una de las gráficas para orden 0, 1 y 2 (0.7349, 0.9277 y 0.9978 respectivamente), el orden de reacción para la hidrólisis del acetato de etilo es igual a 2. Para comprobar que el orden de reacción es correcto, es posible determinarlo conociendo la cantidad de la base (OH-) que queda en la reacción para cada tiempo. ⮚ Para orden 0:

⮚ Para orden 1:

⮚ Para orden 2:

Tiempo (m)

x=kt −¿ ¿ OH ¿ −¿ ¿ O H −x ¿ ¿ ¿ ln ¿ −¿ −¿ O H ¿− x ¿ ¿ ¿ OH ¿ ¿ x ¿

Orden Cero

Primer orden

Segundo orden

0.25 -0.02507134 -0.15197062 -0.92294849 0.5 0.00484577 0.03223619 0.21446801 1 0.02686406 0.19341715 1.39692061 1.5 0.03794124 0.28552055 2.16327416 2 0.04560468 0.3545981 2.78618127 3 0.05725735 0.46972736 3.92492374 5 0.07332378 0.65393417 6.04289238 7 0.08514831 0.81511512 8.24472214 10 0.09521261 0.97629608 10.8316465 12 0.09905343 1.04537363 12.0745096 14 0.10263788 1.11445119 13.4062614 16 0.10263788 1.11445119 13.4062614 18 0.10263788 1.11445119 13.4062614 20 0.10147047 1.09142533 12.9520843 Tabla 1.3. Datos para la determinación del orden de reacción (valores de y para las ecuaciones de rapidez de orden 0-2.

Al graficar cada una de las series de datos para cada orden, es posible conocer el orden de reacción obteniendo una regresión lineal y escogiendo la que presente un mejor ajuste. ⮚ Orden Cero

La gráfica anterior no presenta tendencia lineal y esto es comprobable con el valor de r2, como era de esperarse, el orden de la reacción no es 0. ⮚ Primer Orden

Analizando el valor de coeficiente de correlación lineal, tampoco la gráfica para el orden 1, presenta un buen ajuste, como era de esperarse.

⮚ Segundo Orden

El último gráfico presenta el mejor ajuste obtenido, siendo el orden real de la reacción experimental.

Actividades Complementarias 1. Explica la variación del logaritmo de la constante de rapidez con el pH para la hidrólisis básica de un éster. El logaritmo de la constante de la rapidez varía con el pH debido a que este último se relaciona directamente con la concentración, de la misma manera en la que está relacionada la constante de rapidez. Por lo tanto, es de esperarse una variación entre las mismas. Una reacción concentrada ocurre de manera más rápida que una reacción menos concentrada. 2. Investiga qué proceso industrial utiliza la hidrólisis de ésteres de ácidos grasos por hidróxido de sodio. Los ésteres se hidrolizan en medios acuosos, bajo catálisis ácida o básica, para rendir ácidos carboxílicos y alcoholes. La hidrólisis básica recibe el nombre de saponificación y transforma ésteres en carboxilatos. La saponificación, también conocida como una hidrólisis de éster en medio básico, es un proceso químico por el cual un cuerpo graso, unido a una base y agua, da como resultado jabón y glicerina. Se llaman jabones a las sales sódicas y potásicas derivadas de los ácidos grasos. En la práctica el jabón se fabrica por la hidrólisis básica, con hidróxido de sodio o potasio, de grasas animales o aceites vegetales, que son ésteres de ácidos carboxílicos de cadena larga con glicerol. Los lípidos saponificables más abundantes en la naturaleza son las grasas neutras o glicéridos.

3. El metóxido de sodio también hidroliza esteres de ácidos grasos, ¿En qué proceso se aplica? El producto de la hidrólisis del metóxido es el metanol, este se usa como iniciador de la polimerización aniónica con óxido de etileno, formando un poliéter con una alta masa molecular. El biodiésel se prepara de aceites vegetales y grasas animales (es decir, triglicéridos de ácidos grasos) por transesterificación con metanol para obtener metilésteres de ácidos grasos. Esta transformación se cataliza con metóxido de sodio.

Conclusiones

A partir de la hidrólisis del acetato de etilo se siguió el avance de la reacción midiendo el pH para conocer la concentración remanente de uno de los sustratos y así poder identificar el orden de reacción aplicando el método integral, siendo este último igual a 2, debido a que el mejor ajuste obtenido en la regresión lineal de ambos tipos de gráficos corresponde a orden dos. También se analizó el mecanismo de reacción de la hidrólisis. Esta reacción puede considerarse elemental porque ocurre una única etapa, esto se ve reflejado en el orden de reacción.

Bibliografía ● Castellan, Gilbert W. Fisicoquímica 2da edición. Editorial Pearson. México. 1998....