Manual 2020 LAB Reactores PDF

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Dra. Silvia Patricia Paredes CarreraDra. Martha Letícia Hernández PichardoAcademia de FisicoquímicaMANUAL DE PRÁCTICAS DELLABORATORIO DE CINÉTICA YREACTORES HOMOGÉNEOSNombre: Grupo: Profesor: Copia carnet del IMSS vigenteAGRADECIMIENTOSAl Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela Superior de Ing...

Description

MANUAL DE PRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE CINÉTICA Y REACTORES HOMOGÉNEOS

Nombre: _____________________________ Grupo: _____________________________ Profesor: _____________________________

Copia carnet del IMSS vigente

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!PRESENTACIÓN!

El contenido del presente manual esta dirigido a estudiantes de las carreras de Ingeniería Química Industrial e Ingeniería Química petrolera, impartidas en la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias extractivas (ESIQIE), según los planes de estudios vigentes. El manual de prácticas complementa en un 100 %, la teoría, en donde la primera y segunda prácticas cubren los aspectos de obtención y análisis de datos cinéticos para el estudio de los sistemas reaccionantes; la tercera práctica se enfoca al tratamiento de datos cinéticos por los métodos diferencial e integral en un sistema reaccionante, en específico se estudia la cinética y el efecto de la temperatura con la ecuación de Arrhenius para la descomposición del agua oxigenada; en la cuarta práctica se estudia el efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción de la saponificación del acetato de etilo; en la práctica cinco se estudia el efecto de la presencia de un catalizador sobre la velocidad de reacción mediante la degradación fotocatalítica del anaranjado de metilo. Finalmente, en las practicas 6 y 7 se trabajan diversos aspectos prácticos y teóricos relacionados con los reactores homogéneos.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!AGRADECIMIENTOS!

Al Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas, por el financiamiento y la infraestructura para la puesta en marcha del laboratorio de Ingeniería de Reactores I.

A los profesores de la academia de FISICOQUÍMICA que colaboran directamente en el laboratorio por sus observaciones en especial a la Dra. Laura Verónica Castro Sotelo. A los profesores IQP Luis Toledo Roa y al M en C Víctor Feregrino, quienes plantearon las bases originales de algunas de estas prácticas.

! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!OBJETIVO!GENERAL!

El alumno aplicará los conceptos y las ecuaciones de la cinética química, para el cálculo de la velocidad de reacción de sistemas simples y complejos a partir: de la estequiometria particular, de las condiciones de reacción, de los datos experimentales y de los mecanismos de reacción para observar el efecto en los sistemas homogéneos.

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! ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INDICE! !!!!!!!!!! REGLAMENTO………………………………………………………………………..1!

PRÁCTICA 1: DILUCIÓN DEL HIERRO EN UN MEDIO ÁCIDO Objetivos

3

Fundamentación teórica

3

Desarrollo experimental

6

Cálculos

78

Conclusiones

16

Cuestionario

17

PRÁCTICA! 2:! OBTENCION! DE! LA! ECUACION! DE! VELOCIDAD! PARA! LA! REACCION! DE! SAPONIFICACION! DEL! ACETATO! DE! ETILO,! MEDIANTE! EL! METODO!INTEGRAL!Y!DIFERENCIAL! Objetivos

18

Fundamentación teórica

18

Desarrollo experimental

23

Cálculos

26

Conclusiones

29

Cuestionario

30

PRÁCTICA! 3:! INFLUENCIA! DE! LA! TEMPERATURA! SOBRE! LA! VELOCIDAD! DE! REACCIÓN!DEL!AGUA!OXIGENADA! Objetivos

31

Fundamentación teórica

31

Desarrollo experimental

35

Cálculos

39

Conclusiones

42

Cuestionario

43

! PRÁCTICA! 4:! INFLUENCIA! DE! LA! CONCENTRACIÓN! EN! LA! ! ! VELOCIDAD! DE! REACCIÓN! EMPLEANDO! COMO! SISTEMA! EL! ALCOHOL! ETÍLICO! Y! EL! ÁCIDO! CRÓMICO! Objetivos

44

Fundamentación teórica

44

Desarrollo experimental

46

Cálculos

48

Conclusiones

51

Cuestionario

52

! PRÁCTICA!5:!FOTODEGRADACION!DE!ANARANJADO!DE!METILO!CON!OXIDO! DE!TITANIO!! Objetivos

53

Fundamentación teórica

53

Desarrollo experimental

58

Cálculos

63

Conclusiones

67

Cuestionario

67

PRÁCTICA! 6:! CARACTERISTICAS! DEL! REACTOR! TUBULAR! (QRFT),! DEL! REACTOR!!ISOTERMICO!CON!AGITACION!(QRIA)!Y!DEL!REACTOR!ADIABATICO! (QRAD)! !

!

Objetivos

68

Fundamentación teórica

68

Desarrollo experimental

70

Conclusiones

74

Cuestionario

74

PRÁCTICA!7:!REACTORES!AGITADOS!EN!SERIE!(QRSA)! ! Objetivos

75

Fundamentación teórica

75

Desarrollo experimental

70

Conclusiones

77

Cuestionario

77

!!!!BIBLIOGRAFIA……………………………..…………………………………78

REGLAMENTO DEL LABORATORIO DE CINETICA Y REACTORES HOMOGÉNEOS

SON DE ESTRICTO CUMPLIMIENTO LINEAMIENTOS Y RECOMENDACIONES:

LOS

SIGUIENTES

1-. Para ingresar es obligatorio traer: bata de algodón abotonada y a la medida (no importa el color), googles, guantes, zapato cerrado y cabello recogido. 2.-La tolerancia para ingresar al laboratorio de Cinética y Reactores Homogéneos será de 15 minutos. 3.- Haber estudiado las hojas de seguridad de los reactivos que se usarán en cada uno de las prácticas, así como los aspectos teóricos correspondientes y realizar el diagrama de bloques del desarrollo experimental de la práctica (según indique el profesor de laboratorio). 4.- Se prohíbe fumar e ingerir alimentos en el laboratorio. 5.- Permanecer en su puesto de trabajo en cada sesión y realizar un buen trabajo en equipo, colaborando con el mismo. 6.- Una vez terminada la sesión dejar limpio, ordenado y enjuagado con agua destilada el material que así lo requiera. 7.- Informar cuando haya ocurrido un accidente o un incidente. 8.- Evitar pipetear reactivos de su envase original, para evitar contaminaciones y el derrame de los mismos; poner poco más del necesario en un recipiente y de ahí tomar la cantidad requerida, así como no pipetear con la boca. 9.- Traer el material requerido para las prácticas que así lo requieran (práctica 3 hielos). 10.- Anexar copia del carnet vigente del IMSS al manual de prácticas del laboratorio, debidamente validado por la oficina escolar correspondiente. 11.-No existe reposición de prácticas, ni existe Examen a Título, por lo que aunque no sean alumnos regulares y/o no estén inscritos, se deberán presentar las prácticas en algún grupo desde la primera sesión. 12.- la calificación mínima aprobatoria es de 8 y/o el 80 %, por lo cual la asistencia mínima es del 80 %. 13.- Se debe acreditar él laboratorio para poder acreditar teoría y viceversa.

1

2

PRÁCTICA Nº 1 DILUCIÓN DEL HIERRO EN UN MEDIO ÁCIDO

1.1. OBJETIVOS - Adquirir las habilidades adecuadas para la toma de muestras, así como para medir su concentración y determinar su relación respecto al tiempo. - Seleccionar el método más apropiado para la obtención de los datos cinéticos para calcular la velocidad de reacción. 1.2. FUNDAMENTACIÓN TEORICA La cinética química es el área de la química que tiene relación con la velocidad de reacción, es decir la rapidez con la que ocurre una reacción química. En esta práctica aprenderemos como se mide en forma experimental la velocidad de una reacción. El término velocidad de reacción se refiere al cambio en la concentración de un reactivo o producto con respecto al tiempo (dCi/dt), por lo que para conocer este parámetro es necesaria la obtención experimental de los datos cinéticos, es decir el cambio de la concentración (o algún parámetro que varíe linealmente con ella) con respecto al tiempo. Para las reacciones en disolución, por ejemplo la concentración de algunas especies se puede medir por métodos espectroscópicos. Si participan iones, el cambio de concentración también se detecta por mediciones de conductividad térmica y las reacciones con gases se siguen a partir de medidas de presión o conversión por métodos cromatográficos. En esta práctica se considerarán diversos métodos para medir la velocidad de la reacción de dilución de hierro en ácido clorhídrico, siguiendo la desaparición de los reactivos o la aparición de los productos. A continuación, se describen los diferentes tipos de métodos que existen para la obtención de datos cinéticos. Métodos para la obtención de datos cinéticos El método que debe emplearse para seguir la cinética de una reacción química, depende de las fases en que se lleve a cabo la reacción (fase gaseosa o líquida, por ejemplo); en seguida se explica cómo proceder en cada caso. Reacciones en fase gaseosa: Para este tipo de reacción; la composición de la mezcla gaseosa suele determinarse por análisis químicos. En años recientes; las técnicas de cromatografía de gases y espectrometría de masas han reducido considerablemente el tiempo requerido para dicho análisis. Uno de los métodos indirectos más comunes para las reacciones gaseosas, es la medición de la presión del sistema. Este método se puede aplicar cuando existe un aumento o disminución de la presión, causada por la variación del número de moléculas producidas por la reacción. Considere la descomposición del amoniaco en nitrógeno e hidrógeno:

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2NH3®N2+ 3H2 En un recipiente a volumen constante, la presión aumentará a medida que se verifique la reacción, pues la presión desarrollada por las cuatro moléculas de producto, una de N y tres de H, es idealmente el doble de la correspondiente a dos moléculas reactantes. Las mediciones de presión pueden llevarse a cabo durante el curso de la reacción, conectando un dispositivo de medición de presiones al recipiente donde se verifica la reacción. Reacción en solución: Cuando la reacción es estudiada se verifica en solución, los análisis de las concentraciones de los reactantes y de los productos suelen ser bastante simples. Uno de los métodos tradicionales para soluciones se basa en dividir la solución reactante en varias ampolletas selladas, colocarlas en un baño a temperatura constante y después extraerlas una por una en intervalos de tiempo predeterminado. La reacción de cada ampolleta individual se suspende enfriándola rápidamente en un baño de hielo, después de lo cual se abre la ampolleta y se extrae un volumen preciso de solución por medio de una pipeta. El contenido de la solución se determina con un método analítico apropiado. La velocidad de reacción del bromuro de metilo con agua, para producir alcohol metílico y ácido bromhídrico puede analizarse extrayendo muestras y titulando el ácido bromhídrico con solución valorada de NaOH: CH3Br + H-O-H® CH3OH + HBr La cantidad de moles de NaOH requeridas para neutralizar el HBr, es igual a la cantidad de moles de HBr formado. Ésta es también la cantidad de moles de CH3Br que ha reaccionado. Existe otra forma de clasificar a los métodos experimentales que se usan para seguir la cinética química de una reacción en función de la propiedad que se determine experimentalmente, es decir, si se determina una propiedad física de una reacción, entonces, estaremos hablando de un método físico y si se determina la concentración de un producto o reactivo utilizando alguna reacción química, entonces estaremos hablando de un método químico. Existe un tercer método en el cual podemos conjuntar los dos métodos anteriores y es llamado método físico-químico o instrumental; en este método se evalúa una propiedad física, la cual sigue a lo largo de la reacción de estudio. Por ejemplo, si una reacción produce un cambio en el color de una solución debido a la desaparición de reactantes o a la aparición de productos se puede determinar el curso de la reacción midiendo el cambio de la intensidad de color. Aun cuando se presenta un cambio de color durante una reacción, es posible determinar las velocidades siempre y cuando exista un cambio en el espectro de absorción del reactante o del producto, a medida que se verifica la reacción. En a la reacción del bromo molecular con el ácido fórmico el bromo tiene un color café rojizo. En la reacción todas las demás especies son incoloras. A medida que progresa la reacción, la concentración del Br2 disminuye con rapidez y su color se

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desvanece (Figura 1.1). Esta pérdida de color, y por lo tanto concentración, se mide fácilmente con un espectrofotómetro, que registra la cantidad de luz visible que absorbe el bromo.

Figura 1.1. La disminución en la concentración de bromo muestra un cambio de color con el transcurso del tiempo. Cuando se usen métodos analíticos comunes resulta difícil medir la velocidad de una reacción química rápida, pues la reacción puede ser prácticamente completa antes de que obtenga el análisis. Sin embargo, los químicos han empezado a usar métodos especializados para estimar las velocidades de reacciones sumamente rápidas que se contemplan en unos cuantos picosegundos como la fotosíntesis, las etapas iniciales de la visión, las reacciones nucleares en cadena, la detonación de explosivos, la transferencia de protones de ácidos a bases, etc., del orden de 10-12 a 10-6 s. En el examen de las conclusiones sobre sus posibles soluciones de un problema, a menudo se encuentra que la técnica más adecuada es una combinación de los métodos. En los últimos años, los mayores avances en medición química han ocurrido en el área general de instrumentación. Tanto los métodos físicos, químicos e instrumentales tienen sus ventajas; las cuales son: a) Ventajas de los Métodos Instrumentales: 1. Determinación rápida (la respuesta se obtiene en una centésima de segundo). 2. Utilizan muestras pequeñas. 3. Manejo de muestras complejas. 4. Alta sensibilidad. 5. Se consiguen medidas confiables. 6. Es posible obtener respuestas de los cambios de concentración en una reacción sin necesidad de sacar el reactor (celda de reacción) del aparato. b) Ventajas de los Método Químicos: 1. Procedimientos simples y precisos. 2. Generalmente se basan en medidas absolutas. 3. Equipo de bajo costo.

c) Ventajas de los Método Físicos: 1. Fácil determinación de propiedades físicas (peso, volumen, presión). 2. No se necesita experiencia muy vasta a diferencia de los métodos químicos

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e instrumentales. 3. Determinación en corto tiempo. Sería aventurado concluir que los procedimientos instrumentales o físico-químicos, han desplazado a los métodos químicos, aunque las tendencias recientes de la investigación predominen en el área de la instrumentación. En la práctica las etapas preliminares, que son químicas, una parte integral de los métodos instrumentales. Además, tanto los métodos instrumentales como los químicos tienen sus limitaciones, algunas de ellas son: a) Limitaciones de los Métodos Instrumentales: 1. Calibrado inicial y constante. 2. Su sensibilidad y exactitud dependen del instrumental de referencia o bien de los métodos químicos usados para el calibrado. 3. El costo inicial y de mantenimiento es elevado 4. Limite de concentración reducida. 5. A menudo se necesita una preparación especializada. b) Limitaciones de los Métodos Químicos: l. Carecen de exactitud. 2. Los procedimientos tardan bastante tiempo 3. La exactitud disminuye si la cantidad de muestra es menor. 4. No puede aplicarse en muchos casos. 5. Ambiente químico crítico.

1.3 DESARROLLO EXPERIMENTAL En esta práctica se seguirá la cinética de la dilución del hierro en un medio ácido. 2HCl(Ac) + Fe(s)® FeCl2 (sol) + H2 (g) La reacción se seguirá mediante 4 métodos: MÉTODO

TIPO

TITRIMÉTRICO ESPECTROFOTOMÉTRICO GRAVIMÉTRICO (opcional) GASOMÉTRICO (opcional)

Químico Físico-Químico Físico Físico

CONCENTRACIÓN A SEGUIR

CHCl CFeCL2 CFe CH2

VARIABLE A MEDIR

VNaOH(gastado) Absorbancia Peso del Fe Presión manométrica(Dh)

NOTA: ES IMPORTANTE SEÑALAR QUE EL SISTEMA EN ESTUDIO, ESTA EN TODOS LOS CASOS EN FASE HETEROGÉNEA.

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1.3.1MÉTODO TITRIMÉTRICO:

a. Preparar y valorar 1L solución de concentración 1M de hidróxido de sodio (NaOH) cantidad suficiente para todo el grupo y aforar una bureta. b. Tomar 15 ml HCl 1M y colocar en vaso de precipitados el cual funcionará como reactor. c. Colocar 1g de clavos ó de una fibra (no oxidado) y agregarlo en el recipiente del inciso b, en ese instante arrancar el cronómetro¹ y simultáneamente

tomar una alícuota de 2 ml la cual corresponderá al tiempo cero (t0). d. Pasar la alícuota a un matraz Erlenmeyer y titularla con NaOH 1M, utilizando como indicador anaranjado de metilo el vire será de rosa a amarillo. Tomar una alícuota de 1 ml cada 5 minutos hasta completar 30 min de la reacción, repetir el paso d, anotando los resultados en la Tabla 1.1. ESQUEMA DEL DESARROLLO EXPERIMENTAL MÉTODO TITRIMÉTRICO 1.- Medir 15 ml de HCl 1M 2.- Adicionar 1 gr de clavo/fibra metálica no oxidado, si va muy lento probar con oxidado

2 gotas anaranjado de metilo

1 ml cada 5 min (hasta 30 min de reacción)

¹ Fe + HCl

NaOH1 M

vire rosa fuerte a amarillo

REACCIONES INVOLUCRADAS: 2HCl(Ac) + Fe(s)® FeCl2 (sol) + H2 (g) HCl(Ac) + NaOH(s)®NaCl (sol) + H2O (l) Para obtener la concentración de la solución de HCl es necesario aplicar el principio de equivalencia.

( MxV ) HCl = ( MxV ) NaOH

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CALCULOS Despejando:

CHCl =

C NaOH xVNaOH 1M xVNaOH = 2 mL VHCl

Sustituyendo y realizando operaciones: !"#$%&'

= _____________________*

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= _____________________*

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Tabla 1.1 Tabla de datos experimentales para el Método Titrimétrico Corrida 1 2 3 4 5 6 7

Tiempo (min) 0 5 10 15 20 25 30

VNaOH(ml)

CHCl (mol/L)

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1.3.2 MÉTODO ESPECTROFOTOMÉTRICO: a. Preparar y valorar 1 L de solución 1M (40 g en un L)de ácido clorhídrico (HCl) cantidad suficiente para todo el grupo. b. Tomar 15 ml HCl 1M y colocar en vaso de precipitados el cual funcionará como reactor. c. Colocar 1 gr de un clavo ó de una fibra metálica (oxidado) y agregarlo en el recipiente del inciso b, en ese instante arrancar el cronómetro¹ y simultáneamente tomar una alícuota de 2 ml la cual corresponderá al tiempo cero (t0). d. Pasar la alícuota a un matraz Erlenmeyer y proceder a agr...