Balance de materia con reacción química: Hidratación de anhídrido acético

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA Laboratorio de Ingeniería Química I

EXPERIMENTO 3

Balance de materia con reacción química: Hidratación de anhídrido acético

Equipo: 2

Realización: septiembre 24 2014 Entrega: octubre 15 2014

INTRODUCCIÓN. Tipos de sistemas: Un sistema abierto (o continuo) es aquel en que se transfiere material por la frontera del sistema; esto es, entra en el sistema, sale del sistema o Ambas 1

cosas. Un sistema cerrado (o por lotes) es aquel en el que no tiene lugar una transferencia semejante durante el intervalo de tiempo de interés Conceptos importantes sobre reacción Química Reactivo limitante El reactivo limitante en una reacción química es el que determina el máximo rendimiento de producto. El reactivo limitante es aquel que se utiliza completamente, todos los demás reactivos están en exceso. Debido a que el reactivo limitante es el que limita las cantidades de productos que pueden formarse, el rendimiento teórico se calcula a partir de la cantidad de reactivo limitante. Reactivo en exceso Es un reactivo que está presente en exceso del reactivo limitante. El porcentaje de exceso de un reactivo se basa en la cantidad del reactivo en exceso por encima de la cantidad requerida para reaccionar con el reactivo limitante según la ecuación química: moles en exceso %exceso = moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante (100) Donde los moles en exceso con frecuencia se pueden calcular como los moles totales disponibles de un reactivo menos los moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante. Procesos químicos: Los procesos químico-industriales se diseñan para obtener de manera económica un producto a partir de diversos materiales no elaborados que se someten a las diferentes etapas de tratamiento. Las materias primas pasan por una serie de tratamientos físicos a fin de prepararlas para que puedan reaccionar químicamente, y luego pasan al reactor. Los productos de la reacción química deben someterse entonces a nuevos tratamientos físicos (separaciones, purificaciones, etcétera) hasta obtener el producto final deseado. Clasificación de Reacciones Químicas: Existen muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la ingeniería de las reacciones químicas, probablemente el método más útil sea dividirlas según el número y tipo de fases implicadas, de donde resultan dos grandes grupos: sistemas homogéneos y sistemas heterogéneos. Una reacción química es homogénea se realiza en una sola, heterogénea, si para que se efectué, se requiere la presencia de dos fase. Reactor intermitente El reactor intermitente es simplemente un recipiente en el que se mantienen las sustancias mientras reaccionan. Todo lo que tiene que hacerse es medir la extensión de la reacción en diversos tiempos, lo que se logran de varias formas: 1) Siguiendo la concentración de un determinado componente. 2) Siguiendo la variación de alguna propiedad física del fluido, tal como la conductividad eléctrica o el índice de refracción. 2

3) Siguiendo la variación de la presión total de un sistema a volumen constante. 4) Siguiendo la variación del volumen de un sistema a presión constante. El reactor intermitente experimental se opera por lo general isotérmicamente y a volumen constante, debido a la fácil interpretación de los resultados obtenidos en tales condiciones. Este reactor es un dispositivo relativamente sencillo, adaptable a experiencias de laboratorio en pequeña escala y no necesita muchos instrumentos o aparatos auxiliares. Así, es el reactor que se utiliza siempre que es posible para la obtención de datos cinéticos en sistemas homogéneos. Descomposición del anhídrido acético El análisis de muestras es realizado empleando el método de formación de la acetanilida. Este consiste en reaccionar el anhídrido acético con anilina, para formar acetanilida, según las siguientes reacciones: (CH3CO)2O + H2O

2CH3COOH

(CH3CO)2O + C6H5NH2 CH3COOH + NaOH

CH3COOH + C6H5NHCOCH3 CH3COONa + H2O

Como la reacción de formación de acetanilida procede instantáneamente comparada con la reacción de hidratación del anhídrido acético, la cantidad del anhídrido acético presente en cada muestra se determina por la diferencia entre los volúmenes de solución de hidróxido de sodio (0.05N) gastados en la titulación de cada una de las muestras.

Problema Se desea producir 4.5 gramos de ácido acético en solución acuosa en un reactor intermitente, ¿durante qué tiempo debe operar el reactor para cumplir este requerimiento?

Desarrollo experimental Preparación de toma de muestras

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Preparar 8 matraces con 10 mL de agua destilada saturada con anilina.

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CUESTIONARIO

(CH3CO)2O + H2O 2CH3COOH y peso de cada una de las muestras tomadas.

Esquema del proceso:

as en el matraz correspondiente, el cual deberá estar previamente

Ajustar la temperatura del baño de recirculación en 23-25°C y recircular el ag de calentamiento/enfriamiento del reactor.

solución del reactor a periodos regulares de tiempo.

l reactor 5 mL de anhídrido acético concentrado (99%alde pureza), éste destilada como tiempo se cargan reactor 750registrar mL de agua y se inicial. inicia la agit Operación del equipo Preparar de 2 a 6 matraces Erlenmeyer con agua destila

1. Para la muestra t = 3 min (para el matraz con agua), ¿cuántas moles de NaOH (0.05 N) se consumen?.¿Con cuántas moles de ácido acético reaccionaron? Se consumen 0.0005 moles de NaOH, y reaccionan 0.0022 moles de ácido acético. 2. Para la muestra t = 3.5 min (para el matraz con anilina), ¿cuántas moles de NaOH (0.05 N) se consumen? ¿Con cuántas moles de ácido acético reaccionaron? Se consumieron 0.00037 moles de NaOH .Reaccionaron 0.095 moles de ácido acético.

3. Explique la ventaja de relacionar el volumen gastado del titulante por el peso de la muestra (columnas 3 y 4 de la Tabla 1 de datos). (mL) titulante gastado / gM Al no saber exactamente el volumen de la pipeta con la que se extraen las muestras, se puede hacer esta relación del peso de la muestra con el volumen del titulante para obtener el inverso de la densidad, para posteriormente obtener la masa y las moles que reaccionaron. 4. ¿Cómo son los valores en el consumo de titulante en las muestras recibidas en matraces con agua, mL NaOH (0.05N) / gM? ¿Hay diferencia en estos valores o son constantes? ¿Qué concluye de esto? Los valores en el consumo de titulante son mayor en los matraces de agua que en los matraces con anilina. Los valores en el agua son prácticamente constantes, al igual que en los matraces con anilina. En los matraces con agua se producen 2 moles de ácido acético por un mol de anhídrido acético, y en los de anilina 1 mol de ácido por cada mol de anhídrido. Por lo tanto se requiere un volumen mayor de titulante en los matraces con agua. 5. Compare los valores de la solución de mL NaOH (0.05 N) empleada para neutralizar las muestras recibidas en matraces con solución saturada de anilina, mL NaOH (0.05N) / gM. ¿Son valores constantes o hay diferencia entre ellos? ¿Cómo explica sus resultados? Hay diferencia entre ellos, van creciendo sus valores conforme pasa el tiempo de la reacción, pero al final del tiempo las últimas muestras ya presentan una diferencia mínima, que puede considerarse constante. Esto puede explicarse a conforme avanza la reacción se produce más ácido acético en las muestras pero al final ya permanece constante y por lo tanto se requiere proporcionalmente el titulante para neutralizar las muestras con anilina.

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6. Al consumirse la totalidad del anhídrido acético a las condiciones experimentales seleccionadas, ¿qué concentración de ácido acético se obtiene en la mezcla de reacción? Expresarla en mol/L. Si la densidad de la mezcla de reacción es aproximadamente de 1 g/cm3, expresar el resultado anterior en g/gM. Se obtiene una concentración de 0.09 mol/L y en g/gM se obtiene 0.0054. 7. Compare los resultados obtenidos en moles de ácido acético/L, obtenidos para muestras recibidas en matraces con agua y anilina, respectivamente; para tiempos consecutivos, por ejemplo, para los tiempos 3 y 3.5 minutos, ¿son iguales, hay diferencia entre ellos? Explique su respuesta. Se observa poca diferencia entre periodos continuos 8. Repita el procedimiento anterior para los valores encontrados al titular los demás matraces de anilina. Al observar el comportamiento en una gráfica toma la tendencia logarítmica con un valor asintótico 9. ¿Qué cantidad de anhídrido acético, mol / L deberá reaccionar para tener en la mezcla de reacción 4.5 gramos de ácido acético, a sus condiciones experimentales? Dividiendo los 4.5 gramos que se desean obtener entre el peso molecular tendremos el número de moles que se quieren obtener, los cuales son 0.075 moles de ácido acético, por cada mol de anhídrido acético se producen dos moles de ácido. Por lo tanto se requieren 0.0375 moles de anhídrido acético y dividido entre el volumen del reactor se obtiene 0.09 mol/L de anhídrido acético. 10. ¿En qué tiempo se producen estos 4.5 g de ácido acético? 4.5gácido acético=

1 mol ác . acét . 1 mol =0.0999 ác .acét . ( 60.05 )( ) g ác . acét . 0.750 L L

Cácido acético= 0.0184Ln(t) + 0.0796 (ecuación de la gráfica) Resulta entonces: t= e

( C ácido acético−0.0796 ) 0.0184

=3 min

11. Proponga usted las reacciones que ocurren al titular las muestras recibidas en matraces con anilina y con agua. 6

CH3COOH + NaOH

CH3COONa + H2O

Conclusión: Finalmente en esta práctica logramos llevar a cabo un análisis a partir de una reacción secundaria para determinar la concentración de una especie que se está generando en un reactor. Se pudo observar que recurrir a dicha reacción secundaria nos permite poder llevar a cabo un método analítico de titulación el cuál no hubiera podido realizarse debido a la cinética de la reacción primaria. Se puede decir que este método resulta muy útil ya que en cualquier proceso industrial que conlleve reacción química es esencial conocer las condiciones en las cuales se encuentra dicho proceso, porque a pesar de que es común que en las plantas de proceso se lleven a cabo procesos piloto en plantas a escala, muchas veces esto resulta muy caro, y para compensar este paso e ir casi directamente a la producción a escala, se necesita conocer muy bien la cinética de la reacción para tener todas sus variables de estado controladas, y poder hacer simulaciones por computadora, y así ahorrar ese dinero.

Bibliografía: Manual de guiones experimentales del laboratorio de ingeniería química 1, Alcázar C., Galicia P., Moreno B., Silva P., Facultad de Química, 2013

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Resultados: tiempo min

Conc(g/m masa masa del Conc Xmeg l) meg(g) agua teorica %error tiempo 0 0.253 0.2593 251.521 742.729 0.2593 0 0 0.19569207 4.327377 1 0.183 0.187575 181.94775 812.30225 8 35 60 4.409741 2 0.138 0.14145 137.2065 857.0435 0.14768758 75 120 0.11145888 5.573182 3 0.103 0.105575 102.40775 891.84225 7 01 180 3.452142 4 0.085 0.087125 84.51125 909.73875 0.08411732 93 240 0.06348281 8.919924 5 0.068 0.0697 67.609 926.641 2 88 300 0.04791007 2.621790 6 0.048 0.0492 47.724 946.526 9 76 360 0.03615743 7.169614 7 0.038 0.03895 37.7815 956.4685 5 75 420 0.02728778 28.04801 8 0.037 0.037925 36.78725 957.46275 9 93 480 0.02059392 28.24417 9 0.028 0.0287 27.839 966.411 2 29 540 0.01554210 10 0.019 0.019475 18.89075 975.35925 4 20.19459 600 0.01172952 32.68563 11 0.017 0.017425 16.90225 977.34775 8 69 660 0.00885220 0.648700 12 0.009 0.00891 8.6427 985.6073 1 45 720

flujo 4.55 ml/s

Tiempo vs concentración 0.3 0.25

f(x) = 0.23 exp( 0 x ) R² = 0.99

0.2 0.15 0.1 0.05 0

0

100

200

300

400

500

600

700

8

9