INFORME PRÁCTICA 1

INFORME PRÁCTICA 1 SAPONIFICACIÓN DE ACETATO DE ETILO CON HIDRÓXIDO DE SODIO EN REACTOR POR LOTES Marcela Jiménez Saldarriaga, Lina Mendoza Herrera 07 de septiembre de 2010

RESUMEN En esta práctica se busca determinar los parámetros cinéticos correspondientes a la reacción de saponificación del acetato de etilo con hidróxido de sodio en un react reactor or batch; batch; para para ello, ello, se real realizó izó el monta montaje je y el respe respecti ctivo vo proce procedim dimien iento to propuesto propuesto en la guía, donde se realizaban realizaban dos tomas de datos: una a temperatura temperatura ambiente y otra usando un baño de agua fría. Con la toma de estos datos se pudo deter determin minar ar dichos dichos parám parámetr etros os y la conv convers ersión ión,, adem además ás se anal analizó izó cómo cómo la constante de la velocidad depende de la temperatura, cómo la conversión en un reactor batch aumenta con el paso del tiempo, a medida que la conductividad iba disminuyendo. Empleando el método integral, se determinó que el orden de la reacción era de orden dos.

OBJETIVOS Determinar nar el orden orden de reacció reacción, n, la constant constante e de velocida velocidad, d, la energía energía de  –  Determi

 –   –   –   – 

activación y el factor de frecuencia de la reacción entre el acetato de etilo y el hidróxido de sodio en un reactor por lotes. Analizar el efecto de la temperatura de reacción en la conversión conversión del hidróxido de sodio en la reacción. Calcular Calcular la concentr concentració ación n del NaOH NaOH utilizan utilizando do la curva curva de calibrac calibración ión de la figura 1. Calcu Calcular lar la conv convers ersión ión de la reacc reacción ión de acet acetato ato de etilo etilo con con hidróx hidróxido ido de sodio. Analizar el perfil de comportamiento comportamiento de NaOH de conductividad conductividad y conversión respecto al tiempo .

INTRODUCCIÓN La cinética química estudia la velocidad o rapidez en que se da una reacción reacción y los factor factores es que que influy influyen en en ella ella como como la conce concentr ntraci ación, ón, temper temperatu atura, ra, presió presión, n, concentración iónica, disolvente, catalizadores, etc. La ecuación cinética o ley de veloc velocid idad ad se obtie obtiene ne cuan cuando do se relac relacion iona a la veloc velocida idad d de reacc reacción ión y las concentraciones de las especies y es propia de cada reacción. Se suele escribir  com como el produc oductto de una cons onstan tante de velo elocida idad de reacc acción k y las concentraciones. La constante de velocidad de reacción es independiente de las concentraciones de la espec pecies, es, per pero prin rincipa ipalme lmente nte depend pende e de la tempera eratur tura. Las

concentraciones, pueden determinarse directamente por algún método químico o midiendo alguna propiedad del sistema que varíe linealmente con la concentración. Es por esto que en esta práctica se emplea la conductividad como propiedad esencial para hallar la concentración del NaOH en el tiempo y seguido a esto calcular los parámetros cinéticos y la conversión. En cuanto a la reacción de saponificación del acetato de etilo con hidróxido de sodio: CH3COOC2H5 + NaOH CH3COONa + C 2H5OH Se caracteriza por ser una reacción medianamente exotérmica, irreversible y de segundo orden, las condiciones en la que se lleva a cabo esta reacción son las del ambiente. Es por esto, que esta reacción ha sido ampliamente usada en este tipo de laboratorios por su facilidad en la experimentación y por los buenos resultados que se obtienen. 

El reactor por lotes (batch) se caracteriza por la variación en el grado de reacción y en las propiedades de la mezcla reaccionante con el transcurso del tiempo. Este reactor opera en estado no estacionario ya que los reactivos se cargan inicialmente al reactor, se mezclan muy bien y se deja reaccionando por cierto lapso de tiempo y luego se descarga. A medida que transcurre el tiempo de la reacción, la concentración de los reactivos disminuye y la conversión se incrementa.

DATOS Tabla 1. Reactivos

Reactivos Hidróxido de sodio (NaOH) Acetato de etilo (CH 3COOC2H5) Agua

Concentración 0.2 M 0.2 M

Cantidad 50 ml 50 ml 100 ml

Figura 1. Curva de calibración del conductímetro para NaOH

Datos experimentales ver anexo 1.

CÁLCULOS Y RESULTADOS 1. Graficar los datos de conductividad vs. tiempo y conversión vs. Tiempo, obtenidos a cada temperatura de reacción. Para cada prueba (temperatura ambiente y baño de agua fría), las concentraciones de NaOH en el tiempo (Ca), se calcularon a partir de los datos de conductividad (anexo 1) y con la ecuación de la curva de calibración de la figura 1.  Y=0.0055*x-0.0088 La conversión se calculó utilizando la siguiente ecuación: X=CAO-CACAO (1) Donde Cao = 0.2 M Ca= concentraciones de NaOH en el tiempo

A temperatura ambiente ( T1=30.015ºC) Datos ver anexo 1 Resultados conversión ver anexo 2 Figura 2. Condcutividad vs. Tiempo

Figura 3. Conversión vs. Tiempo

.

.

Usando baño de agua fría ( T2=21.115ºC) Datos ver anexo 1 Resultados conversión ver anexo 3 Figura 4. Conductividad vs. Tiempo

Figura 5. Conversión vs. Tiempo

.

.

2. Determinar el orden de la reacción a partir de los datos experimentales. Para hallar el orden de la reacción se usó el método integral

[1]

:

Orden cero: CA=CAO-kt Donde una grafica de la concentración de A (Ca) en función del tiempo será lineal con pendiente -k, para una reacción de orden cero efectuada en un reactor por lotes de volumen constante.

Orden uno: LnCAOCA=kt Donde la pendiente de una grafica de Ln(Cao/Ca) en función del tiempo es lineal, con pendiente k.

Orden dos: 1CA-1CAO=kt Donde una grafica de (1/Ca) en función del tiempo debe ser lineal con pendiente k.

A temperatura ambiente ( T1=30.015ºC)

Datos y resultados ver anexo 4

Orden cero Figura 6. Rxn de Orden Cero, Ca vs. Tiempo

.

Orden uno Figura 7. Rxn de Orden Uno, Ln(Cao/Ca) vs. Tiempo

.

Orden dos .

Figura 8. Rxn de Orden Dos, 1/Ca vs. Tiempo

Observando las tres figuras se puede deducir que la gráfica que más se ajusta a un comportamiento lineal es la gráfica de orden dos (figura 8). Por  lo tanto el orden de la reacción es de orden dos. La ecuación para este orden es: 1CA=0.1532t+34.27 k(pendiente)=0.1532 Lmol*s

Usando baño de agua fría ( T2=21.115ºC) Datos y resultados ver anexo 5

Orden cero Figura 9. Rxn de Orden Cero, Ca vs. Tiempo

.

Orden uno .

Figura 10. Rxn de Orden Uno, Ln(Cao/Ca) vs. Tiempo

Orden dos Figura 11. Rxn de Orden Dos. 1/Ca vs. Tiempo

.

Observando las tres figuras se puede deducir que la gráfica que más se ajusta a un comportamiento lineal es la gráfica de orden dos (figura 8). Por lo tanto el orden de la reacción es de orden dos. La ecuación para este orden es: 1CA=0.131t+39.647 k(pendiente)=0.131 Lmol*s

3. Calcular las constantes de velocidad a cada temperatura de reacción. A temperatura ambiente ( T1=30.015ºC ) k=0.1532 Lmol*s Usando baño de agua fría ( T2=21.115ºC) k=0.131 Lmol*s Como se puede observar la constante de velocidad de reacción depende de la temperatura, a mayor T>k,

4. Calcular los parámetros de la ecuación de Arrhenius (energía de activación y factor de frecuencia). Incluir una breve descripción teórica de su significado físico. kT=Ae-ERT (2) A: Factor de frecuencia Lmol*s E: Energía de activación  Jmol R: Constante de los gases  Jmol*K  T: Temperatura absoluta (K) kT1=Ae-E/RT1 (3) kT2=Ae-E/RT2 (4) Dividiendo la ecuación (3) sobre la ecuación (4) y reordenando la ecuación resultante es:

kT1=kT2expER1T2-1T1 (5) Donde: kT1=0.1532 Lmol*s kT2=0.131 Lmol*s  T1=30.015ºC=303.165K   T2=21.115ºC=294.265K  R=8.314 Jmol*K  Para obtener la energía de activación (E) se despeja la ecuación 5; luego el valor hallado se reemplaza en la ecuación 3 o 4 para así obtener el factor de frecuencia (A). E=13046.1 Jmol

A=27.1115 Lmol*s 5. Comparar los datos de constantes de velocidad, energía de activación y factor  de frecuencia con los reportados en la literatura para esta reacción a partir del cálculo del porcentaje de error. Especificar claramente la fuente de estos datos en el informe. Tabla 2. Parámetro cinéticos experimentales y reportados en literatura.

Datos CA (M) K Lmol*s E Jmol A Lmol*s

Práctica 0.2 0.131 13046.1 27.1115

Literatura [3] 0.02 0.1120 48399.4 3.37985*10 7

%error=obtenido-literaturaliteratura*100 %error de cte de velocidad=16.96% %error de cte de velocidad=73% %error de cte de velocidad=99.99%

6. Discutir la razón de las posibles diferencias con los datos obtenidos durante esta práctica. Las diferencias entre los datos obtenidos en la práctica con los hallados en la literatura se pudieron haber presentado por las condiciones en que se llevaron a cabo las pruebas: reactor, sistema de agitación, aislamiento, etc.; las concentraciones de los reactivos usados en cada análisis (en la práctica las concentraciones del acetato y del hidróxido eran iguales 0.2M, en cambio en la literatura la concentración del hidróxido era 0.02M y la de acetato 0.1M), el tiempo de la reacción (práctica aprox. 6min para cada prueba, en la literatura el análisis duró 30 min), condiciones ambiente, volumen de los reactivos (en la

práctica usamos 50 mL para c/reactivo, en la literatura usaron aprox. 1L). Además el método utilizado para la estimación de los parámetros también fue diferente; en la práctica se utilizó el método integral y en la literatura se usó simulación por computador. Todos estos factores pueden afectar de manera significativa los resultados, como se vio en la práctica donde la velocidad de reacción cambió cuando se le varió la temperatura. Asimismo los datos se compararon con otras referencias [6, 7] y los resultados fueron similares.

CONCLUSIONES La conductividad es inversamente proporcional a la conversión, es decir, que a mayor conductividad menor conversión se obtiene y viceversa, esto se pudo apreciar en las figuras 2,3 (a temperatura ambiente) y figuras 4,5 (usando baño de agua fría). En cada prueba se obtuvo conversiones altas (X=0.91) aproximadamente. Empleando el método integral se llegó a que la reacción de saponificación del acetato de etilo e hidróxido de sodio era de segundo orden a nivel global y de primer orden para cada especie, además la relación entre los reactivos era igual a la unidad M=CBOCAO=0.20.2 =1, lo que permitió deducir de antemano el orden de la reacción [2]. A parte del método integral existen otros métodos para el tratamiento de datos y de estos hallar la cinética de la reacción como lo son el método diferencial, análisis de mínimos cuadrados, métodos de velocidades iniciales y método de vidas medias. Los parámetros cinéticos permiten conocer cómo se comporta la reacción desde el momento en que se inicia hasta su finalización, nos indica que tan rápido varía la concentración de un reactivo (o producto) en el tiempo. La constante de velocidad de reacción depende de la temperatura, asimismo la energía de activación cuando es grande, es muy sensible a la temperatura y poco sensible a ésta cuando la energía de activación es pequeña. Con la ley de Arrhenius, el factor de frecuencia (A) no afecta la sensibilidad a la temperatura [2]. El reactor batch es muy usado para operaciones a pequeña escala, experimentos en laboratorio, para procesar sustancias tóxicas, componentes altamente potentes o muy costosos, alcanza conversiones altas, se puede trabajar con sustancias que estén en fase gaseosa y/o líquida. Con esta práctica se pudo poner en práctica los métodos utilizados para el tratamiento de datos y a partir de estos realizar el respectico análisis de la cinética de la reacción, obteniendo valores de constante de velocidad, energía de activación, orden de reacción y factor de frecuencia, parámetros que son muy útiles al momento de desarrollar cualquier problema en la que se involucren reacciones químicas.

REFERENCIAS [1] H.S. Fogler, Elementos de ingeniería de las reacciones químicas, 3 ed. México. Prentice Hall, 2001, (capítulo 1, 3, 5).

[2] O. Levenspiel, Ingeniería de las reacciones químicas. México. Limusa Wiley, 2004, (capítulo 2, 6). [3] H. Tsujikawa, H. Inoue. “The Reaction Rate of the Alkaline Hydrolysis of Ethyl Acetate”. Bulletin of the Chemical Society of Japan. Vol.39 , No.9(1966)pp.18371842. Publicación electronic en línea: http://www.journalarchive.jst.go.jp/english/jnlabstract_en.php? cdjournal=bcsj1926&cdvol=39&noissue=9&startpage=1837 . Consultada el 4 de septiembre de 2010. [4] B. P. Gómez Lozano, G. F. González Carranza. “Simulation of a continuous reactor type shaken tank, lineal And nonlineal model with control”. Publicación electrónica en línea: http://cheis.cruzfierro.com/2007/sessions/sc04m . Consultada el 4 de septiembre de 2010. [5] A. Soto Bubert. “Apuntes de cinética química”. Publicación electrónica en línea: http://cabierta.uchile.cl/revista/14/articulos/pdf/14_10.pdf  . Consultada el 4 de septiembre de 2010. [6] L. Balland, L. Estel, J.-M. Cosmao, N. Mouhab. “A genetic algorithm with decimal coding for the estimation of kinetic and energetic parameters” , Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 50 (2000) 121–135. [7] J. Villermaux, Génie de la Réaction Chimique, Conception et fonctionnement des Réacteurs, Technique et Documentation Lavoisier, Paris, 1993, 448 pp.