PRÁCTICA 1 CINÉTICA DE UNA REACCIÓN HOMOGÉNEA CATALIZADA

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1 PRÁCTICA 1 CINÉTICA DE UNA REACCIÓN HOMOGÉNEA CATALIZADA 1.1. RECOMENDACIONES BÁSICAS DE SEGURIDAD Para la realización de esta práctica, debido a los reactivos que se utilizan, se recomienda el empleo de gafas de seguridad y guantes de látex para llevar a cabo la valoración con permanganato de potasio. El residuo final de permanganato de potasio ha de verterse en un dispositivo específico destinado a ello. 1.. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA Determinación de la ecuación cinética de la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno. Se analiza la influencia del catalizador usado y de la temperatura de reacción. 1.. FUNDAMENTO TEÓRICO La velocidad de un proceso químico catalizado depende de varios factores, de los cuales destacan: La concentración de los reaccionantes. La concentración del catalizador (en presencia o no de promotores). La temperatura. La reacción objeto de estudio, mostrada en la ecuación 1.1, sigue una cinética de primer orden. La ecuación de velocidad viene dada por la expresión Ec. 1. : k H O H O O Ec. 1.1 dch O ( r HO ) k C HO Ec. 1. dt La velocidad de reacción depende de dos variables: la concentración del reactivo y la constante cinética k (que depende a su vez de la temperatura de reacción y del catalizador utilizado), siendo por tanto una constante cinética aparente, k obs. La velocidad de una reacción aumenta con el incremento de la temperatura. El coeficiente cinético está ligado con la temperatura mediante la ecuación de Arrhenius según se indica en la ecuación 1.. donde k o es el factor preexponencial y E a /RT k k e Ec.1. o E a es la energía de activación de la reacción. 1

2 En esta práctica, se va a analizar la influencia sobre la cinética de descomposición del peróxido de hidrógeno del tipo de catalizador (mediante ensayos a temperatura constante) y de la temperatura. Para la determinación de los parámetros cinéticos se pueden utilizar dos métodos: el integral y el diferencial. En el método integral se selecciona una forma de ecuación cinética. Se integra y la forma integrada permite deducir las coordenadas para que la representación de la función de la concentración obtenida frente al tiempo sea una recta. Si los datos experimentales se distribuyen sobre la recta, decimos que es satisfactoria la ecuación cinética seleccionada. En el método diferencial, se ensaya directamente el ajuste de la expresión cinética a los datos, sin integración alguna. Como esta expresión es diferencial, antes de realizar el procedimiento de ajuste se han de calcular valores de dc HO /dt a partir de los datos experimentales MATERIAL Y REACTIVOS Reactivos - Disolución de H O de vol. (0,178 mol/l) - Disolución de KMnO 4 0,0 M - Disolución de H SO 4 0,667 M - Disolución de cloruro de hierro (III) (0,05 moles de FeCl + 0,4 moles de HCl por litro). - Disolución de cloruro de hierro (III) y cloruro de cobre (II) (0,05 moles de FeCl + 0,005 moles decucl + 0,4 moles de HCl por litro). Las disoluciones de H O, de los catalizadores y de agua destilada deben estar introducidas en el interior de un baño termostático a la temperatura de reacción (Temperatura ambiente/ 5 ºC/ 45 ºC) Material - El reactor es un recipiente de 400 ml de volumen que se debe mantener continuamente agitado y calorifugado (Figura 1.1). - Cristalizador con agua a la temperatura de reacción. - Termómetro digital. - Probeta de 50 ml. - Probeta de 100 ml. - Bureta de 5 ml con pie. - Pipeta de 5 ml. - 5 erlenmeyer de 50 ml. - Vaso de precipitados de 100 ml. - Embudo. - Cronómetro. - Pera succionadora.

3 Figura Montaje para el estudio de la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Ensayos para observar la influencia del catalizador Para analizar la influencia de un determinado tipo de catalizador sobre la reacción de descomposición del H O, se llevaran a cabo los tres experimentos siguientes: a) Descomposición del H O sin catalizador (concentración cero). b) Descomposición del H O con catalizador b.1.) Con FeCl b..) Con FeCl (promotor) La temperatura para los tres ensayos es de 5 ºC. El procedimiento a seguir en cada uno de los ensayos en el siguiente: a) Reacción sin catalizador Se ponen en el reactor 50 ml de H O y 50 ml de H O destilada. El reactor debe estar sumergido en un baño de agua para mantener la temperatura constante. El curso de la reacción puede seguirse valorando las muestras, tomadas a distintos intervalos de tiempo, con una disolución estándar de permanganato potásico.

4 La descomposición del H O se seguirá determinando la concentración del H O con el tiempo, ya que de todas las especies implicadas en la reacción, es la que permite una determinación más rigurosa. La reacción redox que permite valorar la concentración de peróxido de hidrógeno residual viene dada por la reacción mostrada en la ecuación 1.4 : KMnO H O + H SO 4 5 O + MnSO 4 + K SO H O Ec 1.4 Para ello se retiran del interior del reactor, a intervalos aproximados de tiempo de 4 ó 5 minutos, 5 ml de la mezcla reaccionante. Se añaden 100 ml de agua destilada (con el objeto de frenar la reacción) y 1 ml de la disolución de H SO 4, y se valoran con KMnO 4. Se determinará la cantidad de H O que queda sin transformar en cada momento. En total se tomarán 5 muestras. b.1) Reacción con FeCl como catalizador Se realiza la misma secuencia de operaciones del ensayo a), pero utilizando 50 ml de H O y 50 ml de catalizador, disolución de FeCl. b.) Reacción con FeCl como catalizador Se realiza la misma secuencia de operaciones del ensayo a), pero en este caso, utilizando 50 ml de H O y 50 ml de catalizador, disolución de FeCl (donde este último actúa como promotor) Ensayos para observar la influencia de la temperatura. Se realizará el ensayo b.1) con FeCl como catalizador para dos temperaturas diferentes: temperatura ambiente y 45 ºC CÁLCULOS Y TOMA DE DATOS Ensayos para observar la influencia del tipo de catalizador 1) En el laboratorio se completarán las Tablas 1.1 a 1. incluyendo el volumen de disolución de permanganato consumido en la valoración de cada muestra, tomada a un determinado tiempo. Es necesario apuntar también la temperatura media real del experimento. Tabla Reacción sin catalizador (5 ºC). 4

5 Tabla 1..- Reacción con FeCl como catalizador (5 ºC). Tabla 1..- Reacción FeCl como catalizador (5 ºC). ) Teniendo en cuenta la reacción de valoración redox mostrada en la ecuación 1.4, calcula la concentración de H O no reaccionada para cada tiempo de muestreo y ensayo realizado. ) Aplica el método integral para confirmar el orden de reacción y calcular la constante cinética para cada uno de los ensayos. Integrando la ecuación 1. se obtiene la ecuación 1.5 : (C H O ) o ln k t CH O Ec. 1.5 (C H O ) o Representando ln frente al tiempo, de la pendiente se obtendrá el valor CH O de k para un determinado ensayo Ensayos para observar la influencia de la temperatura Completa las Tablas 1.4 y 1.5. Tabla Reacción con FeCl como catalizador (Temperatura ambiente = ºC). Tabla Reacción con FeCl como catalizador (45 ºC). Es necesario anotar la temperatura media real de los ensayos. 5

6 1.7. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 1) Representa y comenta como varía la concentración de peróxido de hidrógeno con el tiempo en una gráfica conjunta para: 1.1 Los tres ensayos del apartado A las tres temperaturas, utilizando FeCl como catalizador. ) Representa las gráficas de aplicación del método integral (según punto del apartado 1.6.1) para el cálculo de todas las constantes cinéticas. Debes presentar dos gráficas que muestren la influencia del tipo de catalizador y la influencia de la temperatura en los valores de la constante cinética. Adjunta las tablas de los valores utilizados. ) Tabula y comenta los valores de las constantes cinéticas obtenidas:.1 Para cada uno de los ensayos realizados a 5 ºC y con distintos catalizadores.. Para las tres temperaturas de reacción. 4) Representa los valores de ln k frente a 1/T (ecuación de Arrhenius linealizada) para la reacción de descomposición de H O, usando FeCl como catalizador. Calcula la energía de activación y el factor preexponencial. 5) Escribe la ecuación cinética completa (incluyendo valores de ko y E a ). 6) Para el caso de la reacción de descomposición del H O sin catalizador, utiliza el método diferencial para determinar la constante cinética. Comenta los valores de la constante cinética obtenidos con los dos métodos de análisis de datos BIBLIOGRAFÍA GONZÁLEZ VELASCO, J.R. y cols. "Cinética Química Aplicada". Síntesis, Madrid, LEVENSPIEL, O. "Ingeniería de las Reacciones Químicas". Limusa, México,