Cinética de la hidrolisis del acetato de etilo

Xxxxxxxxxx nombres xxxxxxxx

Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia

RESUMEN

Se estudió el cambio de concentración en el tiempo de la hidrolisis del acetato de etilo (AE) catalizada por ácido clorhídrico. La técnica usada consistió en la valoración con hidróxido de sodio de muestras reactivas cada cierto tiempo en inérvalos iguales. Se obtuvo un aumento del volumen de base gastado correspondiente a la formación de acetato de etilo. Lo que permitió conocer la concentración de AE en el tiempo en que se tomó la muestra. Los datos de concentración se usaron para determinar el orden de la reacción por un método gráfico. Finalmente se comprobó el comportamiento esperado y se calculó la contante específica de la ley de velocidad.

Palabras clave: cinética, orden de reacción, ley de velocidad

1. Introducción

Uno de los problemas fundamentales que se presentan en sistemas que involucran reacciones químicas, como por ejemplo, al diseñar o simular la operación de un reactor, es el conocimiento de los modelos cinéticos, los cuales pueden ser obtenidos experimentalmente.

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 es la variación de la concentración de reactivos o productos que toman parte en la reacción, con el tiempo. En una reacción del tipo:

aA+bB→cC+dD

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:

−d [A ]dt

;−d [B ]dt

;−d [C ]dt

;−d [D ]dt

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 estequiometria de la reacción, por:

V=−1a

d [A ]dt

=−1b

d [B ]dt

=−1c

d [C ]dt

=−1d

d [D ]dt

Debido al contexto anterior, se realizó la hidrólisis de acetato de etilo en presencia de HCl como catalizador. La reacción es irreversible:

C2H 5COOC2H 5+H 2OHCl→

C H 3COH+C2H 5OH

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.:

V=k [A ]∝ [B ]β [C ]γ…

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. Por tanto en este trabajo estudiaremos algunas formas de interpretar datos obtenidos de forma experimental para determinar el orden de reacción.

2. Procedimiento

Se vertió en un tubo de ensayo 5ml de acetato de etilo (AE) de densidad

ρ=0,9g /ml. En un Erlenmeyer se colocó 100ml de ácido clorhídrico 1N. Se tomaron cuatro Erlenmeyer más y se agregaron 50ml de agua destilada y dos gotas de fenolftaleína en cada uno de estos. Cuando se tuvo dispuestos los reactivos se tomó el acetato de etilo y se agregó al ácido clorhídrico y se colocó en un agitador magnético donde se esperó 7min para tomar la temperatura y una muestra de 5ml, que se agregó a una de las muestras de agua. Luego se tituló con hidróxido de sodio 0,2N registrando el volumen gastado, y la temperatura final e inicial. Después de 7min de tomar la primera muestra reactiva de acetato de etilo se tomó una segunda, y se realizó el mismo procedimiento de titulación y toma de temperaturas. Este procedimiento se repitió dos veces más en intervalos de 7min para obtener así cuatro muestras de estudio.

3. Resultados y discusión

Para conocer la concentración de acetato de sodio en un tiempo t, debido a que la reacción es equimolar, es decir, por cada mol de acetato de etilo se produce un mol de ácido acético. Entonces basta con restar la cantidad de ácido acético formado por la hidrolisis. La concentración de ácido acético se determina por titulación con NaOH de concentración conocida. Sin embargo se

debe restar la cantidad de base gastada en neutralizar el HCl presente en la muestra reaccionante de 5ml.

La concentración del HCl es de 1M inicialmente, después de agregar el acetato de etilo la concentración es de 0,952M

1N= eq HCl0,100 L

0,1eq HCl×36,45 g1eq HCl

×1mol36,45 g

=0,1mol

En el Erlenmeyer donde se efectúa la reacción, la concentración de HCl es:

0,1mol HCl0,105 L

=0,952M

Los moles de HCl en una muestra de 5ml

mol H Cl=(0,952M ) (0,005 L )=0,00476mol HCl

En necesario conocer el volumen de NaOH requerido para neutralizar 0,00476mol HCl. Como la reacción es equimolar se necesita la misma cantidad de moles de la base.

V NaOH=0,00476mol HCl0,2M

=0,024 L=24ml

De forma similar como se calculó la concentración HCl, en el Erlenmeyer donde se efectúa la reacción se obtiene la concentración inicial del acetato de etilo:

5ml AE×0,9g AE1ml AE

×1mol AE88,11 g

=0,0511mol AE

0,0511mol AE0,105 L

=0,486M

En una alícuota de 5ml en t = 0, cuando no ha ocurrido reacción

(0,486M ) (0,005 )=0,00243mol AE

El volumen de hidróxido de sodio gastado en la titulación de las muestras reaccionantes de AE en medio acido, como era de esperarse aumentan con el transcurrir del tiempo. Esto se debe a que al reaccionar el AE, la cantidad de ácido acético producido aumenta. Por tanto se requiere una mayor cantidad de base neutralizar por completo el ácido. Los datos se muestran en la tabla 1.

Tabla 1 datos de concentración de acetato de etilo

Tiempo

(min)

Volumen

NaOHgastado

molesCH 3C 00Hformado

concentración

AE sinreaccionar

0 --- 0 0,486

7 0,029 0,0010 0,278

14 0,034 0,0020 0,078

21 0,0355 0,0023 0,018

28 0,036 0,0024 0,002

Los moles de ácido acético formado se obtienen del volumen de NaOH gastado en su neutralización, que se consigue restando al volumen total, el volumen gastado en neutralizar el HCl.

0,00476mol HCl0,2M

=0,0024 L NaOH

0,029 L−0,024 L=0,005 L

(0,005 L)(0,2M )=0,0010mol CH3C00H

Debido a que la reacción es equimolar, la concentración de AE sin reaccionar se obtiene restando los moles de ácido acético de los moles de AE iniciales. Como se multiplico por 0,005; se divide por la misma cantidad para encontrar la concentración de

AE en el Erlenmeyer donde ocurre la reacción.

Moles restantes de AE:

0,00243mol−0,0010mol=0,00139mol AE

0,00139mol AE0,005 L

=0,278M AE

De la misma forma se calculan el resto de concentraciones de la tabla 1.

Para determina el orden de reacción partimos del siguiente análisis: la velocidad de reacción debe ser proporcional a la concentración de los reactivos. Entonces para la reacción estudiada en este trabajo.

−r AE=k Si la reacción es de orden cero

−r AE=k CAE Si la reacción es de orden 1

−r AE=k CAE2 Si la reacción es de orden 2

De acuerdo con esto el cambio de la concentración debe ser igual a la formación de los productos:

dC AE

dt=r AA

Entonces

dC AE

dt=−k ;

dC AE

dt=−k C AE

;

dC AE

dt=−k C AE

2

Integrando con C t=Cα en t = 0, se obtiene:

C t=Cα−kt Para orden cero

ln (Cα

Ct)=kt Para orden 1

Al grafica las ecuaciones anteriores con los datos de la tabla 1 obtenemos los siguientes gráficos

0 5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

f(x) = − 0.0172857142857143 x + 0.4108R² = 0.872834754573723

tiempo

Ct

fig. 1 comportamiento de la concentración para orden cero

Una gráfica del cambio de concentración en el tiempo verifica que la reacción no es de orden cero. Puesto que la curva resultante es muy pronunciada, lo que hace descartar este orden de reacción.

0 5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

f(x) = 0.195091896568578 x − 0.482501532071943R² = 0.956918620806618

tiempo

ln(Cα/

Cα-Ct)

fig. 2 comportamiento de la concentración para orden cero

La grafica que se muestra en la figura 2 presenta un comportamiento más lineal, aunque no del todo, posiblemente por errores en la toma de los datos o manipulación de los reactivos. Otro criterio en el que nos apoyamos es el ajuste lineal, que arroja un R2 es más cercano a 1. Lo que nos permite inferir que el orden de la reacción es 1.

k=0,1951

La constante específica de la velocidad se puede inferir del ajuste lineal. Si se hace una comparación con la ecuación de la gráfica y la se observa que le valor de la constante de velocidad corresponde al valor de la pendiente

4. Conclusión

Se ha demostrado que el orden de la reacción de la hidrolisis del acetato de etilo es uno. El comportamiento del volumen de NaOH gastado en la titulación presento un aumento consecutivo bastante próximo al esperado. Las gráficas construidas a partir de los datos de concentración obtenidos por titulación para un orden de reacción diferente de 1. Arrojan un comportamiento que se desvía del comportamiento lineal esperado. El ajuste lineal también permite determinar el valor de la constante de velocidad específica.

BIBLIOGRAFÍA

[1] cinética de las reacciones químicas, J. F. Izquierdo, F. Cunill, J. Tejero, universidad de Barcelona, España, 2004, pág. 134

[2] A. Fersht, estructura y mecanismo, editorial reverte, Barcelona, España, 1980, pág. 344

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[4] H. S. Fogler, elementos de ingeniería de las reacciones químicas, tercera edición, Prentice Hall, México, 2001, pág. 267

[5] A. V. Ortuño, Introducción a la química industrial, editorial reverte, Barcelona, España, 1994, pág. 210