Termoquímica

Química. Física. Peróxido. Descomposición. Oxígeno. Catálisis. Catalizador. Hidrógeno

  • Enviado por: Ruben Vidal
  • Idioma: castellano
  • País: Perú Perú
  • 21 páginas
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FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE FÍSICO - QUÍMICA

TABLA DE CONTENIDOS

Pág.

Introducción …………………………………………………

Resumen…….………………………………………………..

Principios Teóricos…………………………………………..

Tabulación de Datos …………………………..…………..

Tabulación de Resultados……………………………………

Obtención de los resultados………………………………..

Análisis y Discusión de Resultados…………………………

Conclusiones…………………..…………………………….

Recomendaciones……………………………………………

Bibliografía………………………………………………….

Apéndice…………………………………………………...

INTRODUCCIÓN

En este experimento estudiamos la velocidad de descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno, donde determinamos experimentalmente la constante de velocidad y donde vemos que el peroxido se descompone con producción de oxígeno, espontánea y muy lentamente.

Vemos que el catalizador no reacciona con el peroxido ni interviene en la reacción si no lo que hace es acelerar el proceso.

El término catálisis agrupa al conjunto de procedimientos y conocimientos que permiten que la velocidad con la que trascurre una reacción se incremente in-situ.

El concepto de velocidad de reacción traduce la rapidez con la que en un sistema se produce una transformación química. La reacción química global se lleva a cabo a través de etapas las cuales en su conjunto constituyen el mecanismo de reacción. La velocidad se define en términos de parámetros que pueden ser medidos durante la transformación; así, podemos definirla como la variación de la concentración de uno de los reactivos que desaparece, o de uno de los productos que aparece, en el sistema respecto del tiempo.

RESUMEN

En este informe nuestros objetivos fueron como determinar mediante métodos gráficos el Orden, la Constante de Velocidad y de Energía de Activación de una reacción, a su vez también fue el de dar a entender la tremenda significación que tienen estos cálculos en las reacciones químicas haciendo posibles las predicciones de ellas a determinadas condiciones.

Las condiciones a las que se trabajo esta práctica fueron las siguientes: P(mmHg) =756, Temperatura(°C) = 19 y humedad relativa (HR%)=92.

Primero colocamos en el reactor 1ml de solución catalizadora (FeCl3) y 8ml de agua destilada, y lo introducimos en el termostato (primero a25°C y luego a 35°C).

Acto seguido nivelamos el nivel de la bureta. Luego de 10 minutos de estar en el termostato, en el reactor vertimos 1ml de peróxido de hidrógeno, cerramos el reactor con el tapón y agitamos. La llave superior se mantiene abierta durante 1 minuto y luego se cierra.

Luego nivelamos el agua de la bureta y del vaso nivelador y realizamos la primera medición. Continuamos tomando mediciones de tiempo cada 30 segundos hasta que la diferencia entre mediciones sea mínima (observamos que a 35 °C el intervalo es menor que en el de 25°C).

A continuación sumergimos el reactor en un baño de agua en ebullición, donde se mantiene hasta la descomposición total del peróxido.

Finalmente cambiamos el reactor a un baño de agua que se encuentra a temperatura inicial de trabajo(25 ó 35 °C), lo mantenemos hasta observar que el nivel de la bureta se mantiene constante, luego igualando la presión externa con el recipiente indicador medimos el volumen final (38.5 ml a 25°C y 40.5ml a 35 °C).

Obteniendo así la Energía de Activación de la reacción('Termoquímica'
).

Podemos concluir que en el experimento de catálisis la liberación de oxígeno se obtiene más rápidamente con el aumento de temperatura. Esto lo podemos atribuir a que las moléculas del compuesto vibran a una mayor velocidad a causa de la mayor temperatura.

Como recomendación final se debe tomar una mayor cantidad de mediciones a diversas temperaturas con lo cual podríamos sacar valores promedios de energía de activación, concentraciones, etc.


DATOS TEÓRICOS

CATALISIS

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción y que puede recuperarse al final en su estructura original. Si una sustancia disminuye la velocidad de una reacción, se denomina inhibidor o catalizador negativo.

La velocidad de una reacción esta determinada por las velocidades de las varias reacciones que hacen parte de su mecanismo.

El concepto de velocidad de reacción traduce la rapidez con la que en un sistema se produce una transformación química. La reacción química global se lleva a cabo a través de etapas las cuales en su conjunto constituyen el mecanismo de reacción. La velocidad se define en términos de parámetros que pueden ser medidos durante la transformación; así, podemos definirla como la variación de la concentración de uno de los reactivos que desaparece, o de uno de los productos que aparece, en el sistema respecto del tiempo.

La función general de un catalizador consiste simplemente en suministrar un mecanismo adicional por medio del cual los reaccionantes puedan transformarse en productos. Este mecanismo alterno tiene una energía de activación menor que la energía de activación del mecanismo en ausencia del catalizador, de manera que la reacción catalizada es más rápida. Consideremos los reaccionantes A, transformándose en los productos B por medio de un mecanismo no catalizador, a una velocidad Vo. Si suministramos un mecanismo adicional por medio de un catalizador, de modo que B se forma a una velocidad Vc mediante el mecanismo catalítico, entonces la velocidad total de formación de B es la suma de las velocidades de formaciones en cada trayectoria.

a) reacción no catalizada : Velocidad = Vo

b) reacción catalizada : Velocidad = Vo + Vc

Acontece a menudo que en ausencia de un catalizador, la reacción es considerablemente baja, Vo = 0, por tanto, V = Vc. La velocidad Vc, generalmente es proporcional a la concentración del catalizador.

Para que una catalizador funcione de esta manera debe combinarse químicamente ya sea con uno o mas de los reaccionantes, o al menos con una de las especies intermedias envueltas. Como tiene que regenerarse después de una serie de reacciones el catalizador puede actuar indefinidamente. Como resultado, una pequeña porción del catalizador produce un gran aumento de reacción, así como una mínima concentración de radicales en una reacción en cadena origina una gran cantidad de producto.

La reacción de un inhibidor no describirse tan sencillamente, ya que puede actuar de diferentes maneras. Un inhibidor puede disminuir una reacción en cadena, en forma de radicales, combinándose con los mismos radicales; el oxido nítrico funciona de esta manera. En otros casos, el inhibidor es consumido al combinarse con uno de los reaccionantes y solo retrasa la reacción hasta agotarse. Algunos inhibidores pueden "envenenar" una traza de un catalizador cuya presencia no se sospechaba.

De manera general, las características de una reacción pueden ser determinadas si se conoce a cada instante la composición química del sistema. En la mayoría de las reacciones, la velocidad de transformación es proporcional a la concentración de reactivos elevados a una potencia; por ejemplo para la reacción

A + B 'Termoquímica'
Productos

V ð [A]p[B]q , o V = k[A]p[B]q

donde

k = constante de proporcionalidad

(constante de velocidad)

p y q = órdenes parciales de reacción

p + q = n = orden global de reacción

Los órdenes de velocidad pueden ser enteros, fraccionarios, positivos, negativos, o aun cero. En general este orden no está relacionado con la estequiometría de la reacción, sino más bien con el mecanismo de la misma.

Para que una reacción química se lleve a cabo, es necesario suministrar una cierta cantidad de energía a las moléculas de reactivo. Esto puede ser representado de la manera siguiente para la reacción anterior (Figura 1).

'Termoquímica'

Figura 1. Diagrama de energía potencial para una reacción exotérmica.

Las moléculas de A y B son "activadas" de manera que se favorezca su combinación para llegar a un cierto "estado de transición" o "complejo activado" (AB en el diagrama), el cual al descomponerse puede dar lugar a los productos. La barrera energética que separa los reactivos de los productos se denomina energía de activación. La velocidad de reacción depende de esa energía de activación a través de la constante de velocidad (k). Esta constante de velocidad depende también de la temperatura y la forma matemática de representarla es a través de la llamada ley de Arrhenius.

'Termoquímica'

Donde:

k

= constante de velocidad

k0

= factor preexponencial

Ea

= energía de activación

R

= constante de los gases ideales

T

= Temperatura en grados K

De la ecuación de Arrhenius podemos observar que la dependencia de la velocidad de reacción con respecto a la barrera energética (Ea) es inversamente exponencial.

El término k0 o factor preexponencial comprende el número de choques efectivos entre las moléculas de reactivo encontrando su origen en la teoría cinética de los gases. El término exponencial que incluye la energía de activación en la ecuación anterior es mayor que el término preexponencial (k0) siendo por tanto generalmente el factor determinante de la velocidad de una reacción química. En la figura anterior se observa que los productos se encuentran en un nivel energético menor que los reactivos, lo que significa que durante la reacción se ha producido un desprendimiento de energía (generalmente en forma de calor). La reacción en cuestión se denomina entonces exotérmica. Si se hubiera producido el fenómeno inverso la reacción sería endotérmica.

W. Ostwald fue el primero en señalar que la presencia de un catalizador en el sistema de reacción se limita a modificar la velocidad de la transformación. El catalizador no se considera ni reactivo ni producto en la reacción.

Otras definiciones de catalizador son:

- Un catalizador es una sustancia que sin estar permanentemente involucrada en la reacción, incrementa la velocidad con la que una transformación química se aproxima al equilibrio.

- Un catalizador es una sustancia que químicamente altera un mecanismo de reacción así como la velocidad total de la misma, regenerándose en el último paso de la reacción.

Las principales características que distinguen a un catalizador son:

a) Un catalizador no puede actuar en reacciones termodinámicamente imposibles (ðGo>0). Esto literalmente significa que un catalizador no hace milagros. De la misma forma que la termodinámica establece que no puede existir la máquina de movimiento perpetuo, también delimita el campo de acción de los catalizadores.

b) Para una reacción en equilibrio,

'Termoquímica'

el catalizador no modifica el valor de la constante de equilibrio Ke='Termoquímica'
. Como consecuencia de lo anterior, un aumento de la velocidad en una dirección es acompañado por un aumento similar en la constante de velocidad de la reacción inversa (k2). En un sentido práctico esto quiere decir que un catalizador de una reacción lo es igualmente para la reacción inversa.

Esta condición se aplica igualmente al mecanismo catalítico bajo el principio de microrreversibilidad que dice que la reacción debe seguir los mismos pasos en un sentido o en el otro.

c) El catalizador puede tener uno o dos efectos sobre un sistema, un efecto acelerador o un efecto orientador. En el segundo caso, la función catalítica se observa en la variación de los valores de selectividad de un proceso cuando varias direcciones son termodinámicamente posibles. Así por ejemplo, el alcohol etílico puede descomponerse según las reacciones siguientes

 

'Termoquímica'

 

I

 

II

La utilización de óxido de zinc como catalizador conduce casi exclusivamente a la reacción I. Si se emplea cobre como catalizador, la reacción II se produce en mayor extensión.

¡El hecho de que el catalizador abra una nueva ruta de reacción también se puede traducir en que la reacción llegue a otro lugar diferente del que deseábamos!

TABULACIÓN DE DATOS

1.-Volúmenes Utilizados:

Tabla Nº1

Catalizador(FeCl3)

H2 O

Peróxido (H2O2)

Volúmenes (ml)

1

8

1

2.-Volúmenes Experimentales (25ºC):

Tabla Nº2

Tiempo(s)

Vt(ml)

Tiempo(s)

Vt(ml)

Tiempo(s)

Vt(ml)

30

1

420

12.3

810

20.2

60

2.5

450

13.1

840

21

90

3.5

480

13.7

870

21.4

120

4.5

510

14.4

900

22.1

150

5.4

540

15.3

930

22.8

180

6

570

15.5

960

23.3

210

7

600

16.3

990

23.8

240

7.7

630

16.9

1020

24.3

270

8.5

660

17.5

1050

24.7

300

9.4

690

18.1

1080

25

330

10.2

720

19

1110

25.2

360

11

750

19.5

1140

25.4

390

11.6

780

19.9

V'Termoquímica'

38.5

3.-Volúmenes Experimentales (35ºC):

Tabla Nº3

Tiempo(s)

Vt(ml)

Tiempo(s)

Vt(ml)

Tiempo(s)

Vt(ml)

30

2

300

18.5

570

29.8

60

4.5

330

21

600

30.4

90

7

360

21.8

630

31.3

120

8.6

390

23

660

32

150

10.2

420

24

690

32.5

180

11.6

450

25.5

720

33

210

13.5

480

26.5

750

33.2

240

15

510

27.6

780

33.4

270

16.9

540

29

V'Termoquímica'

40.5

TABULACIÓN DE RESULTADOS

1.-Valores de V'Termoquímica'
:

Tabla Nº4

Temperatura (ºC)

Volumen Infinito V'Termoquímica'
(ml)

25

38.5

35

40.5

2.-Valores a 25 (ºC) :

Tabla Nº5

Tiempo(s)

V'Termoquímica'
- Vt

log(Voc Vt)

Tiempo(s)

V'Termoquímica'
- Vt

log(Voc Vt)

30

37.5

1.57

600

22.2

1.35

60

36

1.56

630

21.6

1.33

90

35

1.54

660

21

1.32

120

34

1.53

690

20.4

1.31

150

33.1

1.52

720

19.5

1.29

180

32.5

1.51

750

19

1.28

210

31.5

1.5

780

18.6

1.27

240

30.8

1.49

810

18.3

1.26

270

30

1.48

840

17.5

1.24

300

29.1

1.46

870

17.1

1.23

330

28.3

1.45

900

16.4

1.21

360

27.5

1.44

930

15.7

1.2

390

26.9

1.43

960

15.2

1.18

420

26.2

1.42

990

14.7

1.17

450

25.4

1.4

1020

14.2

1.15

480

24.8

1.39

1050

13.8

1.14

510

24.1

1.38

1080

13.5

1.13

540

23.2

1.37

1110

13.3

1.12

570

23

1.36

1140

13.1

1.12

3.-Valores a 35 (ºC) :

Tabla Nº6

Tiempo(s)

V - Vt

log(Voc Vt)

Tiempo(s)

V - Vt

log(VocVt)

30

38.5

1.59

420

16.5

1.22

60

36

1.56

450

15

1.18

90

33.5

1.53

480

14

1.15

120

31.9

1.5

510

12.9

1.11

150

30.3

1.48

540

11.5

1.06

180

28.9

1.46

570

10.7

1.03

210

27

1.43

600

10.1

1

240

25.5

1.41

630

9.2

0.96

270

23.6

1.37

660

8.5

0.93

300

22

1.34

690

8

0.9

330

19.5

1.29

720

7.5

0.88

360

18.7

1.27

750

7.3

0.86

390

17.5

1.24

780

7.1

0.85

OBTENCION DE LOS RESULTADOS

1.-Cálculo de las Constantes de Velocidad (k1 y k2 ):

'Termoquímica'

Entonces : 'Termoquímica'
'Termoquímica'

a.-La pendiente a la Temperatura de 25 ºC:

'Termoquímica'
'Termoquímica'

'Termoquímica'

b.-La pendiente a la Temperatura de 35 ºC:

'Termoquímica'
'Termoquímica'

'Termoquímica'

2.-Cálculo de la Energía de Activación ( Ea ):

'Termoquímica'

'Termoquímica'

'Termoquímica'

ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

Como hemos podido notar, cuando la temperatura se incrementa para realizar la descomposición, la velocidad también aumenta proporcionalmente.

Según lo que indica la teoría cinética para aumentos de temperatura en 10°C, las velocidades deben variar entre 200% a 300% de donde se deduce que hay un porcentaje de error en la energía de activación.

CONCLUSIONES

  • Podemos concluir que en el experimento de catálisis la liberación de oxígeno se obtiene más rápidamente con el aumento de temperatura. Esto lo podemos atribuir a que las moléculas del compuesto vibran a una mayor velocidad a causa de la mayor temperatura.

  • Al irse descomponiendo el peróxido de Hidrogeno, el Oxígeno va desplazando al agua contenida en la bureta variando así su volumen los cuales son tomados por intervalos de tiempos definidos. Observamos que los intervalos de tiempo van disminuyendo

  • Otra conclusión importante es que a mayor velocidad de reacción mayor temperatura, esto se aprecia en los gráficos de Log(V4/(V4 -Vr) vs. t.

  • La constante de velocidad de una reacción varía con la temperatura, son directamente proporcionales ya que al incrementarse la temperatura se incrementa la velocidad de reacción

  • Por último se observa que la energía de activación es positiva lo que indica que el calor de activación es suministrado a las moléculas, esto se debe que es el medio el que realiza el trabajo sobre el sistema y no lo inverso.

RECOMENDACIONES

  • Para tener datos con mejores aproximaciones, recomendamos trabajar a diferentes temperaturas, así el valor de la energía de activación también será más exacto.

  • Así mismo, se debe tener en cuenta siempre el estado de los equipos de trabajo, al igual que los instrumentos.

  • La medición de los tiempos se debe realizar con un cronómetro para obtener mejores resultados.

  • Se recomienda también obstruir de la mejor manera posible el tubo de escape de gas al momento de realizarse la catálisis.

  • Es recomendable crear un sistema por el cual el medio se mantenga a una misma temperatura (temperatura experimental) con esto se lograría datos más exactos con respecto a las concentraciones.

  • Se debe tomar una mayor cantidad de mediciones a diversas temperaturas con lo cual podríamos sacar valores promedios de energía de activación, concentraciones, etc.

BIBLIOGRAFIA

  • PONS MUZZO, G., Fisicoquímica, quinta edición 1981. Págs. 543-577.

  • SAMUEL B. NIGHT, Fundamentos de Fisicoquímica, Edit. Continental S.A. Segunda Edición. Págs. 361-384.

  • MARON S., PRUTTON C. Fundamentos de Fisicoquímica, 1era. edición Limusa, México, 1973.

  • CHANG, RAYMOND. Quimica , cuarta edicion, primera edicion en español, McGraw-Hill, España,1997.

APENDICE

  • ¿Cuando se dice que las moléculas se encuentran en estado activado? ¿Como influye la temperatura?

  • Para que una reacción química se lleve a cabo, es necesario suministrar una cierta cantidad de energía a las moléculas de reactivo. Esto puede ser representado de la manera siguiente para la reacción anterior (Figura 1).

    'Termoquímica'

    Figura 1. Diagrama de energía potencial para una reacción exotérmica.

    Las moléculas de A y B son "activadas" de manera que se favorezca su combinación para llegar a un cierto "estado de transición" o "complejo activado" (AB en el diagrama), el cual al descomponerse puede dar lugar a los productos. La barrera energética que separa los reactivos de los productos se denomina energía de activación. La velocidad de reacción depende de esa energía de activación a través de la constante de velocidad (k). Esta constante de velocidad depende también de la temperatura (al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de reacción esto se debe a que las moléculas del compuesto vibran con mayor rapidez) y la forma matemática de representarla es a través de la llamada ley de Arrhenius.

  • ¿Cuál es la función de un catalizador en una reacción?

  • La función general de un catalizador consiste simplemente en suministrar un mecanismo adicional por medio del cual los reaccionantes puedan transformarse en productos. Este mecanismo alterno tiene una energía de activación menor que la energía de activación del mecanismo en ausencia del catalizador, de manera que la reacción catalizada es más rápida.

  • Explique el proceso de autocatálisis.

  • La autocatálisis es una reacción química en la que uno de los productos formados se desempeña en el papel de catalizador.