INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR ENCUADRE CINETICA Y REACTORES HOMOGENEOS

Presentación Reglamento (ver el de la bitácora) INFORMACION ADICIONAL a) Material que deberán traer en todas las sesiones, además de lo indicado en el punto uno del reglamento: Pro pipeta por equipo Franela por equipo (de preferencia gris) Jabón líquido para trastes 250 ml (por sección se entrega una vez) equipo 1 1 rollo grande de papel para secar las manos (Jarcería) (por sección se entrega una vez) equipo 2 1 rollo de papel aluminio de los más pequeños (por sección se entrega una vez) equipo 3 10 jeringas de 10 ml y 10 jeringas de 5 mL (por sección se entrega una vez) equipo 4 DE NO TRAER EL MATERIAL COMPLETO LA PUNTUACION DE LA PRACTICA EN CUESTION BAJARA Y/O SE ANULARA b) No existe reposición de prácticas, ni existe Examen a Título, por lo que aunque no sean alumnos regulares y/o no estén inscritos, se deberá presentar las prácticas en algún grupo, de tal manera que deberán presentarse desde la primera sesión. c) Fecha límite para entrega de constancias de alumnos recursadores, será el___________________, sin prorroga. d) La calificación mínima aprobatoria es de 8 y/o el 80 %, por lo cual la asistencia mínima es del 80 %. e) Se debe acreditar él laboratorio para poder acreditar teoría y viceversa. REPORTE DE PRACTICAS DE LABORATORIO 1.- Los reportes se entregaran directamente en las copias de la bitácora, según la práctica en cuestión, engargolados del color que se indique (_______________), cada práctica deberá estar engargolada y correctamente contestada en su totalidad, no se reciben reportes en engargolado de otro color ni hojas sueltas. 2.-En caso de requerir: gráficos, dibujos, secuencias de cálculos, etc. Estos pueden hacerse en computadora y las hojas necesarias se pueden anexar y/o pegar en los espacios correspondientes, (NO SE RECIBEN HOJAS SUELTAS), cabe mencionar que el manual cuenta con los espacios necesarios para tal efecto. 3.- Se recogerán todos los reportes pero solo se calificará uno al azar, y en los demás solo se revisara y con base al reporte a calificar solo se calificará en cada caso la conclusión, por

lo que la calificación obtenida será para todos los integrantes del equipo diferente, dependiendo de la conclusión CONCLUSIONES Las conclusiones deben ser redactadas de manera individual, anexadas al reporte final y deben efectuarse con base a los objetivos de la práctica, es decir: sí quedo demostrado lo que se pretendía, sí los resultados no son los esperados explicar el porqué, no se obtuvo la correspondencia deseada. NO COPIAR LAS CONCLUSIONES DEL COMPAÑERO No se aceptan conclusiones: 1.- que describan los que se realizó en la práctica, sin mostrar resultados relevantes. Ejemplo: Primero se encendió el equipo UV-VIS, luego se encendió la parrilla, etc. 2.-Que sean párrafos de libros. 3.- que sean muy parecidas en redacción a la de los demás compañeros. * FORMACION Y UBICACIÓN DE EQUIPOS g) calendario de realización de las prácticas CALENDARIO DE PRÁCTICAS

NOTA: Anexar: encuadre, reglamento y calendario después de la portada del manual.

Fechas Actividad Responsables

28 de septiembre al 2 de octubre

Presentación Formación de equipos Presentaciones de seguridad en el laboratorio

Todos

5 al 17 de octubre

Práctica 1 Dilución del hierro en medio ácido

Iván Córdova Edgar Hernández

19 al 30 de octubre

Práctica 2 Obtención y tratamiento de datos cinéticos por el método integral y diferencial

Leticia Hernández Irán Moreno

2 al 13 de noviembre

Práctica 3 Influencia de la temperatura en la velocidad de reacción

Paty Paredes Irán Moreno

16 al 27 de noviembre

Práctica 4 Influencia de la concentración

Elim Albiter Pamela Guerra

30 de nov al 11 de dic

Práctica 5 Fotocatálisis

Laura Castro Edgar Hdz

Opcional Práctica 6 Reactores

Bertha Alvarado

REGLAMENTO DEL LABORATORIO DE REACTORES HOMOGÉNEOS Y CATALISIS

SON DE ESTRICTO CUMPLIMIENTO LOS SIGUIENTES LINEAMIENTOS Y RECOMENDACIONES: 1-. Para ingresar es obligatorio traer: bata de algodón abotonada y a la medida (no importa el color), gogles, guantes, zapato cerrado y cabello recogido. 2.-La tolerancia para ingresar al laboratorio de Ingeniería de Reactores será de 15 minutos. 3.- Haber estudiado los aspectos teóricos correspondientes y realizar el diagrama de bloques del desarrollo experimental de la práctica (según índique el profesor de laboratorio). 4.- Se prohíbe fumar e ingerir alimentos en el laboratorio. 5.- Permanecer en su puesto de trabajo en cada sesión y realizar un buen trabajo en equipo, colaborando con el mismo. 6.- Una vez terminada la sesión dejar limpio, ordenado y enjuagado con agua destilada el material que así lo requiera. 7.- No pipetear con la boca. 8.- Informar cuando haya ocurrido un accidente o un incidente. 9.- Evitar pipetear reactivos de su envase original, para evitar contaminaciones y el derrame de los mismos; poner poco más del necesario en un recipiente y de ahí tomar la cantidad requerida 10.- Traer el material requerido para las prácticas que así lo requieran.

PRÁCTICA Nº1 DILUCIÓN DEL HIERRO EN UN MEDIO ÁCIDO

1.1. OBJETIVOS - Adquirir las habilidades adecuadas para la toma de muestras, así como para

medir su concentración y determinar su relación respecto al tiempo. - Seleccionar el método más apropiado para la obtención de los datos cinéticos

para calcular la velocidad de reacción.

1.2. FUNDAMENTACIÓN TEORICA La cinética química es el área de la química que tiene relación con la velocidad de reacción, es decir la rapidez con la que ocurre una reacción química. En esta práctica aprenderemos como se mide en forma experimental la velocidad de una reacción. El término velocidad de reacción se refiere al cambio en la concentración de un reactivo o producto con respecto al tiempo (dCi/dt), por lo que para conocer este parámetro es necesaria la obtención experimental de los datos cinéticos, es decir el cambio de la concentración (o algún parámetro que varíe linealmente con ella) con respecto al tiempo. Para las reacciones en disolución por ejemplo, la concentración de algunas especies se puede medir por métodos espectroscópicos. Si participan iones, el cambio de concentración también se detecta por mediciones de conductividad térmica y las reacciones con gases se siguen a partir de medidas de presión ó conversión por métodos cromatográficos. En esta práctica se considerarán diversos métodos para medir la velocidad de la reacción de dilución de hierro en ácido clorhídrico, siguiendo la desaparición de los reactivos o la aparición de los productos. A continuación se describen los diferentes tipos de métodos que existen para la obtención de datos cinéticos. Métodos para la obtención de datos cinéticos El método que debe emplearse para seguir la cinética de una reacción química, depende de las fases en que se lleve a cabo la reacción (fase gaseosa o líquida, por ejemplo); en seguida se explica cómo proceder en cada caso.

Reacciones en fase gaseosa: Para este tipo de reacción; la composición de la mezcla gaseosa suele determinarse por análisis químicos. En años recientes; las técnicas de cromatografía de gases y espectrometría de masas han reducido considerablemente el tiempo requerido para dicho análisis. Uno de los métodos indirectos más comunes para las reacciones gaseosas, es la medición de la presión del sistema. Este método se puede aplicar cuando existe un aumento o disminución de la presión, causada por la variación del número de moléculas producidas por la reacción. Considere la descomposición del amoniaco en nitrógeno e hidrógeno:

2NH3N2+ 3H2

En un recipiente a volumen constante, la presión aumentará a medida que se verifique la reacción, pues la presión desarrollada por las cuatro moléculas de

producto, una de N y tres de H, es idealmente el doble de la correspondiente a dos moléculas reactantes. Las mediciones de presión pueden llevarse a cabo durante el curso de la reacción, conectando un dispositivo de medición de presiones al recipiente donde se verifica la reacción.

Reacción en solución: Cuando la reacción es estudiada se verifica en solución, los análisis de las concentraciones de los reactantes y de los productos suelen ser bastante simples. Uno de los métodos tradicionales para soluciones se basa en dividir la solución reactante en varias ampolletas selladas, colocarlas en un baño a temperatura constante y después extraerlas una por una en intervalos de tiempo predeterminado. La reacción de cada ampolleta individual se suspende enfriándola rápidamente en un baño de hielo, después de lo cual se abre la ampolleta y se extrae un volumen preciso de solución por medio de una pipeta. El contenido de la solución se determina con un método analítico apropiado. La velocidad de reacción del bromuro de metilo con agua, para producir alcohol metílico y ácido bromhídrico puede analizarse extrayendo muestras y titulando el ácido bromhídrico con solución valorada de NaOH:

CH3Br + H-O-H CH3OH + HBr

La cantidad de moles de NaOH requeridas para neutralizar el HBr, es igual a la cantidad de moles de HBr formado. Ésta es también la cantidad de moles de CH3Br que ha reaccionado. Existe otra forma de clasificar a los métodos experimentales que se usan para seguir la cinética química de una reacción en función de la propiedad que se determine experimentalmente, es decir, si se determina una propiedad física de una reacción, entonces, estaremos hablando de un método físico y si se determina la concentración de un producto o reactivo utilizando alguna reacción química, entonces estaremos hablando de un método químico. Existe un tercer método en el cual podemos conjuntar los dos métodos anteriores y es llamado método físico-químico o instrumental; en este método se evalúa una propiedad física, la cual sigue a lo largo de la reacción de estudio. Por ejemplo, si una reacción produce un cambio en el color de una solución debido a la desaparición de reactantes o a la aparición de productos se puede determinar el curso de la reacción midiendo el cambio de la intensidad de color. Aun cuando se presenta un cambio de color durante una reacción, es posible determinar las velocidades siempre y cuando exista un cambio en el espectro de absorción del reactante o del producto, a medida que se verifica la reacción. En al reacción del bromo molecular con el ácido fórmico el bromo tiene un color café rojizo. En la reacción todas las demás especies son incoloras. A medida que progresa la reacción, la concentración del Br2 disminuye con rapidez y su color se desvanece (Figura 1.1). Esta pérdida de color, y por lo tanto concentración, se mide fácilmente con un espectrofotómetro, que registra la cantidad de luz visible que absorbe el bromo.

Figura 1.1. La disminución en la concentración de bromo muestra un cambio de

color con el transcurso del tiempo.

Cuando se usen métodos analíticos comunes resulta difícil medir la velocidad de una reacción química rápida, pues la reacción puede ser prácticamente completa antes de que obtenga el análisis. Sin embargo, los químicos han empezado a usar métodos especializados para estimar las velocidades de reacciones sumamente rápidas que se contemplan en unos cuantos pico segundos como la fotosíntesis, las etapas iniciales de la visión, las reacciones nucleares en cadena, ladetonación de explosivos, la transferencia de protones de ácidos a bases, etc., del orden de 10-12 a 10-6 s. En el examen de las conclusiones sobre sus posibles soluciones de un problema, a menudo se encuentra que la técnica más adecuada es una combinación de los métodos. En los últimos años, los mayores avances en medición química han ocurrido en el área general de instrumentación. Tanto los métodos físicos, químicos e instrumentales tienen sus ventajas; las cuales son:

a) Ventajas de los Métodos Instrumentales: 1. Determinación rápida (la respuesta se obtiene en una centésima de segundo). 2. Utilizan muestras pequeñas. 3. Manejo de muestras complejas. 4. Alta sensibilidad. 5. Se consiguen medidas confiables. 6. Es posible obtener respuestas de los cambios de concentración en una reacción sin necesidad de sacar el reactor (celda de reacción) del aparato.

b) Ventajas de los Método Químicos: 1. Procedimientos simples y precisos. 2. Generalmente se basan en medidas absolutas. 3. Equipo de bajo costo.

c) Ventajas de los Método Físicos: 1. Fácil determinación de propiedades físicas (peso, volumen, presión). 2. No se necesita experiencia muy vasta a diferencia de los métodos químicos e instrumentales. 3. Determinación en corto tiempo.

Sería aventurado concluir que los procedimientos instrumentales o físico-químicos, han desplazado a los métodos químicos, aunque las tendencias recientes de la investigación predominen en el área de la instrumentación. En la práctica las etapas preliminares, que son químicas, una parte integral de los métodos instrumentales.

Además, tanto los métodos instrumentales como los químicos tienen sus limitaciones, algunas de ellas son:

a) Limitaciones de los Métodos Instrumentales: 1. Calibrado inicial y constante. 2. Su sensibilidad y exactitud dependen del instrumental de referencia o bien de los métodos químicos usados para el calibrado. 3. El costo inicial y de mantenimiento es elevado 4. Limite de concentración reducida. 5. A menudo se necesita una preparación especializada.

b) Limitaciones de los Métodos Químicos: l. Carecen de exactitud. 2. Los procedimientos tardan bastante tiempo 3. La exactitud disminuye si la cantidad de muestra es menor. 4. No puede aplicarse en muchos casos. 5. Ambiente químico crítico.

1.3 DESARROLLO EXPERIMENTAL En esta práctica se seguirá la cinética de la dilución del hierro en un medio ácido.

2HCl(Ac) + Fe(s) FeCl2 (sol) + H2 (g)

La reacción se seguirá mediante 3 métodos:

MÉTODO TIPO CONCENTRACIÓN

A SEGUIR VARIABLE A MEDIR

TITRIMÉTRICO Químico CHCl VNaOH(gastado) ESPECTROFOTOMÉTRICO Físico-Químico CFeCL2 Absorbancia

GRAVIMÉTRICO Físico CFe Peso del Fe

1.3.1MÉTODO TITRIMÉTRICO:

a. Preparar y valorar 1L solución de concentración 1M de hidróxido de sodio (NaOH) cantidad suficiente para todo el grupo y aforar una bureta. b. Tomar 15 mLHCl concentrado y colocar en vaso de precipitados el cual funcionará como reactor. c. Colocar unclavo de ¼“ (no oxidado) y agregarlo en el recipiente del inciso b, en

ese instante arrancar el cronómetro y simultáneamente tomar una alícuota de 2

mL la cual corresponderá al tiempo cero (t0). d) Pasar la alícuota a un matraz Erlenmeyer y titularla con NaOH1 M, utilizando como indicador anaranjado de metilo el vire será de naranja a canela. e) Tomar una alícuota de 2mL cada 10 minutos hasta completar 30 min de la reacción y repetir el paso d, anotando los resultados enla Tabla 1.1.

ESQUEMA DEL DESARROLLO EXPERIMENTAL MÉTODO TITRIMÉTRICO

Fe + HCl

REACCIONES INVOLUCRADAS:

2HCl(Ac) + Fe(s) FeCl2 (sol) + H2 (g)

HCl(Ac) + NaOH(s)NaCl (sol) + H2O (l)

Para obtener la concentración de la solución de HCl es necesario aplicar el principio de equivalencia.

NaOHHCl MxVMxV )()(

CALCULOS Despejando:

mL

VxM

V

VxCC NaOH

HCl

NaOHNaOHHCl

2

1

Sustituyendo y realizando operaciones:

MC

MC

MC

MC

HCl

HCl

HCl

HCl

______________

______________

______________

______________

4

3

2

1

1.- Medir 15 mL de HClconc.

2 .- Adicionar 1 clavo

no oxidado

2 mL cada 10 min

(hasta 30 min de reacción)

2 gotas anaranjado de

metilo

NaOH1 M

vire naranja a canela

Tabla 1.1 Tabla de datos experimentales para el Método Titrimétrico

Corrida Tiempo (min) VNaOH(mL) CHCl (mol/L)

1 0

2 10

3 20

4 30

1.3.2 MÉTODO ESPECTROFOTOMÉTRICO:

a. Preparar y valorar 1 L de solución 1M(40 g en un L)de ácido clorhídrico (HCl)cantidad suficiente para todo el grupo. b. Tomar 15mLHCl1M y colocar en vaso de precipitados el cual funcionará como reactor. c. Colocar un clavo de ¼“ (oxidado) y agregarlo en el recipiente del inciso b, en

ese instante arrancar el cronómetro y simultáneamente tomar una alícuota de 2

mL la cual corresponderá al tiempo cero (t0). d) Pasar la alícuota a un matraz Erlenmeyer y proceder a agregarle l mL de agua oxigenada al 30% peso (RECIEN PREPARADA; ver nota 1) y l mL de solución de sulfocianuro de potasio ó tiosanato de potasio (KSCN) 0.1 M. colocar parte de la solución en una celda para efectuar las lecturas espectrofotométricas, a una longitud de onda de 450 nm, anotando los datos en la tabla 1.2. NOTA 1:Solución 30% de H2O2: Preparar al momento 50 mL de la solución adicionando 15 mL de H2O2 y 35 mL de agua destilada. e) Tomar una alícuota de 3mL cada 3 minutos hasta completar 15 min de la reacción y repetir el paso d, anotando los resultados en la Tabla 1.2.

ESQUEMA DEL DESARROLLO EXPERIMENTAL MÉTODO ESPECTROFOTOMÉTRICO

Fe + HCl

Leer

COMPLEJO

(rojo sangre)

REACCIONES INVOLUCRADAS

2HCl(Ac) + Fe(s) FeCl2 (sol) + H2 (g)

Fe+2 Fe+3Fe(SCN)3 Complejo color sangre

Para el cálculo de la concentración se utiliza la cuación de Lambert—Beer

CxbxAs

Donde:

= Concentración de absortividad de 200 L·mol-1·cm-1

b= Ancho de la celda (1.0cm) C = Concentración (mo1/L)

KSCNH2O2

1.- Medir 15mL de HCl(1M)

2 .- Adicionar 1 clavo oxídado

3 mL cada 3 min

Hasta 15 min de reacción

1 mL 1 mL

Despejando a C:

L

molAs

mol

L

AsC

cmxcmmol

L

AsC

bx

AsC

200200

1200

Sustituyendo y realizando operaciones:

________________

________________

________________

________________

________________

5

4

3

2

1

C

C

C

C

C

Anotar los resultados en la Tabla 1.2

Tabla 1.2. Tabla de datos experimentales para el Método Espectrofotométrico

1.3.3 MÉTODO GRAVIMÉTRICO

a. Tomar 3mL de HCl (ver combinaciones) y colocarlo en un vaso de precipitados de 100 mL. b. Agregar un clavo de 1/4“previamente pesado (t0) y a partir de este momento tomar

el tiempo. c. Cada 10 minutos sacar la muestra (el clavo) secarla, pesarla y regresarla al reactor. Realizar el procedimiento 4 vecesutilizando lascombinaciones de clavo oxidado y lacerado con HCl concentrado y 1M, anotando los datos en la tabla 1.3.

Corrida Tiempo (min) Absorbancia (nm) CFeCl2(mol/L)

1

2

3

4

5

ESQUEMA DEL DESARROLLO EXPERIMENTAL MÉTODO GRAVIMÉTRICO

Fe + HCl

COMBINACIONES:

REACCIONES INVOLUCRADAS

2HCl(Ac) + Fe(s) FeCl2 (sol) + H2 (g)

Para la transformación de datos experimentales a datos cinéticos, se requiere de la siguiente fórmula:

mL

gmol

mLgmol

g

g

VPA

WC

SolFe

FeFe

))((

Donde:

PAFe = Peso atómico del hierro = 55.847g/mol Vsol= volumen de la solución HCl (3mL)

Sustituyendo y realizando operaciones para cada caso:

Pesar el

clavo (t0) 3 mLHCl + 1 clavo

10 min

1 2 3 4

HCl concentrado

Clavo lacerado

HCl1 M

Clavo lacerado

HCl concentrado

Clavo oxidado

HCl1 M

Clavo oxidado

))(847.55(

))(847.55(

))(847.55(

))(847.55(

))(847.55(

))(847.55(

6

5

4

3

2

1

mLmol

g

gC

mLmol

g

gC

mLmol

g

gC

mLmol

g

gC

mLmol

g

gC

mLmol

g

gC

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Anotar los resultados en la tabla 1.3

TABLA 3. Tabla de Datos Experimentales para el Método Gravimétrico.

Corrida Tiempo

(min)

1 Lacerado/Conc. 2 Lacerado/1 M 3 Oxidado/Conc. 4 Oxidado/1M

WFe (g)

CFe(mol/L) WFe (g)

CFe(mol/L) WFe(g) CFe(mol/L) WFe

(g) CFe(mol/L)

1 0

2 10

3 20

4 30

5 40

6 50

a) Para el método titrimétrico, graficar: t VS.CHCl

b) Gravimétrico, graficar: CFeVS.t

c)Espectrofotométrico graficar: CFeCl2VS.t

Nota: Anexar gráficos correspondientes (pueden elaborarse en Excel), en los espacios de arriba. 1.5 OBSERVACIONES 1.6 CONCLUSIONES

1.7 CUESTIONARIO

2. ¿Cuál de los métodos es más práctico y porqué? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Podría mejorarse alguno de los métodos, cómo? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. ¿Cómo afecta la concentración a la velocidad de reacción? ________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________

5. ¿Cuál crees que sean los errores más comunes en cada método?

________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________

6. En general, ¿Cuál fue el mejor método y por qué?

________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________