Universidad del Valle de MéxicoCampús Coyoacán

Cinética Química y CatálisisIQ Esteban Fregoso Israel

Cinética de la descomposición del

Peróxido de Hidrógeno

Eduardo Daniel Rodríguez Padilla08137703

Fecha de Entrega: 20 / Octubre / 2010

Universidad del Valle de MéxicoIQ Esteban Fregoso IsraelEduardo Daniel Rodríguez PadillaPráctica No. 1 Reporte PrácticaCinética de la descomposición del Peróxido de Hidrógeno.

Objetivo

Estudiar la cinética de una reacción que se lleve a cabo por una catálisis heterogénea. Determinar el orden de reacción de la descomposición del peróxido de hidrógeno utilizando óxido de manganeso

(IV) como catalizador. Maneja el método integral de vida parcial para determinar un orden de reacción y compararlo con el método

diferencial de Van’t Of.

Hipótesis

El Manganeso va a actuar como catalizador en la descomposición del Peróxido de Hidrógeno, va a acelerar la reacción y esperamos un aumento de volumen en el transcurso del tiempo.

Planteamiento

Catalizadores

Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes de la misma. Los catalizadores se caracterizan con arreglo a las dos variables principales que los definen: la fase activa y la selectividad. La actividad y la selectividad, e incluso la vida misma del catalizador, depende directamente de la fase activa utilizada, por lo que se distinguen dos grandes subgrupos: los elementos y compuestos con propiedades de conductores electrónicos y los compuestos que carecen de electrones libres y son, por lo tanto, aislantes o dieléctricos. La mayoría de los catalizadores sólidos son los metales o los óxidos, sulfuros y haloideos de elementos metálicos y de semimetálicos como los elementos boro aluminio, y silicio. Los catalizadores gaseosos y líquidos se usan usualmente en su forma pura o en la combinación con solventes o transportadores apropiados; los catalizadores sólidos se dispersan usualmente en otras sustancias conocidas como apoyos de catalizador Un catalizador en disolución con los reactivos, o en la misma fase que ellos, se llaman catalizador homogéneo. El catalizador se combina con uno de los reactivos formando un compuesto intermedio que reacciona con el otro más fácilmente. Sin embargo, el catalizador no influye en el equilibrio de la reacción, porque la descomposición de los productos en los reactivos es acelerada en un grado similar. Un ejemplo de catálisis homogénea es la formación de trióxido de azufre haciendo reaccionar dióxido de azufre con oxígeno, y utilizando óxido nítrico como catalizador. La reacción forma momentáneamente el compuesto intermedio dióxido de nitrógeno, que luego reacciona con el oxígeno formando óxido de azufre. Tanto al principio como al final de la reacción existe la misma cantidad de óxido nítrico.

Un catalizador que está en una fase distinta de los reactivos se denomina catalizador heterogéneo o de contacto. Los catalizadores de contacto son materiales capaces de adsorber moléculas de gases o líquidos en sus superficies Un ejemplo de catalizador heterogéneo es el platino finamente dividido que cataliza la reacción de monóxido de carbono con oxígeno para formar dióxido de carbono. Esta reacción se utiliza en catalizadores acoplados a los automóviles para eliminar el monóxido de carbono de los gases de escape.

Existen ciertas sustancias llamadas promotoras, que no tienen capacidad catalítica en sí, pero aumentan la eficacia de los catalizadores. Por ejemplo, al añadir alúmina a hierro finamente dividido, ésta aumenta la capacidad del hierro para catalizar la obtención de amoníaco a partir de una mezcla de nitrógeno e hidrógeno. Por otra parte, los materiales que reducen la eficacia de un catalizador se denominan venenos. Los compuestos de plomo reducen la capacidad del platino

para actuar como catalizador; por tanto, un automóvil equipado con un catalizador para controlar la emisión de gases necesita gasolina sin plomo.

Los catalizadores metálicos más usuales son capaces de producir reacciones reversibles de quimiadsorción, como en el caso del níquel, paladio, platino y plata. Entre los catalizadores a base de óxidos metálicos se distingue entre los óxidos estequiométricos y los óxidos que ganan o pierden oxígeno de su superficie. Las sales metálicas más destacadas por su carácter catalizador son los sulfuros, que se emplean en procesos de eliminación de azufre, y los cloruros, que son catalizadores de los procesos de oxicloración. Los catalizadores llamados «bifuncionales» son los que tanto en el soporte como en la fase soportada actúan de catalizadores en diferentes pasos elementales de la reacción química, siguiendo esquemas catalíticos diferentes. Se emplean fundamentalmente en la reformación de la gasolina.

Peróxido de Hidrógeno (Reacción de Catálisis)

Catalizador homogéneo: es aquel que esta presente en la misma fase que las moléculas que reaccionan. Por ejemplo: la descomposición del peróxido de hidrógeno (H2O2) en H2O y O2

Ec I2 H2O2(ac) 2 H2O + O2En ausencia de un catalizador esta reacción ocurre con extrema lentitud. Ahora bien, utilizando el ion Br- como catalizador,

Ec II2 Br-(acc) + H2O2(ac) + 2 H- Br2(ac) + 2 H2OEl colorpardo que se observa en esta reacción es un indicador de la formación de Br2(ac). Si esta fuera la reacción completa, e ion bromuro no sería un catalizador porque sufre un cambio químico durante la reacción. Sin embargo, el peróxido de hidrógeno también reacciona con el Br2(ac)

Ec IIBr2(ac) + H2O2(ac) 2 Br-(ac) + 2 H+(ac) + O2(g)La suma de las ec. II y III es simplemente la ec. I2 H2O2(ac) 2 H2O + O2(g)Cuando todo el H2O2 se ha descompuesto, queda una solución incolora de Br-(ac). El ion Br- es un efecto un catalizador de la reacción porque acelera la reacción global sin sufrir él mismo un cambio neto.

Procedimiento

Tomar un ml de agua oxigenada y aforarlo a 100 ml. Vaciar la solución al matráz kitazato y taparlo. El nivel de agua en la bureta debe de estar en la marca de cero.

Destapar el matraz kitazato y agregar 1gr de MnO2 , volverlo a tapar cuidando el nivel de agua en la bureta. Comenzar lo más pronto posible a agitar magnéticamente, al mismo tiempo que se pone en marcha el cronómetro. Leer los niveles de agua en la bureta a los siguientes tiempos: 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5,......19, y 20

minutos, cuidando de no cambiar la velocidad de agitación. Aumentar al máximo la velocidad de agitación de la mezcla y esperar unos 30 min o hasta que el nivel del agua no

cambie más. Tomar la lectura del nivel del agua, cuidando que la temperatura del baño de agua sea la misma que al inicio de la reacción.

Modelo Práctica

Datos Obtenidos

Tiempo Vol Tiempo Vol Tiempo Vol Tiempo Vol Tiempo Vol17.3

4 min 21 3.5 22.3

4.8 11 min 22.9

5.4 22.7

5.2

45 s 17.6

0.1 21.1

3.6 22.3

4.8 22.9

5.4 22.7

5.2

1 min 18.1

0.6 21.2

3.7 8 min 22.4

4.9 22.9

5.4 15 min 22.7

5.2

18.5

1 21.3

3.8 22.5

5 22.9

5.4 22.7

5.2

18.6

1.1 5 min 21.5

4 22.5

5 12 min 23 6 22.8

5.3

19.1

1.6 21.6

4.1 22.5

5 23 6 22.8

5.3

2 min 19.5

2 21.6

4.1 9 min 22.6

5.1 23.1

6.1 16 min 22.8

5.3

19.6

2.1 21.7

4.2 22.6

5.1 23.1

6.1 22.8

5.3

20 2.1 6 min 21.9

4.4 22.7

5.2 13 min 23.1

6.1 22.9

5.4

20.1

2.6 22 4.5 22.7

5.2 23.1

6.1 22.9

5.4

3 min 20.2

2.7 22 4.5 10 min 22.8

5.3 22.6

5.1 17 min 22.9

5.4

20.5

8 22.1

4.6 22.8

5.3 22.7

5.2 22.9

5.4

20.6

3.1 7 min 22.1

4.6 22.9

5.4 14 min 22.7

5.2 22.9

5.4

20.8

3.3 22.2

4.7 22.9

5.4 22.7

5.2 22.9

5.4

Temperatura de Reacción.- 24.5 ºCAgitación Máxima.- 20 minVolumen total.- 24.8 ml

1.- Explique la ración que se lleva a cabo en el experimento y los cambios del nivel de agua en la bureta.

Con forme pasa el tiempo, va disminuyendo su volumen, pero ese se va estabilizando a medida de la descomposición del agua oxigenada.

2.-Determine el orden de reacción por los métodos integral , de vida parcial, y diferencial de Van’t Of.

2 H2O2 (l) → 2 H2O (l) + O2 (g)

Grado 2

3.-Mencione algunas de las causas por las que puede descomponerse el peróxido de hidrógeno.

El peróxido de hidrógeno concentrado es una sustancia peligrosamente reactiva, debido a que su descomposición para formar agua y oxígeno es sumamente exotérmica.

Estabilidad y descomposición. La descomposición del peróxido de hidrógeno para formar oxígeno y agua con la evolución de calor se expresa con la siguiente ecuación:

0 200 400 600 800 1000 12000

5

10

15

20

25

Valores Y

2H2O2(l) ~ 2H2(I) + O2(g) + 1240 BTU/lb de H2O2 al 100%

Los grados comerciales de peróxido de hidrógeno son bastante estables, y pierden típicamente menos de 1% de concentración relativa por año. A esta velocidad de descomposición, el calor se disipa fácilmente en los alrededores y el peróxido de hidrógeno permanece a temperatura ambiente.

Sin embargo, unos factores pueden aumentar la velocidad típicamente lenta de la descomposición de peróxido de hidrógeno. Las consecuencias de un aumento de velocidad pueden variar desde una deterioración de la concentración del producto en un período de días o semanas, hasta una reacción descontrolada generando grandes cantidades de calor y gas (oxígeno y vapor) en el caso extremo. Esta situación puede ocasionar graves incidentes de seguridad, incluyendo el estallido de recipientes o tuberías por presión, los incendios provocados por derrames de peróxido de hidrógeno, así como las lesiones personales. Los factores primarios que deben ser controlados para impedir un aumento en la velocidad de descomposición del peróxido de hidrógeno son la temperatura, la contaminación y el pH.

La temperatura de la solución de peróxido de hidrógeno es una variable importante ya que la velocidad de descomposición se duplica aproximadamente por cada 10ºC de aumento. Dado el calor generado por la descomposición, una reacción autoacelerada puede evolucionar si la transferencia de calor a las inmediaciones es más lenta que la velocidad de generación de calor. Las instalaciones de almacenamiento y tuberías de peróxido de hidrógeno deben estar localizadas lo suficientemente lejos de las fuentes de calor, tales como calderas, líneas de vapor, etc. Se debe evitar el almacenamiento de peróxido de hidrógeno en recipientes aislados.

La contaminación de las soluciones de peróxido de hidrógeno es la segunda causa principal de la descomposición acelerada, ya que muchos materiales comunes funcionan como catalizadores para la reacción de descomposición. Algunos contaminantes pueden crear una descomposición rápida del peróxido de hidrógeno si están presentes aún en concentraciones tan bajas como de 0,1 partes por millón. La descomposición homogénea se incita por contaminantes disueltos tales como álcalis, ácidos fuertes y sales de metales de transición (níquel, cromo, cubre, hierro, etc.). La descomposición homogénea se inicia más frecuentemente cuando otros productos químicos se colocan equivocadamente en un recipiente de peróxido de hidrógeno (o viceversa), o por el contraflujo del fluido de proceso a través de un sistema de suministro de peróxido de hidrógeno con un mal diseño o funcionamiento.

La descomposición heterogénea de peróxido de hidrógeno se localiza en la superficie de contaminantes catalíticos sólidos, por lo general metales. El contacto del peróxido de hidrógeno con materiales de construcción inapropiados (cubre, latón, zinc, acero dulce, etc.) es una causa primaria de la descomposición heterogénea. La introducción accidental de residuos, tales como las herramientas, linternas y objetos similares dentro de los recipientes de almacenamiento frecuentemente es causa de la descomposición heterogénea.

Los grados comerciales del peróxido de hidrógeno contienen estabilizadores que filtran cantidades pequeñas de impurezas, proporcionando protección contra los efectos de niveles menores de contaminación. Desafortunadamente, los estabilizadores son inefectivos tratándose de la contaminación bruta por los catalizadores de descomposición.

4.- Resuma las bases de la catálisis en general y de la catálisis heterogénea en particular.

Catálisis

La catálisis es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química.

Por ejemplo, los que reducen la velocidad de la reacción son denominados “catalizadores negativos” o inhibidores . A su vez, las sustancias que aumentan la actividad de los catalizadores son denominados catalizadores positivos o promotores, y las que los desactivan son denominados venenos catalíticos.

La “producción” de los productos químicos industriales más importantes implica a la catálisis. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno, el catalizador paladio (Pd) es "envenenado" parcialmente con acetato de plomo (II) (Pb(CH3COO)2). Sin la desactivación del catalizador, el eteno producido se reducirá posteriormente a etano.

Catálisis Heterogénea

Catálisis heterogénea es un término químico que describe la catálisis cuando el catalizador está en una fase diferente (es decir sólido, líquido y gas, pero también aceite y agua) a los reactivos. Los catalizadores heterogéneos proporcionan una superficie en la que pueda tener lugar la reacción.

Para que la reacción se produzca, uno o más de los reactivos debe difundir a la superficie del catalizador y absorberse en él. Después de la reacción, los productos deben desorberse de la superficie y difundir lejos de la superficie del sólido. Con frecuencia, este transporte de reactivos y productos de una fase a otra desempeña un papel dominante en la limitación de la velocidad de reacción. La comprensión de estos fenómenos de transporte y la química de superficies, como p. ej. la dispersión, es un área importante de investigación de los catalizadores heterogéneos.

6.-Explique en qué consiste el método diferencial de Van’t Of. Para determinar el orden de la reacción.

A. Determinación del orden de reacción

1. Método de rapidez inicial (Método diferencial de Van't Hoff) - se hacen una serie de experimentos donde la concentración inicial del reactivo se varía y se observa como varía la rapidez de la reacción.

Ejemplo:

nA A º n B B

Queremos determinar el orden de la reacción con respecto al reactivo A. Para eso variamos la concentración de la especie y observamos la relación con la rapidez.

Experimento [A]0, Molaridad

1 M (r0)1

2 2M (r0)2

entonces la razón tendrá un valor dependiente del valor de n.

ConclusiónLa catálisis es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química. En la práctica hicimos el experimento de descomposición del agua oxigenada o peróxido de hidrógeno, utilizando manganeso como catalizador, para acelerar la reacción. Nos basamos en la catálisis heterogénea, término químico que describe la catálisis cuando el catalizador está en una fase diferente (es decir sólido, líquido y gas, pero también aceite y agua) a los reactivos. Los catalizadores heterogéneos proporcionan una superficie en la que pueda tener lugar la reacción. Se pudo observar que

hubo una disminución de volumen muy rápida hasta después estabilizarse y una regresión, ya que subió un poco el volumen para después continuar bajando y estabilizándose.