TRABAJO PRÁCTICO Nº 6 DE LABORATORIO DE QUÍMICA II

Velocidad de reacción.

Estudio cinetico de una reacción de solvólisis.

OBJETIVOS

• Seguir la cinética de la reacción en base a la hidrólisis llevada a cabo.

• Graficar la curva cinética de la reacción.

• Corroborar el orden de la reacción.

INTRODUCCIÓN

En el estudio de las reacciones químicas no se puede proponer ningún mecanismo determinado sino esta evaluado por los datos cinéticos observados en la reacción. Es por esto que los datos cinéticos son particularmente valiosos para la elección del mecanismo de una reacción determinada entre todas las que se proponen para la misma.

La velocidad de reacción puede depender de un gran número de factores:

- La estructura de los compuestos que entran a formar parte de la reacción.

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- La temperatura.

- La naturaleza del medio en que tiene lugar la reacción.

- La concentración de los reactivos.

En la experiencia se estudiaran algunos de estos efectos sobre la solvólisis del cloruro de terbutilo disuelto en agua-acetona.

El producto principal de esta reacción es el alcohol terbutílico, junto con una pequeña cantidad de isobutileno como subproducto.

(CH3)3C-Cl + 2 H2O (CH3)3C-OH + H3O+ + Cl - Reacción de sustitución SN1.

(CH3)3C-Cl + H2O (CH3)2C=CH2 + H3O+ + Cl - Reacción de eliminación E1.

En ambas reacciones se forma el ion hidrónio, esto hace que se pueda seguir la velocidad de estas dos reacciones combinadas, observando el tiempo necesario para la neutralización de una cantidad determinada de NaOH añadida a la mezcla.

Un principio fundamental de la cinética enuncia que si una reacción se realiza en varias etapas, y una de estas es mucho más lenta que otras, entonces la velocidad del paso mas lento es la que representa la velocidad total de la reacción.

Las dos reacciones tienen como paso determinante de la velocidad de reacción, la formación del carbocatión, la cual se estabiliza y acelera al tener un solvente de polaridad bastante alta, de esta manera disminuimos la energía en el estado de transición, y aumentamos la velocidad de reacción.

La eliminación que se encuentra en competencia, no ocurre dado que necesita de una base fuerte y temperaturas superiores a la que se lleva a cabo el práctico.

Cuando ocurre la ruptura de un enlace covalente de solamente una de las moléculas en las reacciones del paso determinante de la velocidad, se denominan reacciones unimoleculares, por lo tanto las reacciones presentadas anteriormente son unimoleculares.

MATERIAL REQUERIDO

• Pipeta.

• Erlenmeyer.

• Varilla de vidrio.

• Vaso de precipitado.

REACTIVOS

• Cloruro de terbutilo.

• Hidróxido de sodio 0.1 M.

• Indicador azul de bromofenol 2%.

• Acetona.

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PROCEDIMIENTO

En la práctica se llevaron a cabo tres instancias distintas en las que en cada una se registró el tiempo:

1) Medida del tiempo necesario para aproximadamente el 2, 4 y 6 % de hidrólisis de cloruro de terbutilo disuelto en una solución que contenía 70% de agua.

En cada experiencia se lavaron los erlenmeyers con acetona y se los llevó a estufa para que se sequen o algunos tambien fueron secados con un secador.

Luego se procedió a completar la tabla A, para esto se colocó en un erlenmeyer la solución de cloruro de terbutilo y se le agregó acetona (los dos en las cantidades indicadas en el cuadro), en otro erlenmeyer se mezclo hidróxido de sodio y agua destilada más una gota de azul de bromo fenol.

Por último se pasó la solución de hidróxido de sodio a erlenmeyer con acetona (la coloración de la solución se vio azul) agitando y midiendo el tiempo que tardó en virar a verde.

Se completó la tabla A con las mediciones obtenidas.

2) Medida del tiempo necesario para el 2, 4 y 6 % de hidrólisis de cloruro de terbutilo disuelto en una solución que contenía 80% de agua.

Se llevaron a cabo los mismos pasos que en la primera parte pero con distintos volúmenes de la solución.

Se completó la tabla B con las mediciones obtenidas.

3) Medida del tiempo necesario para el 2, 4 y 6 % de hidrólisis de cloruro de terbutilo disuelto en una solución que contenía 70% de agua aumentando la temperatura.

Se calentó agua en un baño de placas calefactores a unos 30º C aproximadamente.

Se preparó la solución como en la primer parte, se dejó que la temperatura de los erlenmeyer se equilibre, introduciéndolos en el baño y a continuación se los mezcló y se tomó el tiempo hasta el cambio de color del indicador.

Se completó la tabla C con las mediciones obtenidas.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

La concentración de NaOH se calculó de la siguiente manera:

C1 * V1 = C2 * V2

En cada tabla se explicita el valor de C1, V1 y V2, de donde surge luego C2. El grado de hidrólisis se calculó se la siguiente manera:

% hidrólisis = ([NaOH] / [cl-t-butilo]) * 100

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Para completar la columna con la [Cl-t-butilo] se realizó el siguiente cálculo: Vol * δ = masa 1 ml. δ (densidad del cloruro de terbutilo)= 0.847 gr. /ml. Masa 1ml Cl-t-butilo= 0.847 gr. 1 mol de Cl-t-butilo = 92.45gr. 1 mol Cl-t-butilo---------------------- 92.45 gr. 0.00916 moles =X------------------0.847 gr. 0.00917 moles Cl-t-butilo--------------- 10 ml. 0.916 M = X ----------------------1000 ml. El tiempo es el medido en la experiencia, desde el comienzo de la reacción hasta el viraje de color del indicador.

1) Tabla A: Medida del tiempo necesario para aproximadamente el 2, 4 y 6 % de hidrólisis de cloruro de terbutilo disuelto en una solución que contenía 70% de agua.

%hidrólisis Vol.

Cl-t butilo.

Vol. acetona

Vol. NaOH

Vol. Agua.

[Cl-t-butilo]

[NaOH] Tiempo.

2.2 1 ml. 2 ml. 2 ml. 5 ml. 0.916 M 0.02M 3:02.74 min.

4.4 1 ml. 2 ml. 4 ml. 3 ml. 0.916 M 0.04M 5:14.00 min.

6.6 1 ml. 2 ml. 6 ml. 1 ml. 0.916 M 0.06M 8:59.00 min.

2) Tabla B: Medida del tiempo necesario para el 2,4 y 6 % de hidrólisis de cloruro de terbutilo disuelto en una solución que contenía 80% de agua.

%hidrólisis Vol.

Cl-t butilo.

Vol. acetona

Vol. NaOH

Vol. Agua.

[Cl-t-butilo]

[NaOH] Tiempo.

2.2 1 ml. 1 ml. 2 ml. 6 ml. 0.916 M 0.02 M 2.26.00 min.

4.4 1 ml. 1 ml. 4 ml. 4 ml. 0.916 M 0.04 M 3:33.30 min.

6.6 1 ml. 1 ml. 6 ml. 2 ml. 0.916 M 0.06 M 6:29.56 min.

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3) Tabla C: Medida del tiempo necesario para el 2,4 y 6 % de hidrólisis de cloruro de terbutilo disuelto en una solución que contenía 70% de agua aumentando la temperatura.

%hidrólisis Vol.

Cl-t butilo.

Vol. acetona

Vol. NaOH

Vol. Agua.

[Cl-t-butilo]

[NaOH] Tiempo.

2.2 1 ml. 2 ml. 2 ml. 5 ml. 0.916 M 0.02 M 1:56.46 min.

4.4 1 ml. 2 ml. 4 ml. 3 ml. 0.916 M 0.04 M 3:34.96 min.

6.6 1 ml. 2 ml. 6 ml. 1 ml. 0.916 M 0.06 M 6:02.16 min.

Tablas y gráficos de ln [1/ [1- (%hidrolisis/100)]] vs t:

Correspondiente a la Tabla A:

ln[1/[1- (%hidrolisis/100) ]] t (s) % hidrólisis 0.0222 182.74 2.2 0.0449 314 4.4 0.0682 539 6.6

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ln(1/(1-%hidrolisis/100)) vs tiempo y = 0,0001x + 0,0015R2 = 0,9796

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

150 200 250 300 350 400 450 500 550

tiempo

ln(1

/(1-%

hidr

olis

is/1

Serie1Lineal (Serie1)

K = pendiente = 1E-0.4

r2 = 0.9796

Correspondiente a la Tabla B:

ln[1/[1- (%hidrolisis/100) ]] t (s) % hidrólisis 0.0222 146 2.2 0.0449 213.3 4.4 0.0682 389.56 6.6

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ln(1/(1-%hidrolisis/100)) vs tiempo y = 0,0002x + 0,0008R2 = 0,9411

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

140 190 240 290 340 390 440

tiempo

ln(1

/(1-%

hidr

olis

is/1

Serie1Lineal (Serie1)

K = pendiente = 2E-0.4

r2 = 0.9411

Al aumentar la composición del agua aumenta la velocidad de reacción ya que la concentración de reactivo aumenta. Esta es directamente proporcional a la velocidad

Correspondiente a la Tabla C:

ln[1/[1- (%hidrolisis/100) ]] t (s) % hidrólisis 0.0222 116.46 2.2 0.0449 214.96 4.4 0.0682 362.16 6.6

ln(1/(1-%hidrolisis/100)) vs tiempo y = 0,0002x + 0,0023R2 = 0,9887

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

100 150 200 250 300 350 400

tiempo

ln(1

/(1-%

hidr

olis

is/1

Serie1Lineal (Serie1)

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K = pendiente = 2E-0.4

r2=0.9887

Se observo que al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de reacción, ya que aumenta la constante de velocidad y esta es directamente proporcional a la misma.

Como se puede ver, los puntos se ajustan bastante bien a una recta, dado que los valores de r2 son muy cercanos a uno, por lo tanto podemos constatar que la reacción se trataba de una cinética de primer orden.

Deducción de la formula utilizada:

Dada la reacción:

A --------------- producto

La expresión de velocidad se define de la siguiente manera:

- dA/dT = k* [A]

Por ser a volumen constante se cumple que:

[A] = [A]o* (1-x), siendo x la fracción de cloruro terbutilo

d[A] = -[A]o dx

Luego remplazando en la ecuación 1:

dx/dt =k*(1-x)

Integrando entre tiempo t=0, x=0 y t=t, x=x queda

ln(1/(1-x))=k*t y como x=hidrólisis/100

ln(1/(1-%hidrolisis/100))=k*t

FUENTES DE ERROR

• Utilización de pipetas que se encontraban en mal estado.

• No contar con material totalmente seco para la experiencia.

• Error en la medición debido al tiempo de reacción de cada persona a la hora de detener el cronómetro.

CONCLUSION

En la práctica de laboratorio, pudimos comprender como se llevaba a cabo una reacción siguiendo la cinética de la misma, en este caso, se determinó mediante la hidrólisis ocurrida, y con los gráficos realizados, pudimos corroborar el orden de la reacción, calculando además la constante de velocidad.

Como se sabe la constante de velocidad solo varia con la temperatura, por ende, la constante del gráfico A no debía diferir de la constante correspondiente al gráfico B, observando los

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resultados, vimos que se encuentran en el mismo orden de magnitud y solo difieren en 1E-4, esto es considerable dado que son valores calculados a partir de experiencias prácticas, las cuales acarrean ciertas fuentes de error.

BIBLIOGRAFIA

• Modulo de Laboratorio de Química II.

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