Química Industrial 2 ? Cinética Química

1. Resumen
2. Objetivos
4. Velocidad de
   Reacción
5. Principio De Le
   Chátelier
6. Influencia del cambio de
   temperatura
7. Influencia del cambio de
   concentración.
8. Influencia del cambio de
   presión
9. Teoría de Arrhenius sobre
   las velocidades de reacción
10. La teoría de
    Colisión de las velocidades de
    reacción
11. Catálisis
12. Desarrollo de la
    Práctica de Cinética
13. Cálculos y Resultados
    del Experimento
14. Análisis de
    Resultados
15. Conclusiones
16. Cuestionario
17. Anexo 1: Medida del
    Calor
18. Bibliografía

Resumen

En esta practica se trata de observar el efecto que tiene
sobre la velocidad de
reacción, cada uno de los factores de superficie de
contacto, concentración y temperatura;
explicar el efecto de que produce un catalizador en una
reacción química así
como determinar la energía de activación. En el
experimento de superficie de contacto se toman los tiempos de
reacción de una pastilla efervescente entera, a la mitad,
en cuartos y pulverizada; mientras que en el experimento de
concentraciones se obtuvo V media =
-3.58*10-3; en el tercer experimento por otro lado se
obtuvo una m = 8534.38 y b = -21.53 y una Ea=16987.81 cal; y por
ultimo se miden los tiempos de reacción con el efecto de
un catalizador.

Objetivos generales

1. Observar el efecto que tiene sobre la velocidad de
   reacción, cada uno de los factores siguientes:
   superficie de contacto, concentración y
   temperatura.
2. Explicar el efecto que produce la presencia de un
   catalizador en una reacción química.
3. Determinar el valor de la
   energía de activación para una
   reacción.

OBJETIVOS PARTICULARES

1. Poder manejar una pipeta casi a la perfección.
2. Saber cuando se requiere utilizar la cámara de
   absorción.

Introducción

CINÉTICA QUÍMICA.

Es aquella rama de la físico-química que estudia
la velocidad de las reacciones y sus mecanismos. La
cinética complementa a la termodinámica al proporcionar información de la velocidad y mecanismos de
transformación de reactivos en productos. La
velocidad de una reacción depende de la naturaleza de
las sustancias, temperatura y concentración de los
reactivos. Un incremento de temperatura produce casi
invariablemente un aumento de velocidad; el aumento de la
concentración inicial origina una aceleración en la
velocidad.

Velocidad de Reacción

La velocidad de una reacción química es
aquélla a la que las concentraciones de las sustancias
reaccionantes varían con el tiempo, es
decir, -dC/dt, donde C es la concentración del reactivo y
t el tiempo. El signo menos usado indica que la
concentración disminuye con el tiempo. Esta dependencia
viene dada por la ley de acción
de masas, que se expresa de la forma siguiente: la velocidad de
una reacción en cada instante es proporcional a la
concentración de los reactivos con cada
concentración elevada a una potencia igual al
numero de moléculas de cada especie participe en el
proceso.
Así, por ejemplo:

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

La velocidad de una reacción se suele expresar en
términos del numero de moles de reactivo transformada en
un volumen unitario
y por unidad de tiempo. También en función de
la velocidad de formación de un producto.

Principio De Le
Chátelier

Una reacción reversible en equilibrio
mantendrá esta condición indefinidamente a menos
que la perturben cambios provenientes del exterior. Entre estos
cambios podríamos mencionar la adición o
eliminación de calor, la
adición o eliminación de un reactivo o de un
producto y cambio de
presión. El efecto de cambiar los diversos
factores que se indican arriba se incluye en un principio muy
general, llamado principio de Le Châtelier, dice que cuando
un sistema esta en
equilibrio, el cambio de cualquiera de los factores de los que
depende el equilibrio hará que se desplace el equilibrio,
de manera que se disminuya el efecto del cambio.

Influencia del cambio de
temperatura

Si una reacción es endotérmica, al
calentar el sistema en equilibrio se causara un desplazamiento
del equilibrio hacia la derecha con la formación
consiguiente de mas productos y, por lo tanta, un aumento en el
valor de la constante de equilibrio. Si la reacción es
exotérmica, la aplicación de calor hará que
el equilibrio se desplace hacia la izquierda.

El cambio de la constante de equilibrio al cambiar la
temperatura se puede considerar también desde un punto de
vista cuantitativo. Se ha encontrado que en muchos casos se
obtiene la línea recta si se representa
gráficamente el logaritmo de la constante de equilibrio en
función de la reciproca de la temperatura absoluta. Con la
pendiente de esa línea se puede calcular un valor muy
cercano al valor promedio del calor de reacción para el
margen de temperaturas en estudio. Las expresiones matemáticas de esta relación
son:

log Kp = –
D H
+ I

2.303RT

log (Kp)2 =
D
H (1/T1 –
1/T2) = D H ( T2 –
T1 / T2T1)

(Kp)1 2.303R 2.303 R

 Influencia del cambio de
concentración.

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

Si se considera la reacción hipotética A +
B C + D a temperatura constante, en el equilibrio habrá
valores
definidos de las concentraciones de A, B, C y D. La
adición de A o de B, o de ambos, hace que la velocidad de
la reacción hacia la derecha sea mayor que la velocidad de
reacción inversa. El equilibrio se puede reestablecer
únicamente si se disminuyen las concentraciones de A y B y
se aumentan las de C y D. De este modo las velocidades de
reacción opuestas se hacen iguales en la nueva
posición de equilibrio.

Influencia del cambio de
presión

Un aumento en la presión de una reacción
en la que haya uno o varios gases
presentes hará que el equilibrio se desplace en la
dirección que resulte en una
disminución del volumen. En efecto el cambio de
presión es en realidad un caso especial del cambio de
concentración. Supongamos que se impone una presión
externa sobre un sistema nitrógeno-hidrogeno-amoniaco en equilibrio. A temperatura
constante, el volumen disminuirá, con lo que se aumenta la
concentración de los tres gases . esto altera las
velocidades de la reacción hacia la derecha y de la
reacción hacia la izquierda en forma diferente, ya que hay
cuatro moléculas de nitrógeno e hidrógeno y solamente dos de amoniaco. Las
dos velocidades se igualan nuevamente mediante una
disminución de las concentraciones de nitrógeno e
hidrógeno y un aumento en la concentración del
amoniaco.

Teoría de Arrhenius sobre las velocidades
de reacción

Las reacciones rápidas tienen valores bajos de
Ea, y la reacciones lentas, valores elevados de Ea. Esta
conclusión condujo a Arrhenius a proponer que las
reacciones tenían lugar como resultado de colisiones entre
las moléculas. Razonó que no todas las colisiones
producen una reacción y que solo las moléculas que
adquieren suficiente energía de activación pueden
reaccionar para formar productos. Demostró que la
fracción de las moléculas que tienen energía
Ea, a la temperatura T, esta dada por al ecuación de
Boltzmann,

nEa

____ = e- Ea / RT

nT

en donde nEa es el numero de moléculas
activadas por unidad de volumen, o sea, el numero que tiene la
energía de activación necesaria para reaccionar.

La teoría
de Colisión de las velocidades de
reacción

La teoría de las colisiones deja margen para el
hecho de que no todas, de las muchas colisiones que se producen,
tendrán energía suficiente para causar la ruptura y
la redistribución de enlaces en el momento del choque y,
por tanto, conducirán a la formación de productos.
La teoría de la colisión toma en
consideración otro requisito importante para que un choque
sea efectivo y provoque una reacción.

Catálisis

Criterio de catálisis. El proceso de
alteración de la velocidad de una reacción se llama
catálisis. si el catalizador y los reactivos forman una
sola fase, el proceso se conoce como catálisis
homogénea. Si el catalizador constituye una fase distinta,
el proceso se llama catálisis heterogénea. El
catalizador en si puede ser un sólido, un gas o un
líquido, pero cualquiera que sea el tipo de
reacción y cualquiera que sea la naturaleza del
catalizador, en todo proceso catalítico, se encuentran las
características siguientes:

1. El catalizador no se altera durante la
   reacción química.
2. El catalizador no afecta la posición del
   equilibrio en una reacción reversible.
3. El catalizador no realiza la
   reacción.
4. Solo se requiere una pequeña cantidad del
   catalizador.

Promotores e inhibidores. Muchas sustancias
afectan la eficiencia de un
catalizador. Las sustancias que tienen este efecto se conocen
como venenos catalíticos. Otras sustancias llamadas
inhibidores, nada mas disminuyen o retardan la actividad
catalítica; algunas otras llamadas promotores, aumentan la
actividad catalítica cuando se agregan al sistema que
contiene el catalizador.

Enzimas. Las enzimas son
compuestos
orgánicos producidos por células
vivas. Al igual que todos los catalizadores, las enzimas no
influyen la condición final de equilibrio, sino que sirven
únicamente para aumentar o disminuir el tiempo necesario
para el establecimiento del estado final
de equilibrio.

Desarrollo de la Práctica de
Cinética

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

Material y Equipo a
Utilizar

8 Tubos de ensayo

1 gradilla de madera

1 probeta de 100 ml.

5 vasos de precipitados de 100 ml.

1 soporte universal con anillo

1 tela de alambre con asbesto

1 mechero Bunsen

2 pinzas para tubo de ensayo

1 termómetro (-10 a 110 ° C)

1 pipeta graduada de 10 ml.

1 cronometro

1 mortero con pistilo

1 agitador de vidrio

Sustancia peligrosas y no
Peligrosas

Sol´n 0.25 M de H2SO4

Sol´n 0.0025 M de KmnO4

Sol´n 0.0025 M de
C2H2O4

Sol´n 0.045 M de MnSO4

Sol´n 0.0025, 0.005, 0.01, 0.02 y 0.04 N de
KIO3

3 tabletas efervescentes.

Cálculos y Resultados del
Experimento

1. Modificación de una superficie de
contacto.

2. Efecto de concentración.

V media = y2 –
y1 = [ ]2 –[ ]1
= 0.0025 – 0.04 =0.0375

X2 –X3 q 2 –
q 1 1094
– 48 1046

V media = -3.58*10-3

 3. Efecto de la concentración sin
catalizador.

Por mínimos cuadrados obtenemos:

m = 8534.38

b = – 21.53

ln t =8534.38 – 21.53

T

m = D
Ea

R

D Ea
= m R = 8534.38 (1.987 cal / mol) = 16957.81
cal

 4. Efecto de la concentración con
catalizador.

Análisis de Resultados

Los cálculos obtenidos en esta practica fueron los
suficientes y adecuados para poder ver
desde un punto de vista experimental que es lo que pasa con la
velocidad de reacción al cambiar los factores de
temperatura, concentración y superficie de contacto. Se
obtuvieron resultados con los datos de
temperatura los cuales fueron energía de activación
de 16957.81 cal con una pendiente de 8534.38 y ordenada al origen
de –21.53 así como una velocidad media en
concentración de 3.58 * 10-5 .

Conclusiones

En esta practica nos pudimos dar cuenta de que al cambiar los
diferentes factores que intervienen en una reacción
química como los catalizadores o la temperatura ,
concentración y superficie de contacto se puede acelerar o
reducir la velocidad de una reacción, así que se
lograron los objetivos
establecidos en la practica con un aprendizaje muy
favorable para nuestra formación.

Cuestionario

1) ¿Que diferencia hay entre la " velocidad de
reacción " y " tiempo de reacción "

La velocidad de reacción es el tiempo que se tarda la
reacción en producir productos, mientras que el tiempo de
reacción es el tiempo que tarda en producirse la
reacción y su unidad es el segundo.

2) Represente gráficamente la variación de la
concentración con el tiempo.

En el área de cálculos.

3) Determinar gráficamente la velocidad media de la
reacción en el exp. No. 2

En el área de cálculos.

4) Explique con base en lo que establece la teoría
de las colisiones, el efecto que se produce al aumentar la
concentración y temperatura en una reacción
química.

Según la teoría de las colisiones al aumentar la
concentración y la temperatura se tendrá la
energía suficiente para hacer reaccionar los reactivos en
una reacción química.

5) Construir una grafica de ln tiempo vs. 1/T, donde T
esté en Kelvin.

En el área de cálculos.

6) Calcular el valor de la energía de
activación (Ea) para la reacción llevada a cabo en
el exp. No. 3 (efecto de la temperatura)

En el área de cálculos.

7) ¿Cómo actúa un catalizador?
Explique en términos de energía de
activación.

Altera la velocidad de la reacción dando o quitando
energía al sistema para acelerar o reducir la
reacción.

8) ¿Qué importancia tiene desde el punto de
vista industrial el conocer los factores que modifican la
velocidad de un proceso de transformación
química?

ANEXO 1: MEDIDA DEL
CALOR

De acuerdo con el principio de conservación de energía, suponiendo
que no existen perdidas, cuando dos cuerpos a diferentes
temperaturas se ponen en contacto, el calor tomado por uno de
ellos ha de ser igual en cantidad al calor cedido por el otro.
Para todo proceso de transferencia calorífica que se
realice entre dos cuerpos puede escribirse entonces la
ecuación:

En donde el signo (–) indica que en un cuerpo el
calor se cede, mientras que en el otro se toma. Recurriendo a la
ecuación calorimétrica, la igualdad
anterior puede escribirse de la forma:

donde el subíndice 1 hace referencia al cuerpo
frío y el subíndice 2 al caliente. La temperatura
Te en el equilibrio será superior a
T1 e inferior a T2.

La anterior ecuación indica que si se conocen
los valores
del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es
posible determinar cantidades de calor. El aparato que se utiliza
para ello se denomina calorímetro. Un
calorímetro ordinario consta de un recipiente de vidrio aislado
térmicamente del exterior por un material apropiado. Una
tapa cierra el conjunto y dos pequeños orificios realzados
sobre ella dan paso al termómetro y al agitador, los
cuales se sumergen en un líquido llamado
calorimétrico, que es generalmente agua.

Cuando un cuerpo a diferente temperatura que la del agua
se sumerge en ella y se cierra el calorímetro, se produce
una cesión de calor entre ambos hasta que se alcanza el
equilibrio térmico. El termómetro permite leer las
temperaturas inicial y final del agua y con un ligero movimiento del
agitador se consigue una temperatura uniforme. Conociendo el
calor específico y la masa del agua utilizada, mediante la
ecuación calorimétrica se puede determinar la
cantidad de calor cedida o absorbida por el
agua.

En este tipo de medidas han de tomarse las debidas
precauciones para que el intercambio de calor en el
calorímetro se realice en condiciones de suficiente
aislamiento térmico. Si las perdidas son considerables no
será posible aplicar la ecuación de
conservación Q1 = – Q2 y si
ésta se utiliza los resultados estarán afectados de
un importante error.

Equivalente en
un Calorímetro

Cuando un cuerpo se sumerge en el líquido de un
calorímetro, una cierta cantidad de calor se
cede al calorímetro o se toma de él. Es decir,
además del agua, la parte interna del calorímetro
como recipiente junto con sus elementos sumergidos tales como el
termómetro y el agitador, también se enfrían
o se calientan en el proceso de transferencia de calor que tiene
lugar en su interior. La participación del
calorímetro en este proceso se valora mediante el llamado
equivalente en agua e. Se define como la masa de agua que
tomaría o cedería la misma cantidad de calor que el
calorímetro en iguales condiciones de temperatura. Cada
calorímetro tiene su equivalente en agua que debe
determinarse previamente a ser utilizado.

Con el propósito de reducir el error experimental
en la utilización de la ecuación
calorimétrica correspondiente al agua, debe considerarse
la masa de ésta aumentada en una cantidad igual al
equivalente e del calorímetro utilizado, lo que equivale a
tomar el conjunto (agua + calorímetro) como un todo
único a efectos de transferencia de calor en su interior.
En tal caso la expresión del calor referida al
calorímetro tomará la forma:

siendo T la temperatura del equilibrio.

La determinación experimental de e puede hacerse
empleando un cuerpo o sustancia cuya masa, calor
específico y temperatura inicial son conocidas y
situándolo en el interior del calorímetro cuyo
equivalente e se desea determinar. En el equilibrio se
cumplirá:

es decir:

ecuación cuya única incógnita es
que e puede ser despejada y, por tanto, determinado su valor. Si
el cuerpo o sustancia elegida es también agua, los
cálculos su pueden simplificar bastante.

Bibliografía:

www.google.com.mx

www.gestiopolis.com

www.monografias.com

www.ilustrados.com

PRINCIPIOS DE QUÍMICA (introducción a los conceptos
teóricos)

PAUL ANDER, ANTHONY J. SONNESSA.

ED. LIMUSA.

MEXICO PAGS. 651,656,657.

FUNDAMENTOS DE FISICO QUIMICA

SAMUEL H. MARON, CARL F. PRUTTON

EDITORIAL LIMUSA

MEXICO PGS. 555,556,557

FUNDAMENTOS DE FIDICO QUÍMICA

SEG. EDICIÓN

CROCKFORD, KNIGHT

CIA. EDIT. CONTINENTAL, S. A. DE C. V.

MÉXICO PAGS. 192, 193,194, 195,376,377 Y
379

Trabajos de
Ingeniería
Industrial de UPIICSA del IPN

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA
INDUSTRIAL
www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger1/introalaii.htm

MANUAL DEL TIEMPO ESTÁNDAR

www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger/mantiemesivan.htm

FUNDAMENTOS DE LA ECONOMÍA DE LOS SISTEMAS DE
CALIDAD

www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/fin/fundelacal.htm

PAGOS SALARIALES: PLAN DE SALARIOS E
INCENTIVOS EN
INGENIERÍA INDUSTRIAL
www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/rrhh/pagosal.htm

INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES – REDES Y LA
ADMINISTRACIÓN DE
PROYECTOS
www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger1/iopertcpm.htm

PLANEACIÓN Y CONTROL DE LA PRODUCCIÓN:
BALANCEO DE LÍNEAS DE ENSAMBLE: LÍNEAS MEZCLADAS Y
DEL MULTI-MODELO

www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger1/pcplinen.htm

PLANEACIÓN Y CONTROL DE LA PRODUCCIÓN –
BALANCEO DE LINEAS

www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger1/pycdelapro.htm

EVALUACIÓN DE PROYECTOS:
ESTUDIO ECONÓMICO Y EVALUACIÓN FINANCIERA (UPIICSA
– IPN)

http://www.gestiopolis.com/recursos2/documentos/fulldocs/fin/evaproivan.htm

Autor:

Ing. Iván Escalona

Ingeniería Industrial

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