Laboratorio Cinética Aplicada

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA AREA DE CINETICA Y REACTORES

LABORATORIO DE CINETICA Y REACTORES

GUIAS Y APUNTES DE LABORATORIO
CINETICA Y REACTORES

Prof. Aldo Saavedra Fenoglio

Ii SEMESTRE 2008

EXPERIENCIA Nº1: REACTOR BATCH ISOTERMICO: CINETICA DE LA DECOLORACION ALCALINA DE LA FENOLFTALEINA

1.1.- OBJETIVOS a. b. c. d. Determinarexperimentalmente la ecuación de velocidad y las constantes cinéticas para la decoloración alcalina de la fenolftaleína en un reactor discontinuo agitado (RDA o batch) a escala laboratorio. Estudiar cualitativa y cuantitativamente el equilibrio químico del dianión de fenolftaleína en solución acuosa de hidróxido de sodio. Verificar experimentalmente el pseudoprimer orden de la reacción en estudio. Analizarel efecto de la fuerza iónica de la solución sobre la velocidad de reacción.

1.2.- ANTECEDENTES La fenolftaleína en solución alcalina se convierte rápidamente a una forma rosada, con un máximo de absorción en los 550 nm. Este ión coloreado (dianión con formas resonantes), forma un ión incoloro (trianión o carbinol, sin formas resonantes) mediante una reacción reversible lenta con el iónhidróxido.

Figura 1.1.- Esquema de la reacción química para la decoloración de la fenolftaleína

Entonces, en forma resumida: Reacción (1): irreversible e instantánea Reacción (2): reversible y lenta

Ph + 2OH − → Ph −2 + 2H 2 O
Ph −2 + OH − ↔ PhOH −3

Puesto que la reacción transcurre en fase líquida con variaciones despreciables de volumen, el sistema es a volumen constante o a densidadconstante. En tal caso, la medida de velocidad de reacción del componente i es:

ri =

d( N i / V ) dC i = dθ dθ

(1.1)

Es decir, la velocidad de reacción de cualquier componente viene representada por la velocidad de cambio de su concentración en el tiempo. Si el componente i es la forma quinoide (Ph=), la variación con el tiempo será negativa ya que denota la velocidad de desaparición delreactante. Entonces:

⎛ d ⎞ - r Ph = ⎜ C Ph= ⎟ ⎝ dθ ⎠

(1.2)

Por consiguiente, para seguir la velocidad de reacción puede seleccionarse una variable cualquiera ligada a la reacción, que se relacione directamente con la concentración de la especie reaccionante, por ejemplo la absorbancia. Basándose en la reacción (1) y (2) se obtiene que la reacción global en estudio es:
k1 ⎯⎯ Ph −2 + OH −←⎯→ PhOH −3 ⎯ k2

(1.3)

− rPh−2

⎛ d ⎡ Ph −2 ⎤ ⎞ ⎦ ⎟ = k ⎡ Ph −2 ⎤ ⋅ OH − k ⎡ PhOH −3 ⎤ = ⎜− ⎣ ] 2⎣ ⎦ [ ⎦ ⎜ ⎟ 1⎣ dθ ⎝ ⎠

En una reacción química reversible se define un estado de equilibrio entre reactantes y productos. Para el caso en estudio el equilibrio está dado por la siguiente relación:

K eq =

[ PhOH ≡ ] eq k1 = = k 2 [ Ph ] eq [ OH ] eq

(1.4)

De acuerdo al modelo planteadopara el reactor batch, inicialmente (θ = 0) sólo existirá la forma coloreada de la fenolftaleína en un medio altamente alcalino, cuya concentración se denominará [Ph=]o . En el equilibrio (θ→ ∞) coexistirán tanto la forma coloreada como la incolora (trianión) y sus concentraciones relativas dependerán de la concentración de hidroxilo y de la temperatura. A partir de un balance de masas se obtiene:(1.5) [ Ph= ] = [ Ph= ] + [ PhOH ≡ ]
o eq eq

Entonces,

[ PhOh ≡ ] eq = [ Ph= ] o - [ Ph= ] eq
Reemplazando la Ec.(1.48) en la expresión de equilibrio:

(1.6)

K=

[ Ph= ] o - [ Ph= ] eq [ Ph= ] eq [ OH - ] eq

(1.7)

En la práctica, la reacción se verifica en un medio alcalino cuya concentración es del orden de 10-1 M. Las concentraciones usuales de fenolftaleína no superannunca los 10-4 M; por tanto se observa que [OH-] » [Ph=], por ende la concentración de base permanece prácticamente constante durante el transcurso de la reacción. Esto permite definir una constante k`1 de pseudo primer orden:
' k1 = k1 ⎡OH − ⎤ ⎣ ⎦

(1.8)

La definición del pseudo-primer orden tiene una importante ventaja práctica ya que permite seleccionar la escala de tiempo de las...