Cinetica Aplicada

EXPERIENCIA Nº1:
REACTOR BATCH ISOTERMICO: CINETICA DE LA DECOLORACION
ALCALINA DE LA FENOLFTALEINA
1.1.- OBJETIVOS
a. Determinar experimentalmente 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.
b. Estudiar cualitativa y cuantitativamente el equilibrio químico deldianión de fenolftaleína
en solución acuosa de hidróxido de sodio.
c. Verificar experimentalmente el pseudoprimer orden de la reacción en estudio.
d. Analizar el 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 ióncoloreado (dianión con formas resonantes), forma un ión incoloro
(trianión o carbinol, sin formas resonantes) mediante una reacción reversible lenta con el ión hidróxido.
Figura 1.1.- Esquema de la reacción química para la decoloración de la fenolftaleína
Entonces, en forma resumida:
Reacción (1): irreversible e instantánea 2
2 Ph + 2OH− →Ph− + 2H O
Reacción (2): reversible y lenta 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 densidad constante. En tal caso, la medida de velocidad de reacción del
componente i es:
i i
i
= d( N / V ) dC r dθ dθ
= (1.1)
Es decir, la velocidad de reacción de cualquier componente viene representada por la velocidad de
cambio de su concentración en eltiempo. Si el componente i es la forma quinoide (Ph=), la variación con el
tiempo será negativa ya que denota la velocidad de desaparición del reactante. Entonces:
Ph Ph=
- = - d r dθ C
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
(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 especiereaccionante, por ejemplo
la absorbancia.
Basándose en la reacción (1) y (2) se obtiene que la reacción global en estudio es:
2 k1 3
k2
Ph− +OH−←⎯⎯⎯⎯→PhOH− (1.3)
[ ] 2
2
2 3
Ph 1 2
d Ph
r kPh OH k PhOH
dθ −
−
− −
⎛ ⎡⎣ ⎤⎦ ⎞ − = ⎜ − ⎟ = ⎡⎣ ⎤⎦ ⋅ − ⎡⎣ ⎤⎦ ⎜ ⎟
⎝ ⎠
En una reacción química reversible se define un estado de equilibrio entre reactantes y productos.
Para el caso en estudio elequilibrio está dado por la siguiente relación:
1 eq
eq = -
2 eq eq
k [ PhOH ] K = = k [ Ph ] [OH ]
≡
(1.4)
De acuerdo al modelo planteado para 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:
= =
o eq eq [ Ph ] = [ Ph ] + [ PhOH≡ ] (1.5)
Entonces,
= =
eq o eq [ PhOh≡ ] = [ Ph ] - [ Ph ] (1.6)
Reemplazando la Ec.(1.48) en la expresión de equilibrio:
= =
o eq
= -
eq eq
[ Ph ] - [ Ph ] K =
[ Ph ] [OH ]
(1.7)
En la práctica, lareacción se verifica en un medio alcalino cuya concentración es del orden de 10-1 M.
Las concentraciones usuales de fenolftaleína no superan nunca 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)
Ladefinición del pseudo-primer orden tiene una importante ventaja práctica ya que permite
seleccionar la escala de tiempo de las corridas cinéticas, mediante la selección de concentraciones adecuadas
de hidróxido.
La ecuación (1.3) queda de la forma:
( =)
=
' = =
Ph 1 2
= d[ Ph ] = k [ ] k [ ] r dθ Ph PhOH
⎛ ⎞
− ⎜− ⎟ −
⎝ ⎠
(1.9)
Para la integración de la ecuación (1.9) se debe...