LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA IEQUILIBRIO QUÍMICO HOMOGÉNEO EN LA FASE LIQUIDA I. OBJETIVOS Estudiar el equilibrio químico desde el punto de vista cualitativo (Principio de Le Chatelier) y cuantitativo (determinación de la constante de equilibrio en fase liquida). II. FUNDAMENTO TEORICO VELOCIDAD DE REACCION Toda reacción química se verifica a una velocidad definida en condiciones determinadas de temperatura y concentración, etc. La velocidad de una reacción se puede definir como el peso de las sustancias reaccionantes, en mol gramos, transformado en segundo. Existen un número de factores que pueden alterar la velocidad de una reacción. Estos son temperatura , concentración, catálisis, aunque pueden existir otros, por ejemplo, la tensión superficial. LA LEY DE LA ACCION DE LAS MASAS En el estado de equilibrio existe una relación constante entre el producto de las concentraciones de los cuerpos que resultan de la reacción y el producto de las concentraciones que en este momento quedan de los cuerpos reaccionantes, elevada cada concentración a una potencia que es el coeficiente de su fórmula en la ecuación química balanceada de la reacción. Una reacción reversible se define como una reacción química que puede realizarse en ambos sentidos tanto directa como inversamente , tal como observamos hipotéticamente. dD cC bB aA + + → ← Se observa que después de transcurrido un tiempo suficiente toda reacción alcanza el equilibrio es decir un estado en donde no se puede apreciar un nuevo cambio en la composición con el transcurso de tiempo siempre que no se alteren la temperatura y la presión, si las condiciones se eligen convenientemente se puede alcanzar exactamente el estado de equilibrio en cualquiera de los sentidos para una reacción reversible dada o sea que las velocidades directa e inversa se producen simultáneamente y se considera un equilibrio dinámico. Una relación que involucra el equilibrio Químico es la constante de equilibrio y esta también relacionada con la ley de acción de masas si consideramos la reacción anterior y de acuerdo con la ley dice que la “Velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración molar de las sustancias reaccionantes”. Velocidad Directa [ ] [ ] b a B A k · Velocidad Indirecta [ ] [ ] d c D C ´ k · En el equilibrio se cumplirá la igualdad de velocidades de modo que: [ ] [ ] [ ] [ ] c b a d c K k k B A D C · · ´ Donde Kc es la constante de equilibrio que rige un papel importante en este tipo de reacciones y es constante para un valor de Temperatura y Presión determinadas para componentes Gaseosos también esta relacionada con las presiones parciales. LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I [ ] [ ] [ ] [ ] P b B a A d D c C K P P P P · ... y se relaciona con Kc de la siguiente manera : n C P RT K K ∆ · ) ( PRINCIPIO DE LE CHATELIER El principio se basa fundamentalmente en la segunda ley de termodinámica se puede enunciar así: “Si se produce un cambio en algunos de los factores tales como temperatura, presión, concentraciones que condicionan el equilibrio de un sistema este evolucionara de tal forma que anule en lo posible el efecto del cambio”. CAMBIO DE CONCENTRACIÓN En el equilibrio todos los reactivos y producto están presentes en el sistema reaccionante, al aumentar las concentraciones de los productos se desplaza el equilibrio hacia la izquierda, y se disminuye la concentración de los productos se desplaza el equilibrio hacia la derecha. CAMBIO EN LA PRESION Todo aumento en la presión favorece el proceso que va asociado con una disminución en el número de moléculas, mientras que una disminución en la presión tendrá el efecto de tratar de aumentar el número de moléculas. CAMBIO EN LA TEMPERATURA Un cambio en la concentración, presión o volumen puede alterar la posición del equilibrio, pero no cambia el valor de la constante de equilibrio. Solo un cambio de temperatura puede variar dicha constante. Con los procesos endotérmicos absorben calor de su entorno, por lo tanto la constante aumenta con la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda. EFECTO DE UN CATALIZADOR La presencia de un catalizador no afecta la constante de equilibrio su desplaza la posición de un sistema en equilibrio. Solo acelera las velocidades de reacción directa e inversa. CONSTANTE DE EQUILIBRIO Considerando la reacción reversible: D C B A + + → ← Las concentraciones de los diferentes componentes se relacionan mediante la conocida expresión: [ ][ ] [ ][ ] B A D C K Equilibrio · Por lo tanto Kequilibrio es una medida de la tendencia a completarse que manifiesta una reacción. El valor de K se determina por el cambio de energía libre, G, durante el avance desde reaccionantes hasta productos, la relación viene dada por: Equilibrio K RT G log 303 . 2 − · ° ∆ El Cambio de energía libre se relaciona con H ∆ : ° ∆ − ∆ · ° ∆ S T H G LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I III. DATOS EXPERIMENTALES Y BIBLIOGRAFICOS • Datos Experimentales (Obtenidos en el laboratorio) Grupo Mezcla HCl 3N CH3COOH (ml) CH3COOCH3CH2 (ml) H2O (ml) NaOH (ml) CH3CH2OH (ml) 0.4766N 0.4704N 9 I 1 2 3 2 2 2 5 4 3 - 4 5 3 - - 4.17 4.14 13.5 12.6 13.4 12.3 6 II 1 2 3 3 2 1 5 5 5 2 - 4 - 3 - 29.3 39.5 29.2 39.6 18.7 18.6 7 III 1 2 3 2 2 1 2 3 4.5 6 5 4.5 - - - 7.1 14.3 7.2 14.4 10.7 10.6 8(+Q) IV 1 2 3 3 2 1 5 5 5 2 3 4 - - - 29.7 23.7 19.0 29.9 23.6 19.2 5(+Q) V 1 2 3 2 2 2 5 4 3 3 4 5 - - - 12.5 23.2 - 12.3 - - VSOL.TOTAL =10ml Grupo Mezcla Valores Promedio de NaOH (ml) 0.4766N 0.4704N 9 I 1 2 3 41.55 13.45 12.45 6 II 1 2 3 29.25 39.55 18.65 7 III 1 2 3 7.15 14.35 10.65 8(+Q) IV 1 2 3 29.8 23.65 19.1 5(+Q) V 1 2 3 12.4 23.2 - • Datos Bibliográficos (Obtenidos de tablas) Datos Bibliográficos ) ml / g ( C º 25 ρ ) mol / g ( M CH3COOH 1.04397 60.05256 CH3CH2OH 0.78289 46.06904 HCl 1.049 36.46064 CH3COOCH3CH2 0.901 88.10632 H2O 0.9999 18.01582 LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I IV. OBSERVACIÓN En la reacción de esterificación es factible utilizar HCl como catalizador, para acelerar la reacción, dado q esta es muy lenta, además de agitarla durante una semana mientras alcanza el equilibrio. V. TRATAMIENTO DE DATOS • Cálculo de las masas de CH3COOH, CH3CH2OH, HCl, CH3COOCH3CH2 y H2O presentes en cada frasco, al inicio MASAS (g) Grupo Mezcla HCl (3N) (g) CH3COOH (g) CH3COOCH3CH2 (g) CH3CH2OH (g) 9 I 1 2 3 2.098 2.098 2.098 5.21985 4.17588 3.13191 0.00000 3.13156 3.91445 2.703 0.000 0.000 6 II 1 2 3 3.147 2.098 1.049 5.21985 5.21985 5.21985 1.56578 0.00000 3.13156 0.000 2.703 0.000 7 III 1 2 3 2.098 2.098 1.049 2.08794 3.13191 4.69787 4.69734 3.91445 3.52300 0.000 0.000 0.000 8(+Q) IV 1 2 3 3.147 2.098 1.049 5.21985 5.21985 5.21985 1.56578 2.34867 3.13156 0.000 0.000 0.000 5(+Q) V 1 2 3 2.098 2.098 2.098 5.21985 4.17588 3.13191 2.34867 3.13156 3.91445 0.000 0.000 0.000 • Cálculo de moles de CH3COOH, CH3CH2OH, HCl, CH3COOCH3CH2 y H2O presentes en cada frasco, al inicio. MOLES INICIALES(mol) Grupo Mezcla HCl (3N) (mol) CH3COOH (mol) CH3CH2OH (mol) CH3COOCH3CH2 (mol) H2O (mol) 9 I 1 2 3 0.05753 0.05753 0.05753 0.08692 0.06954 0.05215 0.00000 0.06798 0.08497 0.03068 0.0000 0.0000 0.0001965 0.0001965 0.0001965 6 II 1 2 3 0.08631 0.05753 0.02877 0.08692 0.08692 0.08692 0.03398 0.00000 0.06798 0.0000 0.03068 0.0000 0.0002644 0.0001965 0.0000881 7 III 1 2 3 0.05753 0.05753 0.02877 0.03450 0.05215 0.07823 0.10196 0.08497 0.07647 0.0000 0.0000 0.0000 0.0001965 0.0001965 0.0000881 8(+Q) IV 1 2 3 0.08631 0.05753 0.02877 0.08692 0.08692 0.08692 0.03398 0.05098 0.06798 0.0000 0.0000 0.0000 0.0002644 0.0001965 0.0000881 5(+Q) V 1 2 3 0.05753 0.05753 0.05753 0.08692 0.06954 0.05215 0.05098 0.06798 0.08497 0.0000 0.0000 0.0000 0.0001965 0.0001965 0.0001965 *** Para el cálculo de moles de H2O, se realizaron los siguientes cálculos: LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I O H HCl HCl HCl HCl O H O H O H HCl HCl HCl HCl O H HCl HCl 2 2 2 2 2 2 N 3 M M . n V . M m n m M . n V . m m m O H HCl ) N 3 ( HCl − ρ · · ∴ + · ρ + · ⇒ ¹ ' ¹ 1. Después de haber titulado determinar el numero de moles de Ácido Acético presentes en el equilibrio. • Cálculo de moles de CH3COOH, CH3CH2OH, HCl, CH3COOCH3CH2 y H2O en el equilibrio. ** La Normalidad del HCl en el equilibrio, se determinó realizando los siguientes cálculos: Total . Sol HCl ) Inicio ( HCl ) Equilibrio ( HCl Total . Sol ) Equilibrio ( HCl HCl ) Inicio ( HCl V V . N N V . N V . N · ⇒ · Entonces para el cálculo de los moles de Ácido Acético en el equilibrio de determinara de la siguiente manera: ( ) ( ) ( ) ( ) Total . Sol COOH CH COOH CH TITULADA . SOL Total . Sol HCl ) Inicio ( HCl TITULADA . SOL NaOH GASTADO COOH CH NaOH GASTADO COOH CH Total . Sol HCl ) Inicio ( HCl TITULADA . SOL NaOH GASTADO COOH CH HCl TITULADA . SOL BASE ACIDO V . N n V V V . N V N . V N N . V N V V . N V N . V N N . V g Eq # g Eq # 3 3 3 3 3 · ∴ , ` . | − · ⇒ · , ` . | + · + − · − Realizando los cálculos se obtuvieron los siguientes datos: MOLES DE CH3COOH EN EL EQUILIBRIO Grupo Mezcla CH3COOH (mol) 9 I 1 2 3 0.093014 0.025634 0.023282 6 II 1 2 3 0.060703 0.088245 0.040865 7 III 1 2 0.011039 0.019049 LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I 3 0.031196 8(+Q) IV 1 2 3 0.061089 0.049625 0.041923 5(+Q) V 1 2 3 0.023165 0.048566 - 2. Con los valores hallados para las concentraciones de las sustancias en equilibrio, calcular la constante de equilibrio para cada una de las muestras. En la Experiencia se presentaron dos casos: a) x x n x n x n Equilibrio _________ __________ __________ __________ __________ __________ x x x x - acción Re n n n Inicio OH H C COOH CH O H H COOC CH 3 2 1 - 3 2 1 5 2 3 HCl 2 5 2 3 + + − + ÷ ÷→ ← + [ ][ ] [ ][ ] x n x n x x n V x n V x n V x V x n K 1 2 3 1 2 3 Equilibrio − + + · ] ] ] − ] ] ] + ] ] ] ] ] ] + · b) x n x x n x n Equilibrio _________ __________ __________ __________ __________ __________ x x x - x - acción Re n - n n Inicio O H H COOC CH OH H C COOH CH 4 2 1 4 2 1 2 5 2 3 HCl 5 2 3 + − − + ÷ ÷→ ← + [ ][ ] [ ][ ] x n x n x x n V x n V x n V x V x n K 1 2 4 1 2 4 Equilibrio − − + · ] ] ] − ] ] ] − ] ] ] ] ] ] + · MOLES EN EL EQUILIBRIO Grupo Mezcla CH3COOH (mol) CH3CH2OH (mol) CH3COOCH3CH2 (mol) H2O (mol) LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I 9 I 1 2 3 0.093014 0.025634 0.023282 0.006094 0.0024074 0.056102 0.02486 0.043906 0.028868 0.0629050 0.0441025 0.0290645 6 II 1 2 3 0.060703 0.088245 0.040865 0.007763 0.001325 0.021925 0.026217 0.029355 0.046055 0.0264814 0.0015215 0.0461431 7 III 1 2 3 0.011039 0.019049 0.031196 0.078499 0.051869 0.029436 0.023461 0.033101 0.047034 0.0236575 0.0332975 0.0471221 8(+Q) IV 1 2 3 0.061089 0.049625 0.041923 0.008149 0.013685 0.022983 0.025831 0.037295 0.044997 0.0260954 0.0374915 0.0450851 5(+Q) V 1 2 3 0.023165 0.048566 - -0.012775 0.047006 - 0.063755 0.020974 - 0.0639515 0.0211705 - 3. Busque de informaciones un ejemplo de equilibrio químico homogéneo en fase liquida de la reacción: O H H COOC CH OH H C COOH CH 2 5 2 3 HCl 5 2 3 + ÷ ÷→ ← + Grupo Mezcla KEQUILIBRIO 9 I 1 2 3 3.665031631 3.137779675 0.642363601 6 II 1 2 3 1.473276272 2.617893316 2.37187856 7 III 1 2 3 0.640503505 1.115507989 2.413564145 8(+Q) IV 1 2 3 1.354059797 2.058913525 2.10551106 5(+Q) V 1 2 3 -13.77754291 0.194503198 - LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I LA REACCIÓN DE ESTERIFICACIÓN Definiendo sintéticamente la esterificación podríamos decir que se trata de la formación de un éster por la unión de un alcohol y un ácido, mediante una reacción que es lenta a temperatura ambiente, de punto bajo de ebullición. Para acelerar la reacción hay que utilizar pequeñas cantidades de un catalizador que puede ser ácido sulfúrico, ácido clorhídrico o bencesulfónico, y elevar la temperatura en la reacción. En el año 1862, M. P. E. Berthelot, mediante su estudio del sistema alcohol etílico-ácido acético, demostró que la esterificación es un equilibrio. Si reaccionan 1 mol de alcohol etílico y 1 mol de ácido acético, al lograr el equilibrio, están presentes, a temperatura ambiente, 2/3 de mol de acetato de etilo y 2/3 de mol de agua, junto con 1/3 de mol de alcohol y 1/3 de mol de ácido. Estos valores pueden sustituirse en la ecuación de equilibrio: [ ][ ] [ ][ ] OH H C COOH CH O H H COOC CH K 5 2 3 2 5 2 3 EQUILIBRIO · Donde KEQUILIBRIO es la constante de equilibrio y los corchetes indican las concentraciones del reactivo (sea el reactivo que sea) en moles por litro. De esta forma se obtiene, para KEQUILIBRIO, el valor 4. Siempre que la temperatura no se altere voluntariamente, este valor es constante para el alcohol etílico y el ácido acético; independientemente de las concentraciones iniciales de ácido y de alcohol, el valor 4 se mantiene siempre constante. FABRICACIÓN DE UN ÉSTER EN EL LABORATORIO: EL ACETATO DE ETILO En un matraz de fono redondo, de 200 mL de capacidad, se ponen 30 g (0,5 moles) de ácido acético glacial y 40 mL de etanol del 95%. A continuación, agitando continuamente el matraz, se añaden lentamente 5 mL de ácido sulfúrico concentrado. Se adapta al matraz un V M t t Ácido + Alcohol Ester + Agua Grafica V vs. t Esterificación Grafica de la Constante de Equilibrio Ester Ácido + Alcohol LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I refrigerante de reflujo, se añade un pedacito de plato poroso y se calienta la mezcla a reflujo durante treinta minutos sobre un baño de vapor. Al final del período de reflujo, se enfría el matraz y su contenido y se modifica el aparato disponiéndolo para una destilación. Como colector se puede emplear un quitasato en cuya tubuladura lateral se pondrá una goma que conduzca los posibles vapores al desagüe o debajo de la mesa de laboratorio. En el matraz quedará como residuo una pequeña cantidad de ácido acético y ácido sulfúrico diluido. El destilado se pasa a un embudo de llave y se agita suavemente con solución de carbonato sódico. La llave del embudo tiene que abrirse inmediatamente después de mezclar las dos capas para dejar salida al dióxido de carbono y después también se tiene que abrir con frecuencia. Finalmente, la mezcla se agita todavía con más frecuencia hasta que la capa superior no presente reacción ácida al papel de tornasol. Se separa la capa superior de acetato de etilo y se lava con una solución fría de 20 g de cloruro cíclico en 25 mL de agua. El producto se deja secar durante treinta minutos sobre sulfato magnésico anhídrido. Una vez se ha secado el producto, se filtra el líquido a través de un filtro seco para separar el sulfato magnésico y se destila. La fracción que pase a 75 o -78 o se recoge nuevamente aparte y se une a la primera porción. Se pesa el producto y se calcula el rendimiento en tanto por ciento a partir de la cantidad de ácido acético utilizada. 4. Adjunte dicha información en su informe y compare con los resultados en el punto 2. LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I En la tabla se ha designado con un (*) a aquellos resultados donde el % de error es excesivamente alto, esto es debido a que el sistema no ha alcanzado el equilibrio. VI. CONCLUSIONES • Para determinación de la constante de equilibrio hemos estudiado la reacción de esterificación la cual para hallar K solo fue necesario conocer las concentraciones finales de cada componente y esta fue determinada por titulación. • En la actualidad el equilibrio químico tiene múltiples aplicaciones como ejemplo industrial se aplica para obtener productos como se ve en la obtención de amoniaco. SHNH4(s) ÷ → ÷ NH3(g) + SH2(g) Si se retiran las concentraciones de NH3 y SH2 se obtendría de nuevo los productos , a lo que hacia aumentar el rendimiento de reacción, otro ejemplo seria el uso de catalizadores que solamente aceleran la reacción pero no influyen en el rendimiento. • La constante de equilibrio no tiene unidades. • En conclusión, el rendimiento de éster y agua no dependen de lo rápido que reaccionen el alcohol y el ácido, sino de cómo reaccionan completamente antes de alcanzar el equilibrio. Grupo Mezcla KEQUILIBRIO %Error 9 I 1 2 3 3.665031631 3.137779675 0.642363601 * 21.56% * 6 II 1 2 3 1.473276272 2.617893316 2.37187856 63.25% 35% * 7 III 1 2 3 0.640503505 1.115507989 2.413564145 * 72.5% 40% 8(+Q) IV 1 2 3 1.354059797 2.058913525 2.10551106 66.25% 48% 47.5% 5(+Q) V 1 2 3 -13.77754291 0.194503198 - * *
Report "LabFIQUI-I-“EQUILIBRIO QUÍMICO HOMOGÉNEO EN LA FASE LIQUIDA”A"