Equilibrio y CinéticaDescomposición Catalítica del Peróxido de Hidrogeno

I. OBJETIVO GENERALAnalizar el efecto que tiene la adición de un catalizador sobre la rapidez de una reacción

PROBLEMA

Determinar la ecuación de rapidez de reacción para una reacción catalítica

INTRODUCCION

La cinética química es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de Reacción, cómo cambia la rapidez de reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan durante la reacción general (Difusión, ciencia de superficies, catálisis). La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; la química cuántica Permite indagar en las mecánicas de reacción, lo que se conoce como dinámica química.

Los catalizadores aumentan o disminuyen la rapidez de una reacción sin transformarse. Suelen empeorar la selectividad del proceso, aumentando la obtención de productos no deseados. La forma de acción de los mismos es modificando el mecanismo de reacción, empleando pasos elementales con mayor o menor energía de activación.

Existen catalizadores homogéneos, que se encuentran en la misma fase que los reactivos (por ejemplo, el hierro III en la descomposición del peróxido de hidrógeno) y catalizadores heterogéneos, que se encuentran en distinta fase (por ejemplo la malla de platino en las reacciones de hidrogenación).

Los catalizadores también pueden retardar reacciones, no solo acelerarlas, en este caso se suelen conocer como retardantes o inhibidores, los cuales impiden la producción.

CUESTIONARIO PREVIO RESUELTO

1. ¿Qué factores determinan la rapidez de una reacción?

Estado físico de los reactivos: Las reacciones son más rápidas si los reactivos son gaseosos o están en disolución.Concentración de los reactivos: En las reacciones heterogéneas la velocidad dependerá de la superficie de contacto entre ambas fases, siendo mayor cuanto mayor es el estado de división.

Temperatura: Un incremento de la temperatura provoca un incremento en la energía cinética de las moléculas, lo que hace que sea mayor el número de moléculas que alcanza la energía de activación.Catalizadores: Los catalizadores cambian la energía de activación de una determinada reacción, y por lo tanto varían la velocidad de reacción.

Factores que influyen en la velocidad de reacciónLa velocidad de la reacción se incrementa al aumentar la concentración de los reactivos, ya que aumenta el número de choques entre ellos.Los catalizadores cambian la energía de activación de unadeterminada reacción, y por lo tanto varían la velocidad de reacción

2. ¿Cómo se puede medir el avance de una reacción?

La velocidad de una reacción catalizada por un enzima puede medirse con relativa facilidad, ya que en muchos casos no es necesario purificar o aislar el enzima. La medida se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, etc, y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato. En estas condiciones, la velocidad de reacción observada es la velocidad máxima (Vmax). La velocidad puede determinarse bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los reactivos.Al seguir la velocidad de aparición de producto (o de desaparición del sustrato) en función del tiempo se obtiene la llamada curva de avance de la reacción, o simplemente, la cinética de la reacción. A medida que la reacción transcurre, la velocidad de acumulación del producto va disminuyendo porque se va consumiendo el sustrato de la reacción (Figura de la derecha). Para evitar esta complicación se procede a medir la velocidad inicial de la reacción (v0). La velocidad inicial de la reacción es igual a la pendiente de la curva de avance a tiempo cero (Figura de la derecha). De esta forma, la medida de v0 se realiza antes de que se consuma el 10% del total del sustrato, de forma que pueda considerarse la [S] como esencialmente constante a lo largo del experimento. Además, en estas condiciones no es necesario considerar la reacción inversa, ya que la cantidad de producto formada es tan pequeña que la reacción inversa apenas ocurre. De esta forma se simplifican enormemente las ecuaciones de velocidad.

3. Explique qué es catálisis, catalizador, inhibición e inhibidor de una reacción.

Catálisis: es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química.Catalizador: Un catalizador propiamente dicho es una sustancia que está presente en una reacción química en contacto físico con los reactivos, y acelera, induce o propicia dicha reacción sin actuar en la misma.Inhibisión: Componente de los sistemas de regulación psicológicos o fisiológicos que actúan en los seres vivos.Inhibidor: Inhibidores enzimáticos son moléculas que se unen a enzimas y disminuyen su actividad.

Inhibidores de la bomba de protones son medicamentos cuya acción principal es la reducción pronunciada y duradera de la producción de ácido en el jugo gástrico.

4. Explique qué diferencia hay entre una catálisis homogénea y una heterogénea

Catalizadores homogéneos: se encuentran en la misma fase que los reactivos (normalmente solutos en una mezcla de reacción líquida). Catalizadores heterogéneos: se encuentran en una fase diferente a la de los reactivos (catalizador en fase sólida y los reactivos en fase líquida o gas)

5. Si en una reacción se desprenden gases, explique cómo se determina el avance de la reacción.

6. Investiga las propiedades químicas del peróxido de hidrógeno, del dicromato de potasio y de la enzima catalasa.

Peróxido de hidrógeno: También conocido como agua oxigenada odioxidano es un compuesto químico con características de un líquido altamente polar, fuer temente enlazado con el hidrógeno tal como el agua, que por lo general se presenta como un líquido ligeramente más viscoso que éste. Es conocido por ser un poderoso oxidante. A temperatura ambiente es un líquido incoloro con sabor amargo. Es termodinámicamente inestable.

El peróxido de hidrógeno puro (H2O2) es un líquido denso y claro, con una densidad de 1,47 g/cm3 a 0 °C. El punto de fusión es de –0,4 °C, y su punto de ebullición normal es de 150 °C.Dicromato de potasio:Es una sal del hipotético ácido dicrómico(este ácido en sustancia no es estable) H2Cr2O7. Se trata de una sustancia de color intenso anaranjado. Es un oxidante fuerte. En contacto con sustancias orgánicas puede provocar incendios.Solubilidad en agua 130 g/l a 20 °C en agua.Enzima catalasa: Enzima que se encuentra en organismos vivos y cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno (H202) en oxígeno y agua.

7. ¿Cuál es la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno que se lleva acabo por el catalizador?

El mecanismo completo de la catalasa no se conoce, aun así la reacción química se

produce en dos etapas:

H2O2 + Fe(III)-E → H2O + O=Fe(IV)-E

H2O2 + O=Fe(IV)-E → H2O + Fe(III)-E + O2

donde Fe-E representa el núcleo de hierro del grupo hemo unido a la enzima que actuán

como cofactores.

La reacción de desproporción que tiene lugar es: H2O2 ->H2O +1/2 O2

8. ¿Cuál es la ecuación de rapidez de descomposición del peróxido de hidrógeno?

a) en ausencia de catalizador

b) en presencia de catalizador

DIAGRAMA DE FLUJO

Se Colocaron 5 ml de peróxido de Hidrogeno al 1.5 % en un matraz cerrado con un corcho

En una probeta se lleno de agua y se coloco una bureta sin punta, esta fue conectada al matraz donde estaba el peróxido.

Se le inyecto por el corcho Dicromato de potasio en distintas cantidades, para cada una se tomo cada 30 segundos el volumen de agua desplazado

RESULTADOS (tablas de datos experimentales, cálculos desglosados, gráficos)

Algoritmo de Cálculos.

Para la tabla 1:Vmax= 40mLVt=1mLVmax - Vt * 40 mL-1 mL = 39 mL * 40 mL-1.8 mL = 38.2 mL Ln (Vmax- Vt) * In (39 mL)= 3.7 * In (38.2 mL) = 3.61/(Vmax-Vt) * 1/39 = 0.025641 * 1/38.2 = 0.026178

Volumen Teórico.

Datos: Pureza =30%; Densidad de 1.33 g/ml, Pureza = 1.5%, 5 ml de catalizador.

La densidad se multiplica con los 5 ml:1.5 g100 ml5 ml=6.65 g6.65 g 100%x 1.5%x=0.9975 g

1.09975 g1 mol H2O21 mol O22 mol H2O2=0.000146 mol de O2Para obtener el volumen teorico a una temperatura de 25ºC y una presión de 585mmHg. Se utiliza la ecuación de los gases ideales. PV=nRTPor lo tanto: P= 0.7697 atmosferasT=25 ºC = 298.15 KR=0.08205746 L atmmol Kn=0.00146 molV= nRTPV= 0.00146 mol0.08205746 L atmmol K298.15 K0.7697 atm =0.04662 L= 46.62 ml

El volumen teórico es 46.62 mL

ANALISIS DE RESULTADOS

OBSERVACIONES Y COMENTARIOS

CONCLUSION

Se pudo observar el comportamiento de la velocidad de la reacción química con distintas concentraciones de catalizador, encontrando que lo único que varia es la constante de rapidez de la reacción, y no el orden de la reacción, ya que para los 5 experimentos, con distintas concentraciones de catalizador, el orden de la reacción fue cero, ajustándose a la gráfica [A] vs. t. Los valores de las constantes fueron también muy similares, puesto que no mostraron variaciones grandes, sin embargo, experimentalmente se observó que la mayor concentración de catalizador, favorecía el mayor volumen de oxígeno en menor tiempo.

RESPUESTA AL PROBLEMA

MEDIDAS DE SEGURIDAD

Dicromato de potasio

MANEJO:Equipo de protección personal:Para el manejo de este producto debe utilizarse bata, lentes de seguridad y guantes, en un área bien ventilada. No usar lentes de contacto al trabajar con este producto.Al trasvasar disoluciones de este compuesto, usar propipeta, NUNCA ASPIRAR CON LA BOCA.

RIESGOS:Riesgos de fuego y explosión:Este producto no es inflamable, pero puede causar fuego al entrar en contacto con materiales combustibles. Se descompone generando oxígeno Riesgos a la salud: El principal problema de este producto es su capacidad para corroer e irritar piel, ojos, membranas mucosas y tracto respiratorio, así como hígado y riñones, por lo que es peligroso inhalado, ingerido o por contacto con la piel.Se ha informado de efectos tóxicos de este producto sobre los sistemas circulatorio y nervioso central, pulmones, corazón, riñones y tracto gastrointestinal de conejos expuestos a concentraciones crónicas.

APLICACIONES DEL TEMA

El uso de catalizadores en la industria química está tan extendido que prácticamente participan en el 90% de los procesos químicos. El desarrollo de la química industrial se debe en gran medida a la catálisis, pero también encontramos catalizadores en la vida cotidiana: en estufas catalíticas, en los automóviles y, sobre todo, en nosotros mismos. Los seres vivos somos la más compleja industria química, en la que se producen millones de reacciones a la vez; la vida sería imposible sin la presencia de los catalizadores biológicos:

las enzimas.

La catálisis , como ya dijimos, es la aceleración de una reacción química con una pequeña cantidad de sustancia, que permanece esencialmente intacto.

Nunca permite una reacción que sea termodinámicamente imposible, sino que crea un camino alternativo, una forma de interactuar los reactivos mucho más eficiente. Así, si nitrógeno e hidrógeno fluyen en un tubo a alta presión y temperatura no reaccionan para dar amoniaco, aunque el equilibrio químico sea favorable. Pero si se añaden partículas de hierro ambos compuestos reaccionan a gran velocidad. Por otro lado, si en un proceso existen reacciones paralelas o laterales, los catalizadores pueden favorecerlas para proporcionar el producto deseado.

Todo esto hace que, gracias a su empleo, se consiga el abaratamiento de costes, simplificación de instalaciones, condiciones menos severas de presión y temperatura, reactores y aparatos más pequeños, además de la obtención de productos de mayor calidad.Los primeros logros importantes de la aplicación de la catálisis a la industria fueron la mejora sustancial de los procesos de conversión de amoniaco a ácido nítrico, la hidrogenación y la síntesis de amoniaco, que se desarrollaron durante última mitad del siglo XIX y principios del XX.

Uno de los mayores éxitos del uso de los catalizadores fue el del craqueo (ruptura) catalítico de las fracciones pesadas de petróleo a partir de 1936. Este hecho fue demostrado por Houdry en el laboratorio en 1928, permitiendo la obtención de gasolina de mayor octanaje y calidad. En este proceso, que sustituyó al craqueo térmico utilizado anteriormente, se emplean cada año millones de toneladas de catalizador. Poco después se desarrolló el reformado catalítico de hidrocarburos, y en la actualidad el catalizador más utilizado para ambos procesos, que nacieron o fueron mejorados durante la II Guerra Mundial, son las zeolitas.En la década de los 50-60 se consolidó la polimerización de etileno con catalizadores tipo Ziegler-Natta (en honor a sus descubridores) para la obtención de polietileno, un polímero ampliamente utilizado en botellas, recipientes, bolsas, moldes, etc., y también la oxidación de naftaleno y buteno a anhídrido ftálico y anhídrido maleico, sustancias precursoras en la obtención de cauchos, lonas y otros materiales plásticos.

Los catalizadores para los coches, la transformación de glucosa a fructosa, la obtención de gasolina desde metanol, el metacrilato o la producción de la vitamina K 4, son algunos de los avances llevados a cabo en las dos décadas posteriores. En la actualidad, la mayoría de la producción de numerosos intermediarios orgánicos sintéticos usados para hacer plásticos, fibras, elastómeros, colorantes, pesticidas, resinas, pigmentos, medicamentos, etc. involucran etapas de catálisis.

PROBLEMAS RESUELTOS

1. El amoniaco se descompone por acción de un filamento de tungsteno caliente según la reacción dada. La reacción se sigue por el cambio de presión, habiéndose observado a distintos tiempos los aumentos de presión reflejados en el cuadro. Sabiendo que la presión inicial era 200 torr. Calcúlese la constante de velocidad en unidades de presión.

2NH3 N2 + 3H2

t(s) 100 200 400 600 800 1000

P

PT

11

211

22.1

222.1

44

244

66.3

266.3

87.9

287.9

110

310

Respuesta:

Empezamos con reacciones de orden 0.

P0 = 200 torr

-dC/dt = kC° = k dC = k dt

C0-C = kt C = C0 - kt

Vamos a hacer una transformación. Esta ecuación es para concentración en moles por litro, nosotros queremos trabajar con unidades de presión, por ello usaremos una expresión equivalente para la presión.

P = P0 - kt

Esta gráfica no nos da ninguna información ya que necesito una representación de la P(NH3) en función del tiempo.

P0(NH3) = 200 torr.

Transcurrido cierto tiempo podemos suponer que la presión disminuye.

2NH3(g)

P(t)

P0-x

N2(g)

x/2

+ 3H2(g)

3x/2

PT = (P0-x) + x/2 + 3x/2 = P0 + x

Nosotros sabemos que: PT-P0 = x

P(NH3) = P0-x = P0- P

t(s) 100 200 400 600 800 1000

P NH3 189 177.9 156 133.7 112.1 90

Ahora represento

P(NH3) frente a t:

k = pendiente = 0.11

Ecuación de orden 0 200

LINEA DE TIEMPO (Cinetica Quimica)

-Uno de los primeros trabajos dedicados al estudio de la cinética química fueron las investigaciones de Ludwig Ferdinand Wilhelmy (1812-1864) sobre la velocidad de cambio de configuración de determinados azúcares en presencia de un ácido. A mediados del siglo XIX, Wilhelmy llegó a la conclusión de que la velocidad del cambio era proporcional a la concentración del azúcar y del ácido y que también variaba con la temperatura. -La colaboración entre un químico, George Vernon Harcourt (1834-1919), y un matemático, William Esson (1838-1916), permitió la introducción de ecuaciones diferenciales en el estudio de la cinética química. Esson fue el introductor de los conceptos de reacciones de "primer orden", cuyo velocidad es proporcional a la concentración de un sólo reactivo, y de reacciones de "segundo orden", en las cuales la velocidad es proporcional al producto de dos concentraciones.

-En los últimos años del siglo XIX, los trabajos de Jacobus Henricus Van't Hoff (1852-1911) tuvieron una gran influencia en este y otros campos de la química. Entre sus aportaciones, se encuentra la introducción del "método diferencial" para el estudio de la velocidad de las reacciones químicas y su famosa ecuación que permite relacionar la velocidad y la temperatura de la reacción.

BIBLIOGRAFIA:

* Química Física, Thomas Engel, Philip Reid, Pearson-Addison, Madrid 2006, pag. 937 a 945. * Raymond Chang, Química. Novena Edición, 2007 Mc Graw Hill Interamericana,