ESTUDIO CINÉTICO DE UNA REACCIÓN DE FORMACIÓN DEL ÁCIDO ACÉTICO A PARTIR DE ANHÍDRIDO ACÉTICO, A TRAVÉS DE ESPECTROFOTOMETRÍA UV - VISIBLE.
Crismary Machado R., Liliana M. Rodríguez S.
Universidad Pedagógica Experimental Libertador – Instituto Pedagógico de Caracas.
Junio 2012.
RESUMEN
Toda reacción química, posee una ley de rapidez, que describe la forma en que se relacionan cada una de los reactivos con una constante, la cual dependerá de la concentración de cada uno de las especies reactivas. En este sentido, se planteó para el presente trabajo de laboratorio, determinar el orden de una reacción y la constante de rapidez de formación de un compuesto orgánico como es el ácido acético, a partir de la hidratación de anhídrido acético, mediante espectrofotometría UV – Visible. Se implementó un método colorimétrico indirecto, ya que se utilizó el iodo como indicador durante la reacción. Se realizó un gráfico de absorbancia en función de la longitud de onda para determinar el espectro del iodo y el ʎmax = 470nm, valor se utilizó para realizar la curva de calibración. De la curva de calibración se obtuvo el rango de concentración ideal para realizar el estudio cinético del cual se obtuvo que la reacción es de orden cero según los gráficos de abs/t para ambas cinéticas donde se varió el volumen de un reactivo, donde se determinaron los valores de k siendo estos 0,0015mol.dm3 s-1 y 0,0031mol.dm3.s-1 para cada una de las cinéticas realizadas, concluyendo que en este tipo de reacciones no se produce un intermediario es muy reactivo eliminando el paso lento de la reacción.
Introducción
Un catalizador es una sustancia
(compuesto o elemento) capaz de acelerar o
retardar una reacción química,
permaneciendo éste mismo inalterado ya
que no se consume durante la reacción. Los
catalizadores funcionan al disminuir o
incrementar la energía de activación que
requiere una determinada reacción para
iniciarse.
Toda reacción química, intervenga o no
un catalizador en ella, posee una ley de
rapidez, la cual describe la forma en que se
relacionan cada una de los reactivos con una
constante de rapidez. El valor de dicha
expresión dependerá de la concentración de
cada uno de las especies reactivas.
De esta forma, si se estudia el cambio en
las concentraciones de determinadas
especies a lo largo de una reacción, se
puede establecer con facilidad su ley de
rapidez. Este estudio puede efectuarse por
diversos métodos como RMN dinámico,
actividad óptica o espectrofotometría
ultravioleta y visible. En este sentido, en el
presente trabajo de laboratorio, se determinó
el orden de una reacción y la constante de
rapidez de formación de un compuesto
orgánico como es el ácido acético, a partir
de la hidratación de anhídrido acético,
mediante espectrofotometría UV – Visible,
para lo cual se implementó un método
colorimétrico indirecto, ya que se utilizó el
iodo como indicador durante la reacción. La
importancia de este tipo de estudios radica
en que la base de muchos procesos
industriales es la cinética de las reacciones,
ya que esto depende que se implementen
catalizadores o inhibidores para mejorar la
eficacia de la producción.
Materiales y Reactivos
Para la realización del trabajo
práctico de laboratorio fueron necesarios los
siguientes materiales: matraces aforados de
25 cm3, dos vasos de precipitado de 150
cm3, dos agitadores de vidrio, un matraz
aforado de 250 y dos de 100 cm3 con sus
tapas, Spectronic 20, celdas. De igual forma,
fueron necesarios los siguientes reactivos:
250 cm3 de disolución de KI 1 mol/dm3, 25
cm3 de disolución de Iodo en KI 0,5mol/dm3,
25 cm3 de disoluciones de iodo en KI 5x10-
4; 1x10-3; 2x10-3; 7,5x10-3; 1,2x10-2 y 2,5x10-2
mol/dm3, 200 cm3 de disolución de KIO3 0,2
mol/dm3.
Procedimiento Experimental
Para la preparación de 250 cm3 de KI
1 mol3 se emplearon 41,4 g de esta sal. Para
los 25 cm3 la disolución de I2 en KI 0,1
mol/dm3, se midieron 0,633g del sólido, se
colocaron en el matraz correspondiente y se
completo hasta el aforo con la disolución de
KI. Para la preparación de las diferentes
diluciones de 25 cm3 de I2 en KI, se tomaron
0,125, 0,25, 0,50, 1,875, 3, y 6,25 cm3 de la
disolución 0,1 mol/dm3 para preparar
disoluciones a 5x10-4; 1x10-3; 2x10-3; 7,5x10-
3; 1,2x10-2 y 2,5x10-2 mol/dm3
respectivamente; se realizó la curva de
calibración con estas disoluciones en el
Spectronic 20 (gráfico No. 2).
Con la disolución 2x10-3 mol/dm3 se
realizó el espectro del iodo en el Spectronic
20 (gráfico No. 1). Para el primer estudio
cinético se tomaron 8 cm3 de disolución de
KI 1 mol/dm3, 0,01 cm3, y se completó con
disolución de KIO3 0,2 mol/dm3 hasta el aforo
de un matraz de 50 cm3. Se procedió a medir
la transmitancia de la disolución en el
Spectronic 20, durante varios intervalos de
tiempo (cuadro No. 3). Se reprodujo el
procedimiento anterior variando el volumen
de KI a 15 cm3 (cuadro No. 4).
Tablas y gráficos.
Tabla No. 1. Resultados obtenidos en la
determinación del espectro del I2.
ʎ(nm) Abs ʎ(nm) Abs
450 1,69
460 1,69
470 1,69
475 1,39
480 1,39
485 1,09
490 1,04
500 0,82
505 0,74
515 0,69
520 0,65
525 0,63
530 0,6
540 0,65
545 0,52
550 0,49
Abs
440 460 480 500 520 540 5600
0.20.40.60.8
11.21.41.61.8
ʎ(nm)
Gráfico No. 1. Absorbancia en función de
la longitud de onda del I2
Tabla No. 2. Resultados obtenidos en la
curva de calibración del I2.
Abs C mol/dm3
5,00x-04
1,00x-03
2,00x-03
7,50x-03
1,20x-02
2,50x-02
0,250,461,15
222
Abs.
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.0080
0.5
1
1.5
2
2.5
f(x) = 232.64 x + 0.32524R² = 0.903613185873805
C mol/dm3
Gráfico No. 2. Absorbancia en función de
la concentración del I2
Tabla No. 3. Resultados obtenidos en el
primer estudio cinético de la formación
de ácido acético.
t (s) Abs t (s) Abs
128 1,30
166 1,39
211 1,52
245 1,69
269 1,69
342 1,69
388 1,69
424 1,82
Abs
110 160 210 260 310 360 4101
1.2
1.4
1.6
1.8
2
f(x) = 0.0015344576838 x + 1.1767741369632R² = 0.834048783613458
Tiempo (s)
Grafico No. 3. Absorbancia en función del
tiempo de la reacción de formación de
ácido acético.
lnAbs.
50 100 150 200 250 300 350 400 4500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
f(x) = 0.00135230698 x + 0.07199129134R² = 0.790650277711347
Tiempo (s)
Grafico No. 4. Ln de la Absorbancia en
función del tiempo de la reacción de
formación de ácido acético.
1/Abs.
50 100 150 200 250 300 350 400 4500
0.10.20.30.40.50.60.70.80.9
f(x) = − 0.000645523435 x + 0.80976894471R² = 0.80500513429411
Tiempo (s)
Grafico No. 5. 1/Absorbancia en función
del tiempo de la reacción de formación de
ácido acético.
Tabla No. 4. Resultados obtenidos en el
segundo estudio cinético de la formación
de ácido acético.
t (s) Abs t (s) Abs
68 1,22
92 1,35
120 1,52
146 1,60
174 1,69
198 1,69
235 1,82
256 1,82
690 1,82
Abs.
60 110 160 210 2601
1.2
1.4
1.6
1.8
2
f(x) = 0.0031335638 x + 1.0826045392R² = 0.932547246195667
Tiempo
(s)
Grafico No. 6. Absorbancia en función del
tiempo de la reacción de formación de
ácido acético. Cinética 2
lnAbs
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
0.10.20.30.40.50.60.70.8
f(x) = 0.000632189 x + 0.340433047R² = 0.571213348847807
Tiempo (s)
Grafico No. 7. Ln de la Absorbancia en
función del tiempo de la reacción de
formación de ácido acético. Cinética 2.
1/ Abs.
50 100 150 200 250 300 350 400 4500
0.10.20.30.40.50.60.70.80.9
f(x) = − 0.0006455234 x + 0.80976894471R² = 0.80500513429411
Tiempo (s)
Grafico No. 8. 1/absorbancia en función
del tiempo de la reacción de formación de
ácido acético
Tabla No. 5. Concentración de ácido
acético en función del tiempo del primer
estudio cinético.
t (s) C mol/dm3 t (s) C mol/dm3
128 5x10-4
166 9,1x10-4
211 1,4x10-3
245 2,2x10-3
296 2,2x10-3
342 2,2x10-3
388 2,2x10-3
424 2,76x10-3
C (mol/dm3)
100 150 200 250 300 350 400 4500
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
f(x) = 0.00000657965708 x − 0.000000030697446R² = 0.834456190489048
Tiempo (s)
Grafico No. 9. Concentración en función
del tiempo de la reacción de formación de
ácido acético en el estudio No. 1.
Tabla No. 6. Concentración de ácido
acético en función del tiempo del
segundo estudio cinético.
t (s) C mol/dm3 t (s) C mol/dm3
68 5,9x10-4
92 1,1x10-3
120 1,8x10-3
146 2,2x10-3
174 2,6x10-3
198 2,6x10-3
235 3,16x10-3
256 3,16x10-3
C mol/dm3
50 100 150 200 250 3000
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0.0035f(x) = 0.00001344372287 x − 0.000002369846794R² = 0.933067762557577
Tiempo (s)
Grafico No. 10. Concentración en función
del tiempo de la reacción de formación de
ácido acético en el estudio No. 2.
Discusión de resultados.
Como se puede observar en el
gráfico No.1 de la determinación del
espectro del I2 que se obtuvo un ʎmax de
470nm. Este valor de ʎ se tomó como
referencia para realizar la curva de
calibración gráfico No. 2. La curva de
calibración permitió obtener los parámetros
de concentración necesarios para el estudio
cinético que se realizó posteriormente. En
cuanto a la interpretación de los datos
cinéticos se basa principalmente en un
hallazgo empírico llamado la “Ley de acción
de masas” en una disolución la velocidad de
una reacción elemental es proporcional a la
las concentraciones de los reactivos,
elevados a las potencias de sus coeficientes
estequiométricos y es independiente de
otras concentraciones y reacciones. (Moore
y Pearson, 1981).
Sin embargo, lo anterior no se
cumple en el caso de reacciones orden 0,
tendencia que se observó en el trabajo de
laboratorio para esta reacción (Gráfico No. 3)
de acuerdo con Daniel, (1971), “en una
reacción de orden cero, se tiene una línea
recta cuando se toma la concentración del
producto x a diferentes tiempos” (p.346).
Cabe destacar la importancia de lo descrito
anteriormente ya que este estudio cinético
se realizó en función de la formación de
productos, cuyas concentraciones se
determinaron de manera indirecta.
Del gráfico anterior (No. 3) se obtuvo
un valor de la pendiente como lo indica la
siguiente fórmula.
At = -k2t + A0
↓ ↓ ↓
y mx b
Donde y es la absorbancia, -k.x es la
pendiente y b el punto de corte. Cabe
destacar que por ser una recta positiva, se
tendrá un valor de k positivo lo cual se puede
evidenciar tanto en el gráfico como en el 6.
Por otro lado, gráficos fueron necesarios
para determinar el orden de la reacción, con
el cual se determinó la constante de rapidez
de la misma.
De acuerdo con lo anterior, se
descartan los gráficos No 5, 6, 7, y 8 ya que
tanto para el estudio cinético 1 y el estudio
cinético 2, los valores del coeficiente de
correlación lineal (R2) más aceptables
corresponden a los obtenidos en los gráficos
No. 3 y 6. Es por ello que se determina que
el orden de la reacción es 0.
En este sentido, las reacciones de
orden cero se encuentran con más
frecuencia en reacciones heterogéneas en
superficies. La velocidad de reacción en este
caso es independiente de la concentración
de la sustancia reactiva.
Según Calvet, (1956), la rapidez de la
reacción sea producto de un arreglo
molecular o degradación fotoquímica, efecto
del disolvente o de la superficie. Éste tipo de
reacciones parece trascurrir en una etapa
única, existiendo una posibilidad de que se
dé una colisión efectiva (disposición
adecuadas de las moléculas) para formar un
compuesto intermediario de corta duración,
seguido de otra reacción que origina los
productos finales, éste intermediario se
puede considerar como un producto de la
primera reacción y un reactivo de la
segunda.
La ecuación química, se puede
representar como sigue;
(CH3CO)2O + H2O → 2CH3COOH, de la
forma;
A + B → P
Es importante mencionar que no
todas las colisiones de A y B conducen
necesariamente a una reacción que origina
los productos P; existen varios factores que
deben satisfacer para que la reacción de
produzca. En consecuencia, sólo una cierta
fracción de las colisiones conducirán a la
reacción, a su vez, la velocidad con la que A
y B reaccionan dependerá del producto o de
la rapidez (frecuencia) a la que la moléculas
colisionan, y del factor, que expresa la
probabilidad de que las moléculas
reaccionen. Este último factor, una vez que
han entrado en contacto, es lógicamente una
función de la naturaleza de las que
moléculas que reaccionan y no de la
contracción de los reactivos.
Por otra parte, el valor para la
constante k para una reacción de orden cero
será igual a la pendiente, en este caso se
obtuvo un valor de k para la cinética 1 de
0,0015 mol.dm3.s-1 y para la cinética 2 de
0.0031 mol.dm3.s-1, siendo estos los mismos
valores para la rapidez de reacción debido a
que r = k.
La rapidez de la reacción indica la
posibilidad de colisión de las moléculas. Es
de esperarse un valor alto, debido que la
reacción se lleva con mucha rapidez, las
posibilidades de colisión deben ser altas, la
propia naturaleza de la reacción, favorece
los choques efectivos. Según Wentwork y
Lander (1975), en el caso en que una
molécula de A y una molécula de B,
reaccionan para dar un producto P, esta
etapa de reacción se denomina bimolecular,
y la constante K se denomina constante de
velocidad bimolecular.
Es importante destacar que el
estudiado realizado se llevó a cabo por
método indirecto o conocido como
iodométrico, el cual comprende la
determinación de oxidantes. En ellos, la
sustancia a determinar es puesta en
contacto con un exceso de ion yoduro, con lo
que se libera una cantidad de iodo
equivalente química te a la cantidad de
oxidante presente. (Skoog, West, Holler y
Crouch, 2005).
En disoluciones acuosas, el bromo
molecular tiene un color café rojizo. En la
reacción, con el anhídrido acético todas las
especies eran incoloras, por tanto está
especie, proporcionó el color de la
disolución, haciendo posible la medición de
absorbancia. Durante la experimentación se
observó la rapidez progreso de la reacción y
por tanto formación de ácido acético,
parámetro observado inicialmente de forma
cualitativa gracias a la intensificación del
color.
Conclusiones
1. Los productos esperados, se
obtienen rápidamente debido a que se
forman productos termodinámicamente
estables.
2. El estudio permitió demostrar que la
reacción de hidratación del anhídrido
acético, posiblemente no exista la
presencia de un intermediario, o que el
mismo sea muy reactivo por tanto se prueba
que una reacción es simple, de un solo paso.
3. Una vez que se conocen los estados
inicial y final de una reacción elemental
(descripción termodinámica), se pueden
proponer una infinidad de rutas para que
ocurra; la cinética intenta eliminarla mayoría
de estas posibilidades y sugerirla más
factible.
4. En las reacciones de orden cero La
velocidad de reacción en este caso es
independiente de la concentración de la
sustancia reactiva.
5. Se recomienda la implementación de
un inhibidor que permita observar el
desarrollo cinético de la reacción.
Referencias.
Calvet, E. (1956). Cinética Química (3ª ed).
Tomo I. Madrid: Salvat Editores S.A.
Daniels, F. (1971). Fisicoquímica. España: CECSA.
Moore, J. y Pearson, G. (1981) Mecanismo
de Cinética (3d ed). Madrid: Thompson.
Skoog, D., West, D., Holler, F. y Crouch, S.
(2005). Fundamentos de química
analítica (8a. ed.). Madrid: Thompson.
Wentworth, W. y Lander, S. (1975).
Fundamentos de Química Física.
España. Editorial Reverté, S.