6.- Cinetica Quimica

UNIVERSIDAD DEL VALLE DE MÉXICO CAMPUS CHAPULTEPEC

LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA II

PRÁCTICA # 6

“CINÉTICA QUÍMICA: DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE VELOCIDAD DE REACCIÓN DE LA HIDRÓLISIS DEL CLORURO DE ter-BUTILO.”

INFORMACIÓN a) Una reacción química comprende la conversión de reactivos a productos. b) Las reacciones pueden ser bimoleculares o unimoleculares. c) Un mecanismo de reacción es la descripción paso por paso, del proceso que ocurre cuando los reactivos se convierten a productos. d) La cinética de las reacciones se refiere al estudio detallado de la velocidad de las reacciones químicas. Permite estudiar un mecanismo, ya que proporciona una medida de las velocidades de reacción, y una indicación sobre el número y la naturaleza de las moléculas que intervienen en la reacción. o Los experimentos se llevan a cabo a temperaturas y concentraciones de reactivos controladas con precisión. o Conforme transcurre la reacción se pueden determinar la disminución o el aumento de un reactivo o producto en función del tiempo transcurrido. e) La interpretación de los resultados experimentales, junto con una expresión matemática, conduce a una mejor comprensión de los mecanismos de reacción.

OBJETIVO



El alumno aprenderá a comprobar experimentalmente el mecanismo de una reacción SN1 mediante la determinación gráfica del orden y la constante de velocidad de una ecuación de 1er orden.

ANTECEDENTES Cinética Química La cinética es el estudio de la velocidad de reacción, determinada que productos se forman mas rápidamente. La cinética también ayuda a predecir como cambia la velocidad si se cambian las condiciones de reacción1. La cuestión relativa a la rapidez se encuentra en el campo de la cinética, una rama de la química en la que se hacen esfuerzos para relacionar las velocidades de las reacciones con las propiedades de los reactivos y aspectos tales como el volumen, la temperatura y la presión; Debemos suponer que existen los átomos y las moléculas y que la teoría cinética de los gases, los líquidos, los sólidos y las soluciones, es sustancialmente correcta. Analizando las velocidades de las reacciones químicas, de acuerdo con lo que se cree que los átomos y las moléculas son capaces de hacer y lo que se crea que hacen verdaderamente. Primero se interpretan los datos, y estos expresarlos en forma útil. Este enfoque se debe, en gran parte, en un cambio químico. A + B - C→ A – B + C En el que A reacciona con B – C, para producir A – B y C mezclando este tipo de muestra en cualquier experimento están involucrados decenas o cientos de miles de billones de moléculas de ambos tipos. No todas ellas se mueven en la misma dirección, ya que la distribución de las direcciones de movimientos es al azar; ni se mueven tampoco todas a la velocidad, ya que la distribución de las velocidades es también al azar2. Velocidad de una reacción La velocidad de una reacción es la rapidez con la que aparecen los productos y desaparecen los reactivos. La velocidad se puede determinar midiendo el aumento de las concentraciones de los productos con el tiempo, bien, la disminución de las concentraciones de los reactivos con el tiempo. Las velocidades de reacción dependen de las concentraciones de los reactivos. Cuanto mayores sean las concentraciones, con frecuencia chocaran las moléculas de los reactivos y mayor será la probabilidad de que se produzca la reacción. Una ecuación de velocidad (algunas veces llamada ley de velocidad) es la reacción entre las concentraciones de los reactivos y la velocidad de reacción observada. Cada reacción tiene su propia reacción de velocidad, determinada experimentalmente modificando las concentraciones de los reactivos y midiendo el cambio en la velocidad. Por ejemplo considerarse la reacción general: A + B → C + D. La velocidad de reacción generalmente es proporcional a las concentraciones de los reactivos ([A] y [B]) elevadas a los coeficientes a y b. se utilizara una expresión de velocidad general para representar esta relación como: Velocidad= kr [A]a[B]b Donde Kr es la constante de velocidad. Los valores de los exponentes (a y b) deben ser determinados experimentalmente. No se puede adivinar o calcular la ecuación de velocidad a partir de la estequiometría de la reacción. La ecuación de velocidad depende del mecanismo de reacción y de la velocidad de los pasos individuales en el mecanismo. En la ecuación de velocidad general, el exponente a se conoce como orden de la reacción con respecto al reactivo A, y b es el orden de la reacción con respecto a B. La suma de los exponentes (a + b) se conoce como orden total de la reacción. Ejemplo: La siguiente reacción tiene una ecuación de velocidad sencilla: H 2O / acetona CH3 – Br + OH-   → CH3 - OH- + Br – Experimentalmente se comprueba que cuando se duplica la concentración de bromuro de metilo,[CH3Br] se duplica la velocidad de reacción. Cuando se duplica la reacción Ion hidróxido,[OH -] también se duplica la velocidad, por lo tanto, la velocidad es proporcional tanto a la concentración de CH3Br como a la de OH-, por lo que la velocidad de reacción tiene la siguiente expresión: Velocidad= kr [ CH 3 Br ] OH −

[

1 2

]

WADE, Jr “Química Orgánica” Quinta edición. Pearson, Madrid 2004. HOLUM, J. “Fisicoquímica, química Orgánica y Bioquímica”. Limusa, México 1994.

2

Esta ecuación de velocidad es de primer orden respecto a cada uno de los dos reactivos, ya que los exponentes de las dos concentraciones son iguales a uno. La ecuación de velocidad total es de segundo orden, ya que la suma de los exponentes de las concentraciones en la educación de velocidad es dos, esto es, (primer orden) + (primer orden) = segundo orden total. Las reacciones del mismo tipo no necesariamente tienen la misma forma de educación de velocidad. Por ejemplo, la siguiente reacción, similar a la anterior, tiene un orden cinético diferente: H 2O / acetona (CH3)3C – Br + OH-   → (CH3)3C - OH +Br – Al duplicar la concentración de bromuro terc-butilo ([(CH3)3C-Br]), la velocidad se duplica, pero el hecho de que se duplique la concentración de Ion hidróxido ([OH-]) no afecta esta reacción. La ecuación de velocidad es:

Velocidad= kr

[( CH )

3 3

C − Br ]

Esta reacción es de primer orden respecto al terc-butilo y de orden cero respecto al Ion hidróxido (proporcional a la [OH-] (elevado a cero). Globalmente la reacción es de primer orden1. Ecuación de la velocidad de una reacción Experimentalmente, la velocidad de reacción se puede medir como la rapidez con que aparece un producto (o productos) o con la que desaparece algún reactivo (o reactivos). Una porción de la mezcla reactiva se analiza a intervalos medidos de tiempo, en lo concerniente a las concentraciones relativas de sus elementos, y luego se busca una reacción matemática. La ecuación de velocidad de una reacción puede estudiarse, de acuerdo con una teoría sobre las moléculas en colisión y pueden definirse como: Velocidad = número de colisiones productivas / segundo, por centímetro cúbico El número de colisiones efectivas será una reacción del número total de colisiones que consiste en identificar a los factores que nos dan la fracción aplicada

 No.colisiones.efectiva  ( factores.de.energía )( factoresdeprobabilidad ) Velocidad =  ( seg )(cc)   En general, la velocidad depende de las concentraciones de los reactivos siguiendo una expresión similar a la siguiente para la reacción estándar: A + bB → bC + dD Si los coeficientes de la reacción no son iguales a la unidad, es decir: La ecuación de la velocidad toma la forma:

Velocidad=k

[ A][ B]

A + 2B

→

AB2

2

La ecuación de velocidad debe mostrar, realidad, como depende la velocidad de las concentraciones. Sin embargo se dice que la reacción es de primer orden en A y de primer orden en B, en General esta reacción es de segundo orden2. El hecho más importante que se ha de recordar es que la ecuación de velocidad debe ser determinada experimentalmente. No se puede predecir la ecuación de velocidad a partir de la estequiometría de la reacción. La ecuación de velocidad se ha de determinar experimentalmente y, posteriormente, se ha de utilizar esta información para proponer mecanismos coherentes con los resultados experimentales1. Orden de reacción1 El orden de una reacción con respecto a un reactivo en particular es el exponente al que se eleva su concentración en la ecuación de velocidad. El orden general es la suma de esos exponentes. Muchas reacciones tienen órdenes fraccionarios y muchas mas tiene velocidades que no pueden ajustarse a velocidades simples3.

3

Ecuaciones proporcionadas en la materia de fisicoquímica farmacéutica en el curso 01-07 de la licenciatura de QFB IV semestre de la Universidad del Valle de México, por el I.Q.I. Antonio Muños Ariza.

3

• A+B

−

Orden de reacción 1

→

P

1+ 0=1 dC A KC A C B dt

Multiplicando

por

− dC A = − Kt CA

(-)

dC A = KC A dt

Integrando la ecuación

∫

dC A = − Kt CA ∫

Integrando desde CAo hasta CA, t = 0 hasta t = t

dC A CA 0 C A

∫

CA

∫

t =t

t =0

− Kt

dν

∫ν

= lnν

t =t [ ln C A ] CA = − K [ t ] t =0 CA 0

[ ln C A ] CA = − K ∫ dt CA 0 t =0 t =t

ln

LnCA – lnCA0 = - K (t) – (t) (0)

•

−

Orden de reacción 2

Multiplicando por (-)

CA = − Kt C A0

dC A = KC A CA

2

dC A 2 = − KC A CA

Ordenando la reacción CA

dC A  C A 2+1  = − Kdt 2   = − Kt CA  − 2 + 1 CA0 CA

 C A −1    = − Kt − 1   CA0 Multiplicando por (-)

t =t dC A = − K ∫ dt 2 CA 0 t =0 CA

∫

CA

CA

 1  = − Kt − C  A  CA 0 

−

∫

CA

CA 0

1  1   = − Kt −− C A  C A0 

t =t

C A dC A = − K ∫ dt −2

t =0

−

1 1 + = − Kt C A C A0

1 1 − = Kt C A C A0

Ecuación cinética para una reacción de 1er. orden. Según la ley de acción de masa de velocidad de cualquier reacción monomolecular: A → P Debe ser en cualquier instante t proporcional a la concentración de A, CA, presente en ese momento, es decir

−

dC A = K1C A dt

El factor de proporcionalidad K1 se denomina velocidad específica de la reacción de primer orden. Al hacer CA= 1 en la ecuación se deduce que la su significado es la velocidad de reacción cunado la concentración de A es constante e igual a la unidad. Las dimensiones de K1 se deduce en la ecuación K1 = (- 1 / CA) (d CA /dt), que son el reciproco del tiempo, esto es, la frecuencia. Para cualquier reacción de primer orden, K1 debe ser una constante característica de la reacción, independiente de la concentración y función únicamente de la temperatura.

4

Antes de integrar la ecuación diferencial, se debe de transformar. Para ello se designa “a” la concentración inicial de A, y por “x” el decremento de A durante el tiempo “t”

− dC A − d ( a − x) dx = = dt dt dt Y se convierte:

dx = k1 ( a − x) dt Que nos da la velocidad de una reacción de primer orden, en función de la concentración inicial y de la cantidad de sustancia que ha reaccionando. Al intregar la ecuación la ecuación teniendo en cuenta que al comenzar la reacción t= 0 y x= 0, y que después de un tiempo t, x=x resulta: t dx = ∫ K1dt 0 a−x 0 x [ − ln(a − x)] 0 = [ K1dt ] t0 a ln = K1t a−x

∫

x

Cualquier reacción de primer orden debe satisfacer la ecuación. Para conocer si una particular la obedece, existen diversos métodos. El primero es disponer de la concentración inicial y otras, a ciertos intervalos de tiempo, t del reactivo, a, (a – x) las cuales se reemplazan en la ecuación proporcionado el valor de K1. Si la reacción es de primer orden, se obtiene una serie de valores de K 1 que son igual dentro del margen de error de la experiencia. Sin embargo, si aquellos valores presentan un alza apreciable, la reacción no es de primer orden, y entonces, deben probarse otras para encontrar la que satisfaga a los datos observados. La ecuación puede comprobarse también gráficamente. Reordenando resulta:

ln(a − x) = − k1t + ln a  − K1  log10 (a − x ) =  t + log10 a  2.303  Como para cualquier experimento a es una constante, una grafica log (a-x) contra t nos da una línea recta, en la cual la intersección en el eje y será el log10 a y la pendiente es: (-K1/2.303). Por lo tanto, cuando se construye una grafica a partir de los datos experimentalmente y se obtiene una relación lineal, tenemos una reacción de primer orden y de su pendiente se deduce que K1 vale K1 = -2.303 (pendiente) Existe un tercer procedimiento de probar las reacciones de primer orden conocido como método de vida fraccionada, el cual es necesario para descomponer una fracción definida de reactivo, ordinariamente la mitad se determina para cierto número de valores diferentes de a. Cuando la mitad del reactivo se ha descompuesto, a – x = a/2, y el tiempo, t1/ 2, necesario para llevar a cabo esta descomposición

t1 / 2 =

1 a ln 2 ln = k1 a / 2 K 1

La cantidad t1/2 es el periodo de vida media de la reacción. De acuerdo con la ecuación el periodo de vida media de una reacción de primer orden es independiente da la concentración inicial4. Influencia de la concentración de los reactivos en la velocidad de una reacción. La manipulación de la concentración solo puede afectar a la frecuencia total de colisiones. En algunas reacciones, las velocidades son directamente proporcionales a la concentración de cada reactivo. A mayor concentración, mayor velocidad de reacción de uno de los reactivos. La concentración se refiere a la cantidad de átomos y moléculas presentes en un compuesto o mezcla2.

5

El aumento de la concentración inicial origina una aceleración en la velocidad. Esta no permanece constante durante el proceso de transformación, sino que es máxima al comienzo y decrece a medida que se consumen los reactivos4. Determinación gráfica del orden y constante de la velocidad para una ecuación de primer orden. Los conceptos de transición y energía de activación son más fáciles de entender gráficamente. En la figura siguiente se muestra un diagrama de energía de reacción para una reacción exotérmica de un paso. El eje vertical del diagrama de energía representa la energía de potencial total de todas las especies incluidas en la reacción. El eje horizontal se conoce como coordenada de la reacción, que simboliza el progreso de la reacción, yendo desde los reactivos, en la izquierda, hacia los productos, en la derecha. El estado de transición es el punto mas alto en la grafica y la energía de activación es la diferencia de energía entre los reactivos y el estado de transición. El calor de reacción (ΔHº) es la diferencia de energía entre los reactivos y los productos. El diagrama de energía de reacción para una reacción exotérmica de un paso, los reactivos se sitúan hacia la izquierda y los productos hacia la derecha. Efecto de la temperatura en la velocidad de una reacción. Cada reacción tiene su propia constante de velocidad característica, K r. su valor depende de las condiciones de la reacción, especialmente de la temperatura, esta dependencia de temperatura se expresa por la ecuación de Arrhenius: K r = Ae-Ea/ RT Donde: A = constante (factor de frecuencia) Ea = energía de activación R = constante universal de los gases, 1.987 cal x ºK-1 x mol T = temperatura absoluta (ºK)

-1

A temperatura mas alta (curva roja), la proporción de moléculas con la energía suficiente para producir colisiones eficaces es más alta. Cuando la temperatura aumenta, hay una fracción mayor de colisiones de moleculares eficaces que tienen suficiente energía cinética para que produzca la reacción, y la velocidad aumenta. La velocidad de reacción aproximadamente se duplica cuando la temperatura se eleva 10ºC, desde 27ºC (próxima a la temperatura ambiente) a 37ºC. Cuando la constante de velocidad relativa Krel aumenta rápidamente cuando se eleva la temperatura, podría parecer una forma de ahorrar tiempo, haciendo que las reacciones fueran más rápidas, seria elevar la temperatura. El problema que esto comportaría seria que todas las reacciones se acelerarían, incluyendo las reacciones colaterales no deseadas; Se ha de intentar encontrar una temperatura que permita que las reacciones deseadas vayan a una velocidad razonable sin que se produzcan velocidades elevadas de reacciones colaterales no deseadas5. Teoría de la colisión, del estado de transición. 4 5

MARON, S; PROTTON, C. “Fundamentos de Fisicoquímica”. Limusa México 1994 WADE, Jr “Química Orgánica” Quinta edición. Pearson, Madrid 2004. Pp.139-140

6

De acuerdo a la Teoría de Colisiones las reacciones ocurren cuando hay choques efectivos entre moléculas donde la rapidez de la reacción es proporcional al número de choques por unidad de tiempo multiplicada por la fracción del número total de choque que son efectivos.

Los choques efectivos dependen de la naturaleza de los reactivos y su concentración, la orientación cuando ocurre el choque y la temperatura que afecta la energía cinética de las moléculas. Ejemplo: 2 moléculas en la reacción: A+B=P que ocurre en un solo paso, podemos establecer la ley de rapidez de segundo orden y con molécula de dos como: r = k [A] [B] Si la reacción ocurre en un solo paso a través de choques moleculares, podemos predecir a base de la teoría de colisión la ley de rapidez de reacción. Comparación entre teorías Es interesante notar las diferencias entre las teorías de colisión y del estado de transición. Consideramos que A y B chocan y forman un producto intermedio inestable que después se descompone dando el producto, es

A+B → AB* → AB

decir:

La teoría de colisión considera que la velocidad está regida por el número de colisiones energéticas entre los reactantes y prescinde de lo que le ocurre al producto intermedio inestable. Se supone simplemente que este producto intermedio se descompone bastante rápidamente en productos, de modo que no tiene influencia sobre la velocidad global del proceso. Por el contrario, la teoría del estado de transición considera que la velocidad de reacción está regida por la velocidad de descomposición del producto intermedio. Se supone que la velocidad de formación del producto intermedio es tan rápida que en todo momento su concentración es la de equilibrio, prescindiendo del modo en que pueda formarse. En consecuencia, la teoría de la colisión considera que la primera etapa A+B AB*, es lenta y es la que controla la velocidad, mientras que la teoría del estado de transición considera que la segunda etapa, (AB* AB) la descomposición del complejo activado es la etapa controlante de la velocidad. En cierto modo estas dos teorías se complementan6.

MATERIAL • Embudo de separación c/tapón 1 • Porta-termómetro 1 • Recipiente de peltre 1 • Termómetro -10 a 400o C. 1 • Vaso de precipitados 250 ml 1 • Matraz aforado 100 ml 1 • Pipeta volumétrica 10 ml 1 • Bureta graduada 50 ml 1 • Embudo de filtración rápida 1 • Espátula 1 • Resistencia eléctrica 1

• Matraz pera de una boca 50 ml 1 • "T" de destilación 1 • Refrigerante c/mangueras 1 • Colector 1 • Probeta graduada 25 ml 1 • Matraz Erlenmeyer 50 ml 1 • Pipeta volumétrica 1 ml 1 • Matraces Erlenmeyer 125 ml 3 • Pinzas de tres dedos c/nuez 3 • Propipeta (adaptador con jeringa)1 • Tapón de corcho (#5) 1

SUSTANCIAS • Alcohol terbutílico 12 ml • Agua destilada 40 ml • Fenoftaleína 0.1g

• Sol de carbonato de sodio al 10% 10ml • Ácido clorhídrico conc. 36ml • Cloruro de calcio 4 g

• Etanol 96oR.A. 70 ml • Sulfato de sodio anhidro 1 g • Hidróxido de sodio 0.05 N 10 ml

AGUA DESTILADA: El agua destilada es aquella a la que se le ha eliminado prácticamente la totalidad de impurezas e iones mediante destilación (el agua llega a su punto de ebullición y se recogen sus vapores) ALCOHOL TERC-BUTÍLICO (2-Metil-2-propanol; Trimetilcarbinol: C4H10O/(CH3)3COH ) 6

http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00314.htm

7

Masa molecular: 74.1g/mol: Líquido incoloro o polvo cristalino, de olor característico. Peligros físicos: El vapor se mezcla bien con el aire, formándose fácilmente mezclas explosivas. Peligros químicos: La sustancia se descompone en contacto con ácidos minerales, produciendo gas inflamable de isobutileno. Vías de exposición: La sustancia se puede absorber por inhalación del vapor y por ingestión. Toxicidad: Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar bastante rápidamente una concentración nociva en el aire. El vapor de esta sustancia irrita los ojos. La sustancia puede causar efectos en el sistema nervioso central. La exposición a altas concentraciones podría causar disminución de la consciencia. El contacto prolongado o repetido con la piel puede producir dermatitis. Propiedades físicas: Punto de ebullición: 83°C; Punto de fusión: 25°C; Densidad relativa (agua = 1): 0.8; Solubilidad en agua: Muy elevada; Presión de vapor, kPa a 20°C: 4.1; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 2.6; Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.06; Punto de inflamación: 11°C (c.c.); Temperatura de autoignición: 470°C; Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 2.4-8.0; Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 0.4 CARBONATO DE SODIO Na2CO3: Estado físico: sólido, color: blanca, olor: inodoro, punto de fusión: 854ºC, punto de ebullición: 1600ºC, densidad: 2.53g/cm3, temperatura de ignición: no aplicable, punto de inflamación: no aplicable, limite de explosión: bajo no combustible, presión de vapor: no aplica, solubilidad: 10.9g por cada100ml de agua. Toxicidad: la toxicidad del carbonato de sodio tiene una toxicidad subaguda-crónica, ingestión: causa irritación de mucosas, en la boca, garganta, esófago y estomago, inhalación: dañina, deben evitarse especialmente exposiciones prolongadas, contacto con la piel: irritaciones y posiblemente quemaduras, contacto con los ojos: Irritación grave, posiblemente con heridas graves. CLORURO DE CALCIO (anhidro) Propiedades físicas: Punto de ebullición: 1935°C; Punto de fusión: 772°C; Densidad relativa (agua = 1): 2.16; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 74.5 Propiedades toxicológicas: Inhalación: Tos, dolor de garganta. Extracción localizada o protección respiratoria. Aire limpio, reposo; Piel: Piel seca, enrojecimiento. Guantes protectores. Quitar las ropas contaminadas, aclarar y lavar la piel con agua y jabón; • Ojos: Gafas de protección de seguridad. Enjuagar con agua abundante durante varios minutos (quitar las lentes de contacto si puede hacerse con facilidad) y proporcionar asistencia médica; Ingestión: Sensación de quemazón, náuseas, vómitos. No comer, ni beber, ni fumar durante el trabajo. Enjuagar la boca, dar a beber agua abundante, reposo. Propiedades químicas: La sustancia se descompone al calentarla intensamente a altas temperaturas y al arder, produciendo humos tóxicos y corrosivos. La disolución en agua es una base débil. Ataca al cinc en presencia de agua, produciendo gas inflamable de hidrógeno. Se disuelve violentamente en el agua con liberación de gran cantidad de calor. CLORURO DE HIDROGENO (Acido clorhídrico, anhidrocloruro de hidrógeno, anhidro: HCl; Masa molecular: 36.5g/mol)) Propiedades físicas: Punto de ebullición a 101.3 kPa: -85°C; Punto de fusión: -114°C; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 72; Solubilidad en agua: Elevada; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 1.3; Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 0.25 Propiedades toxicológicas: • Inhalación: Corrosivo. Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria, jadeo, dolor de garganta; Piel: Corrosivo. Quemaduras cutáneas graves, dolor; Ojos: Corrosivo. Dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves. Propiedades químicas: La disolución en agua es un ácido fuerte, reacciona violentamente con bases y es corrosiva. Reacciona violentamente con oxidantes formado gas tóxico de cloro. En contacto con el aire desprende humos corrosivos de cloruro de hidrógeno. Ataca a muchos metales formando hidrógeno ETANOL (Alcohol etílico: CH3CH2OH/C2H5OH): Masa molecular: 46.1: Líquido incoloro, de olor característico. Peligros físicos: El vapor se mezcla bien con el aire, formándose fácilmente mezclas explosivas. Peligros químicos: Reacciona lentamente con hipoclorito cálcico, óxido de plata y amoníaco, originando peligro de incendio y explosión. Reacciona violentamente con oxidantes fuertes tales como, ácido nítrico o perclorato magnésico, originando peligro de incendio y explosión. Vías de exposición: La sustancia se puede absorber por inhalación del vapor y por ingestión. Toxicidad: Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar bastante lentamente una concentración nociva en el aire. La sustancia irrita los ojos. La inhalación de altas concentraciones del vapor puede originar irritación de los ojos y del tracto respiratorio. La sustancia puede causar efectos en el sistema nervioso central. El líquido desengrasa la piel. La sustancia puede afecta al tracto respiratorio superior y al sistema nervioso central, dando lugar a irritación, dolor de cabeza, fatiga y falta de concentración. La ingesta crónica de etanol puede causar cirrosis hepática. Propiedades físicas: Punto de ebullición: 79°C; Punto de fusión: -117°C; Densidad relativa (agua = 1): 0.8; Solubilidad en agua: Miscible; Presión de vapor, kPa a 20°C: 5.8; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 1.6; Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.03; Punto de inflamación: 13°C (c.c.); Temperatura de autoignición: 363°C; Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 3.3-19 Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: -0.32

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FENOLFTALEINA C20H14O4 Dihidroxicetoantraceno, Dihidroxiftalefenona, p-Ftaleína PM= 318.33g/mol es un indicador de pH que en soluciones ácidas permanece incoloro, pero en presencia de bases se torna rosa o violeta. Estado físico: sólido, color: blanco, olor: inoloro, punto de fusión: 258-262 ºC, punto de ebullición: no aplicable, densidad: 1.30g/cm3 , punto de inflamación: no aplicable, temperatura de ignición: no combustible, limite de explosión: bajo no aplicable, solubilidad en agua: (20ºC) 0.092g/L. Toxicidad: tiene una toxicidad aguda, a dosis elevadas puede causar nauseas, vomito, molestias gastrointestinales, fiebre, efectos sobre el sistema cardiovascular, efectos sobre el sistema nervioso central, es un componente frecuente de los medicamentos utilizados como laxantes, aunque se tiende a restringir su uso por sus posibles efectos cancerígenos7. HIDROXIDO DE SODIO (Hidróxido sódico, Sosa cáustica, Sosa: NaOH; Masa molecular: 40.0g/mol) Propiedades físicas: Punto de ebullición: 1390°C; Punto de fusión: 318°C; Densidad relativa (agua = 1): 2.1; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 109; Presión de vapor, kPa a 739°C: 0.13 Propiedades toxicológicas: Inhalación: Corrosivo. Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria, jadeo, dolor de garganta; Piel: Corrosivo. Quemaduras cutáneas graves, dolor; Ojos: Corrosivo. Dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves; Inhalación: Corrosivo. Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria; Piel Corrosivo. Enrojecimiento, graves quemaduras cutáneas, dolor; Ojos: Corrosivo. Enrojecimiento, dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves; Ingestión: Corrosivo. Dolor abdominal, sensación de quemazón, diarrea, vómitos, colapso. Propiedades químicas: La sustancia es una base fuerte, reacciona violentamente con ácidos y es corrosiva en ambientes húmedos para metales tales como cinc, aluminio, estaño y plomo originando hidrógeno (combustible y explosivo). Ataca a algunas formas de plástico, de caucho y de recubrimientos. Absorbe rápidamente dióxido de carbono y agua del aire. Puede generar calor en contacto con la humedad o el agua. SULFATO DE SODIO [Sulfato sódico (anhídro): Na2SO4; Masa molecular: 142.1] Propiedades toxicológicas: La sustancia se puede absorber por inhalación y por ingestión: Dolor abdominal, diarrea, náuseas, vómitos. Propiedades físicas: Punto de fusión: 888°C; Densidad relativa (agua = 1): 2.7 Solubilidad en agua: Muy elevada8.

PROCEDIMIENTO a) Obtención de cloruro de ter-butilo.



Coloque en un matraz erlenmeyer de 125 ml con tapón: 12 ml de terbutanol, 36 ml de ácido clorhídrico, 4.0 g de cloruro de calcio y mézclelos con agitación vigorosa durante 15 minutos.



Transfiera el contenido del matraz a un embudo de separación, deje reposar hasta la separación de fases, elimine la capa inferior (Nota 1), lave dos veces el cloruro de ter-butilo formado con una solución de carbonato de sodio al 10% (5 ml cada vez) (Nota 2).



Seque el cloruro de ter-butilo con sulfato de sodio anhídro y purifíquelo por destilación simple (Nota 3). Recoja la fracción que destila entre 42-45ºC.

b) Determinación de la constante de velocidad de la hidrólisis del cloruro de ter-butilo.

o

o o o

Coloque 1 ml de cloruro de ter-butilo, recién destilado y seco, en un matraz aforado de 100 ml (Nota 4), afore con una mezcla de etanol / agua 77:33 (utilice alcohol de 96º y agua destilada, nota5). Mezcle y empiece a contar el tiempo (Nota 6). Espere dos minutos, tome una alícuota de 10 ml y titule con NaOH 0.05 N, use fenoftaleína como indicador (Nota 7). A los 12 minutos de haber hecho la mezcla, realice otra titulación, hasta hacer un total de 8-9 titulaciones.

NOTAS 7 8

ChemDat: The Merck chemical database 2005 www.mtaes.com

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1.- La fase inferior corresponde al HCl residual. 2.- Durante los lavados el cloruro de ter-butilo queda en la fase superior. Consulte la densidad del cloruro de ter-butilo. 3.- Use un sistema de destilación sencilla, caliente el matraz sumergido en un baño maría. Reciba el destilado en un matraz con un baño de hielo. 4.- Para obtener datos correctos se necesita que el material empleado esté limpio y seco. 5.- Se usa esta proporción, porque cuando se mezcla el etanol con el agua, hay una contracción del volumen total. 6.- Desde el momento que agrega la mezcla de etanol-agua empiece a contar el tiempo de dos minutos para hacer la 1a. titulación. 7.- Utilice 1 ó 2 gotas de fenoftaleína. El punto final de la titulación es cuando se produce el vire al color rosa tenue y este persiste por un minuto.

CALCULOS Calcule "K" para distintos valores de "t" con la siguiente formula: a = concentración inicial de cloruro de ter-butilo en moles/l =1 ml x 0.85 (dens. t-BuCl) x 10/92.5 (PM t-BuCl)=0.092 mol/l x = Vol. NaOH x Norm. /10 = mol/l de cloruro de ter-butilo transformado en el tiempo t. Para encontrar el valor de "K" por el método gráfico, construya la siguiente gráfica, cuya pendiente es igual a m= (Y2-Y1)/(X2-X1) y nos da el valor de K= 2.3 m. Reacciones: Obtención de cloruro de ter-butilo

V= 12 ml ρ= 0.786 g/ml m= 9.432 g PM= 74.12 g/mol n= 0.1272 mol p. eb.= 83 °C

V= 13.83 ml ρ= 0.851 g/ml m= 11.774 g PM= 92.57 g/mol n= 0.1272 mol p. eb.= 51-52 °C

Hidrólisis de cloruro de ter-butilo

Diagrama de flujo:

10

RESULTADOS:

MECANISMO: Obtención de cloruro de terc-butilo SN1

CH3 H3C-C-O-H CH3

+

H

CH3

H H3C-C-O-H CH3

Ter-butanol (Reactivo limitante) Cloruro de terc-butilo

P.M. 74.12 g/mol P.M. 92.57 g/mol

CH3

Cl

H3C-C CH3 +H2O

CH3 H3C-C-Cl CH3

cantidad inicial = 12ml = 9.432g Cantidad final = 4.5ml = 3.8295g

Moles de Ter-butanol = 0.1273 Moles de Cloruro de terc-butilo = 0.0401

% Re n dim iento =

0.0401mol × 100 = 31.50% 0.1273mol

11

MECANISMO: Hidrólisis del cloruro de terc-butilo: Et

Cl + H2O

H

H

δ

H

EtOH

O

H

Cl-

OH

H

δ Et

OH2

+ HCl

δ Et

H

TABLA DE DATOS: Tiemp o (min)

Vol. De NaOH (ml)

X = Conc. De Cl de t-butilo (mol/l)

2

0.2

10

0.3

0.0015 0.0905

20

0.5

0.0025 0.0895

30

0.7

0.0035 0.0885

40

0.9

0.0045 0.0875

50

1

0.005

0.087

60

1.2

0.006

0.086

70

1.4

0.007

0.085

80

1.6

0.008

0.084

Pendiente =

0.001

(a-x)

0.091

a/(a-x)

1.0109890 1 1.0165745 9 1.0279329 6 1.0395480 2 1.0514285 7 1.0574712 6 1.0697674 4 1.0823529 4 1.0952381

log a/(a-x)

1/T

K= 2.3[log a/(ax)][1/T]

0.004746435

0.5

0.0054584

0.007139248

0.1

0.0016420

0.011964792

0.05

0.0013759

0.016844557

0.0012914

0.021779774

0.0333333 3 0.025

0.024268575

0.02

0.0011164

0.029289376

0.0166666 7 0.0142857 1 0.0125

0.0011228

0.034368902 0.039508541

0.0012523

0.0011293 0.0011359

0.0395 − 0.0047 = 0.000444147 80 − 2

k = ( 2.303)(0.0004441) = 0.00102287 min −1 Velocidad = k [ (CH3)3Cl]  primer orden

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Método Gráfico

log a/(a-x)

0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 2

10

20

30

40

50

60

70

80

Tiempo (seg)

Terbutanol formado

Regresión lineal

Usando Logaritmo natural: Método Gráfico con ln

0.0109290 7 0.0164387 3 0.0275499 5 0.0387860 3 0.0501497 8 0.0558804 6 0.0674412 8 0.0791373 2 0.0909717 8

K= -2.3[ln a/(a-x)][1/T]

-0.02516965 -0.03785839 -0.06344754 -0.08932422 -0.11549495

ln a/(a-x)

ln a/(a-x)

0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 2

-0.1286927 -0.15531727

10

20

30

40

50

60

70

80

Tiempo (seg)

Terbutanol formado

Regresión lineal

-0.18225325 -0.20950801

k = ( −2.303)(0.0004441) = −0.00102287 min −1 Velocidad = k [(CH3)3Cl]

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Gráfica de K en función de t 0 2

10

20

30

40

50

60

70

80

-0.05

K

-0.1 -0.15 -0.2 -0.25 Tiempo (seg) Constante de velocidad

Regresión lineal

DISCUSIÓN DE RESULTADOS:



Se realizó primero la obtención de cloruro de terc-butilo a partir de ter-butanol y ácido clorhídrico. Ya que el disolvente es polar prótico y el reactivo limitante (ter-butanol) es un alcohol terciario, se favoreció el mecanismo SN1, así favoreciendo la formación de un carbocatión terciario que es más estable, para permitir la entrada del cloro y así formar al cloruro de terc-butilo.



Se midió la cantidad de cloruro de terc-butilo obtenido y se obtuvo por destilación simple una cantidad de 4.5ml a 42ºC, que para determinar su porcentaje en rendimiento se obtuvieron los moles tanto del reactivo limitante como del producto obtenido y se obtuvo un rendimiento del 31.5%.



Después a partir del producto obtenido, para la determinación de la determinación de la constante de hidrólisis del cloruro de terc-butilo, se tomo un ml y se aforo a 100ml con una solución etanol/agua para titular con base. La concentración inicial del cloruro de terc-butilo, se obtuvo a partir de el ml utilizado multiplicado por la densidad del mismo por la cantidad de alícuota (10ml) dividido por su peso molecular, así obteniendo 0.092mol/L.





En los resultados, se muestra el mecanismo por el que se hidrolizó el cloruro de terc-butilo, que ya que el cloro es un buen grupo saliente, este sale y forma un carbocatión terciario, también debido a que el agua es un disolvente polar, por lo tanto favorece el mecanismo S N1, y se estabiliza el carbocatión por solvatación con el etanol, para después ya que el agua es un buen nucleófilo este lo ataca y entra el OH, así el hidrógeno restante se une al cloro para dar como producto final el terbutanol y ácido clorhídrico.



Se puede observar en la tabla de datos que se inicia la titulación en el minuto 2 después de haber formado la mezcla, se utilizan 0.2ml de NaOH al titular, y así sucesivamente con los demás datos cada 10 minutos. Después se determinó la concentración del cloruro de terc-butilo a partir de estos datos, con la fórmula C1C2 = V1V2 . Ya que en este caso el NaOH, aunque se uso en concentración normal, equivale a la normalidad, se pudo determinar directamente la molaridad del reactivo, que se observan estos datos en la tabla de datos en la tercer columna (x), y se puede observar como esta concentración va aumentando, al igual que fue aumentando el volumen de NaOH utilizado anteriormente. Con la sosa, realmente lo que se esta titulando es el ácido clorhídrico que se va formando, y ya que la relación es 1:1, conforme se va formando producto, se va disminuyendo la cantidad de reactivos. En la cuarta columna de la tabla se observa (a-x), donde a, corresponde a la concentración inicial del cloruro de terc-butilo y x la concentración que se fue obteniendo del mismo, pero la ecuación nos muestra realmente la concentración del cloruro de terc-butilo que no reaccionó a diferentes tiempos, y como se puede observar en la tabla esta va disminuyendo.





En la cuarta, quinta y sexta columna de la tabla se observan cálculos para poder después obtener la constante de velocidad (k), sin embargo estos son datos obtenidos utilizando la fórmula que se nos

14

proporcionó en el procedimiento de la práctica, con los cuales para cada valor de tiempo se obtuvo un valor del log a/(a-x), para obtener los valores de k, y así mismo se utilizó el factor 2.3 como positivo, dando que la constante, exceptuando el primer valor los datos no variaban por mucho entre ellos, después se grafico y se obtuvo una línea casi recta exceptuando por algunos puntos, pero en la gráfica se puede observar, que sobre la misma línea se dibujó la regresión lineal de la gráfica, dándonos así una línea recta, comprobando hasta cierto punto que se trata de una ecuación de primer orden, sin embargo, esto no se afirma en su totalidad ya que se investigó y las rectas de una ecuación de primer orden son al revés de la obtenida, es decir, obtuvimos una pendiente positiva en ves de una negativa, y por lo tanto se tiene en discrepancia si se trata o no de una reacción de primer orden ya que todos los datos apuntan a que si lo es, sin embargo la gráfica no. De acuerdo a los datos obtenidos, se determinó la pendiente con los valores del tiempo (x) y los de log a/(a-x) y se obtuvo un valor positivo de 0.0004, que multiplicado por el valor de 2.303 (que como ya se había mencionado es el valor que se nos proporcionó en la práctica), nos da un valor positivo de k = 0.0010, esto se menciona ya que se investigó y se encontró que para las ecuaciones de primer orden en vez de utilizar Log se utiliza LN, para realizar este tipo de ecuaciones y en vez del valor positivo para 2.303, se utiliza un valor negativo del mismo para calcular las ecuaciones; por la misma razón se determinaron los mismos valores pero utilizando los datos mencionados.



Los valores en comparación con el logaritmo variaban, pero de igual forma para ln a/(a-x) se observaba que los valores también iban aumentando, y en cambio para el valor de k, los valores al multiplicar por -2.303 daban negativos, por el digno menos, sin embargo al graficar la línea nos dio una recta muy similar a la que se grafico con el logaritmo, es decir, con pendiente positiva, aunque el valor de k nos haya dado negativo, con el mismo valor al anterior pero negativo, así que se decidió graficar también los valores de k en función del tiempo, observando de esta manera una pendiente negativa, que es lo que se buscaba, de esta manera si se observó la recta de una ecuación de primer orden.



Se determinó que se tenía una ecuación de primer orden ya que la ecuación que se muestra que la velocidad es de primer orden con respecto al cloruro de terc-butilo.

CUESTIONARIO 1.- Con base a los datos experimentales ¿cuál es el orden de la reacción? De orden 1 2.- De acuerdo a este orden; ¿cuál es el mecanismo de la reacción de hidrólisis? SN1 3- ¿Qué será necesario hacer antes de desechar al drenaje los residuos de la reacción de obtención del cloruro de ter-butilo que contienen agua, cloruro de calcio y ter-butanol? tendríamos que neutralizar antes de tirarlo al drenaje por que puede llevar algún residuo de acido clorhídrico y para evitar mayores riesgos; es necesario neutralizar toda la mezcla con un poco de cloruro de sodio 4- ¿Qué precauciones debe tener al trabajar con ácido clorhídrico concentrado? primero que nada el acido clorhídrico se tiene que manejar en la campana de extracción del laboratorio ya que es muy peligroso se tiene que manejar con cuidado por que tan solo al destaparlo los gases que expide puede causar irritación ya si nos llegara a caer una gota del acido es recomendable estar tranquilos y lavar con chorro de agua fría por lo menos 20min para poder quitar la sensación de quemazón o comezón. 5.- Asigne las bandas principales presentes en los espectros de I.R. a los grupos funcionales de reactivos y productos: Espectros de I.R.

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CONCLUSIONES: Por medio de esta práctica se logró comprobar experimentalmente el mecanismo de una reacción de sustitución nucleofílica unimolecular, mediante la determinación de la constante de la velocidad de reacción a partir de las concentraciones obtenidas del mismo al obtener un producto, para después al mismo hidrolizarlo y a partir de este determinar su velocidad de reacción y así mismo su constante; también se determinó el mismo mediante la determinación del método gráfico para la comprobación del orden en el que se llevo a cabo la reacción. Por lo tanto, se puede comprobar una reacción de sustitución nucleofílica experimentalmente con los datos necesarios para la misma.

REFERENCIAS:

ξWADE, Jr “Química Orgánica” Quinta edición. Pearson, Madrid 2004. Pp. 136-141 ξHOLUM, J. “Fisicoquímica, química Orgánica y Bioquímica”. Limusa, México 1994 Pp. 231-237 ξMARON, S; PROTTON, C. “Fundamentos de Fisicoquímica”. Limusa México 1994pp. 556,558 - 560 ξ I.Q.I. Antonio Muños Ariza. ξ ChemDat: The Merck chemical database 2005 ξ http://www.sc.ehu.es/ (9/marzo/2007)

ξwww.mtas.com

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