Escola de Engenharia de Lorena - USP Cinética Química – Aula de Laboratório 1 - OBJETIVO ♦
Determinação da Velocidade de uma Reação Química (Ordem e Constante de Velocidade).
♦
Determinação da Energia de Ativação da Reação.
♦
Análise da Influência da Temperatura na Velocidade da Reação.
2 - REAÇÃO ESCOLHIDA: CH3 – COO - C2H5 Acetato de Etila
Saponificação do Acetato de Etila pelo NaOH em fase líquida. +
NaOH → Hidróxido de sódio
CH3 - COONa acetato de sódio
+
CH3CH2OH álcool etílico
3 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A reação química será realizada em duas temperaturas diferentes. T1 = Tambiente
e
T2 = Tambiente - (cerca de 10 a 15ºC)
A técnica experimental a ser utilizada consiste em: 3.1 - Reação Química a T1 = Tambiente. Preparação Inicial ♦
Colocar 250 mL de NaOH 0,1N em um becker e 250 mL de acetato de etila 0,1N em outro. (verificar a temperatura e aguardar que ambos os reagentes estejam à mesma temperatura).
♦
Colocar em uma bureta: NaOH 0,025N.
♦
Colocar em 12 erlenmeyers de 100 mL: 5 mL de H2SO4 0,05N, 3 gotas de fenolftaleína e 20 mL de água destilada em cada um deles.
Reação Química ♦
Verter as duas soluções simultaneamente em um becker de 600 mL, mantendo daí em diante vigorosa agitação (com cuidado para não perder solução). Este é o tempo ZERO da reação química. Iniciar a contagem do tempo.
♦
Retirar com uma pipeta uma alíquota de 5 mL do meio reacional, em tempos em diferentes, vertendo-a rapidamente em cada um dos erlenmeyers preparados, agitando por alguns segundos. No total, retirar 12 alíquotas do meio reacional. Observação: Nesta temperatura T1 o tempo total do experimento deve ser de cerca de 2025 minutos, e os tempos de coleta de cada uma das alíquotas deve ir aumentando ao longo da reação. Sugere-se que as alíquotas sejam retiradas após 1 min (t1), 2 min (t2), 3 min (t3), 4min (t4), 6 min (t5), 8 min (t6) e que o espaçamento de tempo vá aumentado para intervalos de 3 min, depois de 4 min até completar o tempo tortal de cerca de 20-25 minutos.
Titulação do erlenmeyer ♦
Titular a solução de cada erlenmeyer com NaOH 0,025N da bureta, até que se apresente a cor (rosa pálido, mas consistente) da fenolftaleína em meio alcalino. Anotar o volume gasto para cada titulação.
1
Escola de Engenharia de Lorena - USP Cinética Química – Aula de Laboratório 3.2 - Reação Química a T2 = Tambiente – (cerca de 10 a 15oC) ♦
Repetir a experiência anterior em uma temperatura mais baixa, obtida com a colocação dos beckers contendo os reagentes em uma cuba contendo água e gelo.
♦
Manter rigoroso controle da temperatura.
Observação:
Nesta
temperatura
T2
o
tempo
total
do
experimento deve ser de cerca de 40-50 minutos, e os tempos de coleta de cada uma das alíquotas deve ir aumentando ao longo da reação. Sugere-se que as alíquotas sejam retiradas após 1 min (t1), 2 min (t2), 4 min (t3), 6 min (t4), 9 min (t5), 12 min (t6) e que o espaçamento de tempo vá aumentado para intervalos de 4 min, depois de 5 min até completar o tempo tortal de cerca de 40-50 minutos.
____________________________________________________________________________ ROTEIRO DE CÁLCULO A retirada de alíquotas do meio reacional e sua colocação em cada um dos erlenmeyers conduz a reação de neutralização do hidróxido de sódio que não reagiu com o acetato de etila até aquele momento. Esta quantidade de hidróxido de sódio é o que será determinada. Após a coleta de doze amostras em tempos diferentes, realiza-se então a titulação do ácido sulfúrico restante no erlenmeyer. (que indicará o número de equivalentes-grama de ácido sulfúrico que não foram utilizados na neutralização do NaOH da reação). A) Determinação do número de equivalentes de H2SO4 neutralizado pelo NaOH 0,025N da bureta. VaNafa = VbNbfb onde VaNa = ne (H2SO4) neutralizado pelo NaOH 0,025N da bureta. Vb = v - volume de NaOH 0,025N da bureta. Nb = 0,025N. fa e fb - fatores de correção do ácido e da base utilizados.
neH2SO4 =
0,025 v fb fa
B) Determinação do número de equivalentes de H2SO4 consumidos pela neutralização com o NaOH da reação. O número de equivalentes de H2SO4 consumidos pela neutralização com o NaOH da reação é a diferença entre o número de equivalentes-gramas de H2SO4 colocado no erlenmeyer e o número de equivalentesgrama de H2SO4 neutralizado pelo NaOH 0,025N da bureta.. O número de equivalentes-grama de H2SO4 no erlenmeyer é de 0,00025 equivalentes (o volume do ácido multiplicado pela normalidade do ácido).
neH2SO4consumidos = 0,00025 −
0,025v fb fa
onde v é dado em litros
2
Escola de Engenharia de Lorena - USP Cinética Química – Aula de Laboratório C) Determinação do número de equivalentes-grama de NaOH existente em cada tempo. O número de equivalentes-grama de NaOH existente no meio reacional em cada tempo é exatamente igual ao número de equivalentes-grama de H2SO4 utilizado em sua neutralização, ou seja:
neNaOH = 0,00025 −
0,025v fb fa
D) Determinação do número de equivalentes-grama de NaOH no meio reacional. O meio reacional possui 500 ml e o número de equivalentes determinado acima corresponde somente a uma alíquota de 5 ml. Portanto, o número de equivalentes-gramas de NaOH no meio reacional será calculado da seguinte maneira :
0,00025 −
0,025vFb Fa
______________ V
ne _______________ 500 ml ne =
0,025vFb ⎞ 500 ⎛ ⎜ 0,00025 − ⎟ V ⎝ Fa ⎠ 0,0125 vFb ⎞ ⎛ ⎟ ⎜ 0,125 − Fa ⎠ ⎝ ne = V
onde....V é o - volume de cada uma das alíquotas (ml) e v é o - volume de NaOH utilizado na titulação (ml)
E) Determinação da concentração de NaOH no meio reacional. (CA)
0,1 v Fb ⎞ ⎛ 0,125⎜ 1 − ⎟ ⎝ Fa ⎠ N= 0,5 V
ou
N=
0,25 ⎛ Fb ⎞ ⎜ 1 − 0,1 v ⎟ V ⎝ Fa ⎠
F) Testar os modelos matemáticos de reação irreversível de primeira e segunda ordem.
3
Escola de Engenharia de Lorena - USP Cinética Química – Aula de Laboratório INFORMAÇÕES PARA ELABORAÇÃO DO RELATÓRIO 1 – Introdução: No Laboratório foi determinado o volume de hidróxido de sódio utilizado na titulação do ácido clorídrico residual de cada erlenmeyer, conforme descrito na técnica. As equações matemáticas lá apresentadas permitem o cálculo da concentração do hidróxido de sódio que reagiu com o acetato de etila na reação. O primeiro passo portanto consiste na construção da tabela e do gráfico CA versus tempo para cada uma das temperaturas utilizadas. A primeira folha do relatório deve ser um resumo dos resultados. O modelo se encontra como anexo a seguir.
2 – Análise e Conclusão a T ambiente (Temperatura Maior) 2.1 - Construir o gráfico de CA versus tempo. 2.2 - Calcule a ordem e a constante de velocidade pelo método diferencial. 2.3 - Calcule a ordem e a constante de velocidade pelo método do tempo de meia-vida. 2.4 - Calcule a ordem e a constante de velocidade pelo método do tempo de vidas parciais. 2.5 - Conclua a partir dos três métodos acima qual a mais provável ordem e constante de velocidade desta reação. 2.6 - A partir da conclusão acima, teste este valor de ordem mais provável no método integral.
3 - Análise e Conclusão a T menor que T ambiente (Temperatura Menor) 3.1 - Construir o gráfico de CA versus tempo. 3.2 - Calcule a ordem e a constante de velocidade pelo método diferencial. 3.3 - Calcule a ordem e a constante de velocidade pelo método do tempo de meia-vida. 3.4 - Calcule a ordem e a constante de velocidade pelo método do tempo de vidas parciais. 3.5 - Conclua a partir dos três métodos acima qual a mais provável ordem e constante de velocidade desta reação. 3.6 - A partir da conclusão acima, teste este valor de ordem mais provável no método integral.
4 – Cálculo de Energia de Ativação
5 – Cálculo de equação de velocidade em função de T
6 – Conclusões Gerais
Observação: É recomendável, mas não obrigatório, a construção dos gráficos dos itens 2.1 e 2.2, 3.1 e 3.2 no Origin. Isto permitirá uma maior precisão nos resultados.
4
Escola de Engenharia de Lorena - USP Cinética Química – Aula de Laboratório LABORATÓRIO DE CINÉTICA QUÍMICA Nome : _____________________________________________ Nº________ Sala__________ Nome : _____________________________________________ Nº________ Sala__________ Nome : _____________________________________________ Nº________ Sala__________ Nome : _____________________________________________ Nº________ Sala__________
T < T ambiente: T2=_______
T. ambiente: T1=_______
ANEXO
ORDEM
ANEXO
k
3 ou 4
10 ou 11
5
12
6
13
7
14
ORDEM
k
CONCLUSÕES
A) ordem da reação- __________ B) constante de velocidade a -T1 = __________ ⇒ k1 = __________ C) constante de velocidade a -T2 = __________ ⇒ k2 = __________ D) energia de ativação - Ea = __________ E) fator de frequência - ko=__________ F) equação da velocidade em função da temperatura (-rA) =
COMENTÁRIOS GERAIS:
5
Escola de Engenharia de Lorena - USP Cinética Química – Aula de Laboratório Componentes do Grupo
Laboratório de Cinética Resultados Obtidos o
T1 = Alíquota
C
t (seg)
o
T2 = VNaOH (ml)
Alíquota
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
C
t (seg)
VNaOH (ml)
Componentes do Grupo
Laboratório de Cinética Resultados Obtidos o
T1 = Alíquota
C
t (seg)
o
T2 = VNaOH (ml)
Alíquota
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
C
t (seg)
VNaOH (ml)
Observação: A parte superior da folha com os resultados obtidos deve ser entregu ao profesor ao final do experimento, enquanro a parte inferior deve ser levada pelos alunos para a emissão do relatório. 6