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Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México Laboratorio de Ingeniería Química 1 Experimento 3 Balance de Materia con una reacción química: Hidratación del Anhídrido Acético #4

López Esquivel Rafael

Viernes 15 de marzo del 2019 Grupo 10

1. PROBLEMA. Se desea producir 4.5 gramos de ácido acético en solución acuosa en un reactor intermitente, ¿durante qué tiempo debe operar el reactor para cumplir este requerimiento? Reacciones

2. Información Experimental Temperatura: 26 °C Masa Inicial de anhídrido acético = 5.1 g (5mL ) a 99% pureza Volumen del Reactor 750 mL Densidad de la mezcla de reacción: 1g / cm3 Tabla 1

Muestra Anilina Agua Anilina Agua

Tiempo (min) 0.5 1.0 1.5 2.0

Masa de muestra (g) 8.4 6.8 7.7 9.7

Volumen de titulante gastado (mL) 11.2 16.5 11.6 24.0

Volumen de titulante gastado (mL/g) 1.33 2.43 1.51 2.47

Anhídrido acético sin reaccionar (mol /L) 3.193 3.139 3.185 3.136

Anilina Agua Anilina Anilina Agua Anilina Agua Anilina Anilina Agua Anilina

2.5 3.0 3.5 5.0 7.0 10.0 12.0 13.0 15.0 18.0 20.0

9.0 7.6 6.8 7.3 7.2 6.6 6.7 5.9 7.0 7.4 7.6

14.8 19.2 11.8 4.2 2.8 2.1 2.2 1.7 2.0 24.1 19.0

1.64 2.53 1.74 0.58 0.39 0.32 0.33 0.29 0.29 3.26 2.50

3.178 3.134 3.173 3.231 3.241 3.244 3.244 3.246 3.246 3.097 3.135

Los datos a partir del minuto 5 hasta el 15, no se toman en cuenta porque se cometió un error en la titulación de las muestras, por ello se realizó una interpolación de datos por diferencias divididas para el Agua y la anilina. Agua

1 2 3 18

Volumen de titulante Primera Segunda Tercera gastado diferncia diferencia diferencia (mL/g) Dividida Dividida dividida 2.43 2.47 0.04 2.53 0.06 0.01 3.26 0.05 -0.0007 -0.0006

0.5 1.5 2.5 3.5 20

Volumen de titulante Primera Segunda Tercera Cuarta gastado diferncia diferencia diferencia diferencia (mL/g) Dividida Dividida dividida dividida 1.33 1.51 0.18 1.64 0.13 -0.025 1.74 0.10 -0.015 0.003 2.5 0.05 -0.003 0.001 -0.0001

Tiempo (min)

Anilina

Tiempo (min)

Con la corrección de datos los resultados finales son

Muestra Anilina Agua Anilina Agua Anilina Agua Anilina Anilina Agua Anilina Agua Anilina Anilina Agua Anilina

Tiempo (min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 5.0 7.0 10.0 12.0 13.0 15.0 18.0 20.0

Masa de muestra (g) 8.4 6.8 7.7 9.7 9.0 7.6 6.8 7.3 7.2 6.6 6.7 5.9 7.0 7.4 7.6

Volumen de titulante gastado (mL) 11.2 16.5 11.6 24.0 14.8 19.2 11.8 13.1 19.9 15.8 21.3 16.5 14.7 24.1 19.0

Volumen de titulante gastado (mL/g) 1.33 2.43 1.51 2.47 1.64 2.53 1.74 1.79 2.76 2.40 3.18 2.79 2.10 3.26 2.50

Anhídrido acético sin reaccionar (mol /L) 3.193 3.139 3.185 3.136 3.178 3.134 3.173 3.170 3.122 3.140 3.101 3.120 3.155 3.097 3.135

Balance de Materia con producción Acumulación = Entrada – Salida – Consumo reactor

Debido a que no hay entradas ni salidas en el

Rapidez de Acumulación = - Rapidez de Consumo 𝑑𝐶𝐴 𝑉( ) = −(𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒 𝐴 )𝑉 𝑑𝑡 𝑉(

𝑑𝐶𝐴 ) = −𝑘 (𝐶𝐴 ) 𝑉 𝑑𝑡

El volumen del reactor permanece constante, por lo que 𝑑𝐶𝐴 = −𝑘 𝑑𝑡 𝐶𝐴 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴𝑜 (𝑒 −𝑘𝑡 ) Donde Cao es la Cociente máximo de Volumen de titulante sobre gramo de muestra = 3.26 Para calcular la constante de rapidez se grafico la concentración de Anhidro contra el tiempo

[Anhidro] vs tiempo 3.200

y = 3.1854e-1E-03x R² = 0.7315

3.190

[Anhidro]

3.180 3.170 3.160 3.150

3.140 3.130 3.120 3.110 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

tiempo (min)

Donde k= 0.001 min-1 𝐶𝑎 = (3.26)𝑒 −0.001∗𝑡 3. Cuestionario 1. Para la muestra t = 3 min (para el matraz con agua), ¿cuántas moles de NaOH (0.05 N) se consumen? ¿Con cuántas moles de ácido acético reaccionaron? (0.0192 𝐿)(0.05 𝑁) = 0.00096 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 0.00096 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑐. 𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 2. Para la muestra t = 3.5 min (para el matraz con anilina), ¿cuántas moles de NaOH (0.05 N) se consumen? ¿Con cuántas moles de ácido acético reaccionaron? (0.0118 𝐿)(0.05 𝑁) = 0.00059 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 0.00059 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑐. 𝑎𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 3. Explique la ventaja de relacionar el volumen gastado del titulante por el peso de la muestra La ventaja, es que proporciona el número de moles de ácido acético que reaccionaron al neutralizarse por gramo de muestra de forma proporcional, de una forma sencilla. Es decir, conforme pasaba el tiempo de reacción, el volumen de titulante necesario para neutralizar las moles de ácido acético varia con cierta tendencia, por lo que la razón del volumen de titulante gastado y de la masa de la muestra nos mostraría la tendencia de la cantidad de moles de ácido acético formados en el reactor por cada gramo de muestra. 4. ¿Cómo son los valores en el consumo de titulante en las muestras recibidas en matraces con agua, mL NaOH (0?05N) / gM? ¿Hay diferencia en estos valores o son constantes? ¿Qué concluye de esto? Se observa que, para valores en el consumo de titulante por gramo de muestra, en los matraces con agua, muestran una tendencia creciente. Por lo que referimos que esta tendencia nos indica que el número de moles de ácido acético que reaccionaron con el NaOH por gramo de muestra, fue aumentando. En cuanto al volumen de titulante gastado (sin tomar en cuenta la razón entre la masa de la muestra), la tendencia es casi constante, aunque esto no nos muestra nada, ya que se debe a que la masa de

nuestras muestras también disminuyó un poco, entonces el volumen gastado por gramo de muestra aumento. 5. Compare los valores de la solución de mL NaOH (0.05 N) empleada para neutralizar las muestras recibidas en matraces con solución saturada de anilina, mL NaOH (0.05N) / gM. ¿Son valores constantes o hay diferencia entre ellos? ¿Cómo explica sus resultados? En este caso, los valores obtenidos van creciendo conforme aumenta el tiempo, los valores muestran una tendencia poco creciente, y para estos valores contamos con una cantidad mayor de datos. El incremento del volumen gastado de titulante fue directamente proporcional con respecto al tiempo transcurrido. En este caso los valores de volumen de titulante gastado (sin tomar en cuenta la razón entre la masa de la muestra) mostraron una tendencia también creciente. 6. Al consumirse la totalidad del anhídrido acético a las condiciones experimentales seleccionadas, ¿qué concentración de ácido acético se obtiene en la mezcla de reacción? Expresarla en mol/L. Si la densidad de la mezcla de reacción es aproximadamente de 1 g/cm3 , expresar el resultado anterior en g/gM. 1 𝑚𝑜𝑙 1 2 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑐. 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 (5.1 𝑔 𝐴𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝐴𝑐𝑒. ) ( )( )( ) = 0.1 𝑀 134.8 𝑔 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 0.75 𝐿 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 0.1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑐. 𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 1 𝑐𝑚3 1𝐿 60 𝑔 𝐴𝑐. 𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑔 ( )( )( ) = 0.006 )( 3 1𝐿 1 𝑔𝑚 1000 𝑐𝑚 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑐. 𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑔𝑚 7. Compare los resultados obtenidos en moles de ácido acético/L, obtenidos para muestras recibidas en matraces con agua y anilina, respectivamente; para tiempos consecutivos, por ejemplo, para los tiempos 3 y 3.5 minutos, ¿son iguales, hay diferencia entre ellos? Explique su respuesta No son iguales, varían un poco, esto puede ser por la velocidad de reacción con anilina por lo que la reacción se da mucho más rápido. 8. Repita el procedimiento anterior para los valores encontrados al titular los demás matraces de anilina Los moles de anilina son casi constantes en orden creciente a los tiempos, debido a la velocidad de la reacción que es muy rápida. 9. ¿Qué cantidad de anhídrido acético, mol / L deberá reaccionar para tener en la mezcla de reacción 4.5 gramos de ácido acético, a sus condiciones experimentales? 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑐. 𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑛ℎí𝑑𝑟𝑜 1 4.5 𝑔 𝐴𝑐. 𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 ( )( )( ) 60 𝑔 𝐴𝑐. 𝑎𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 2 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑐 𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 0.75 𝐿 𝑚𝑜𝑙 = 0.05 𝐴𝑛ℎí𝑑𝑟𝑜 𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝐿 10. ¿En qué tiempo se producen estos 4.5 g de ácido acético? 𝐶𝑎 = (3.26)𝑒 −0.001∗𝑡 −1 0.05 𝑡 = 0.001 (ln (3.26∗0.05)) = 1181.7 𝑚𝑖𝑛 = 19 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 11. Proponga usted las reacciones que ocurren al titular las muestras recibidas en matraces con anilina y con agua.

Matraces con anilina: (CH3CO)2O + C6H5NH2 → CH3COOH + (C6H5)NH2COCH3 Titulación: CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O 4. Conclusiones Se realizó el balance de materia con reacción química, se pudo obtener un modelo matemático que predice la concentración de reactivo en función del tiempo, los resultados que se obtuvieron tienen un gran error asociado, se puede ver en la constante de reacción y en el coeficiente de correlación el cual es de 0.7315, esto se debe al error que se tuvo al hacer las titulaciones ya que se realizó con otra concentración de NaOH, se interpoló los datos que no se tenían y estos llevan un error pues son teóricos, ya que se tuvo un error grande en el balance, podemos concluir que el volumen gastado de NaOH afecta de manera significativa en los resultados. 5. Bibliografía • Eldridge, J.W., Piret, E.L. Continuous-flow stirred-tank reactor system I. Design equations for homogeneous liquid phase reactions. Experimental data. Chemical Engineering Progress 46, 290, 1950. • Asprey, S.P., Wojciechowski, B.W., Rice, N.M., Dorcas, A. Aplications of temperature scanningin the kinetics investigations: the hydrolisis of acetic anhydride. Chemical Engineering Science 51 (20), 1996, 4681-4692.