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MANUAL DE PRACTICAS

Ref. equipo: QRFT Fecha: Noviembre 2009 Pg: 1 / 71

NDICE

7 MANUAL DE PRCTICAS ....................................................................................................... 2

7.1 DESCRIPCIN DEL EQUIPO.............................................................................................. 27.1.1 Introduccin.................................................................................................................................................................27.1.2 Mdulo base e interface .............................................................................................................................................27.1.3 Mdulo del reactor qumico tubular.........................................................................................................................57.1.4 Posibilidades prcticas ...............................................................................................................................................67.1.5 Especificaciones ..........................................................................................................................................................77.1.6 Accesorios....................................................................................................................................................................97.1.7 Dimensiones y pesos................................................................................................................................................107.1.8 Servicios requeridos .................................................................................................................................................10

7.2 FUNDAMENTO TERICO ................................................................................................ 117.2.1 Reactores qumicos...................................................................................................................................................117.2.2 Diseo del reactor tubular........................................................................................................................................177.2.3 Interpretacin de datos de laboratorio ...................................................................................................................197.2.4 Cintica qumica........................................................................................................................................................207.2.5 Efecto de la temperatura...........................................................................................................................................307.2.6 Conduccin elctrica por disoluciones..................................................................................................................32

7.3 PRCTICAS DE LABORATORIO ..................................................................................... 417.3.1 Instalacin experimental...........................................................................................................................................417.3.2 Generalidades ............................................................................................................................................................417.3.3 Procedimiento operativo..........................................................................................................................................447.3.4 Prctica 1. Determinacin de las conductividades inicas ................................................................................477.3.5 Prctica 2. Conversin terica del reactor tubular...............................................................................................517.3.6 Prctica 3. Determinacin experimental de la conversin del reactor tubular................................................537.3.7 Prctica 4. Dependencia en el tiempo de residencia............................................................................................557.3.8 Prctica 5. Determinacin del orden de reaccin.................................................................................................587.3.9 Prctica 6. Dependencia de la constante de velocidad y la conversin con la temperatura .........................627.3.10 Cuadro resumen de los resultados obtenidos .......................................................................................................65

7.4 ANNEXOS ........................................................................................................................... 667.4.1 Anexo I. Sistema de medida de la conductividad: conductmetro ....................................................................667.4.2 Anexo II. Vaciado completo del equipo................................................................................................................70

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7 MANUAL DE PRCTICAS

7.1 DESCRIPCIN DEL EQUIPO

7.1.1 Introduccin

En la mayor parte de los procesos desarrollados en la Industria Qumica, el

diseo del reactor es la base del equipo requerido para llevar a cabo la transformacin

de las materias primas en los productos deseados

El diseo y el modo de operacin del reactor qumico, son vitales en todo

proceso de desarrollo industrial. Existe una amplia gama de diseos, que son

realizados en funcin de los reactantes, con los que se alimenta el reactor y los

productos que deseamos obtener.

Los reactores de flujo tubular se emplean como unidades de laboratorio,

con el propsito de obtener una ecuacin de velocidad que describa el modo de

operacin del reactor y el desarrollo de la reaccin qumica que tiene lugar en l.

El reactor qumico tubular computerizado se utiliza especialmente para

el estudio cintico de reacciones homogneas lquido-lquido.

El equipo est formado por:

7.1.2 Mdulo base e interface

Proporcionan los elementos necesarios para la utilizacin de los distintos

mdulos de reactores.

Estan constituidos por:

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Sistema de alimentacin de reactivos

Sistema de control de temperatura

Sistema adquisicin de datos y control del proceso

Sistema de recogida de producto

Sistema de seguimiento de la reaccin

El circuito de alimentacin de reactivos est compuesto por dos

depsitos de vidrio, de 10l de capacidad, dos bombas dosificadoras y todas las

conexiones necesarias.

El sistema de control de temperatura est constituido por un bao

termosttico y una bomba de impulsin.

El sistema adquisicin de datos y control del proceso est centralizado

en la interface electrnica que conecta los distintos elementos que constityen el

reactor y el mdulo base con el ordenador que controla el proceso.

El circuito de recogida de producto permite la rpida y fcil conduccin

de los productos obtenidos en los reactores hacia el mdulo base y su deposicin en

el depsito correspondiente.

El sistema de seguimiento de la reaccin lo constituye la clula de

conductividad y el conductmetro instalado en el panel frontal del mdulo base. La

seal recibida por la clula se transmite al ordenador a travs de la interface y el

conductmetro permite la visualizacin de los valores de una manera independiente.

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Figura 1.2.1. Esquema de elementos del mdulo base.

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7.1.3 Mdulo del reactor qumico tubular

Este tipo de reactor est constituido por un tubo simple continuo en el que

los reactantes entran por uno de los extremos del reactor, y los productos salen por el

otro extremo, con una variacin continua de la composicin de la mezcla de reaccin

en el interior.

Las reacciones que tienen lugar son homogneas y es muy conveniente que

se realicen a temperatura constante. El diseo de este pequeo reactor de flujo tubular

tiene la capacidad suficiente para mostrar el comportamiento de los reactores a gran

escala.

Formado por las siguientes partes fundamentales:

Reactor tubular constituido por un conducto helicoidal de tefln.

El diseo del serpentn ha sido elegido como la mejor aproximacin

prctica a las condiciones de flujo pistn, asegurando el flujo secundario (mezcla

radial) y reduciendo la dispersin longitudinal a valores mnimos.

Precalentador elctrico para los reactivos. Este se encuentra antes de la

mezcla y entrada al reactor de las corrientes.

Todo el reactor se mantiene a temperatura constante mediante una camisa

de agua.

El sistema ha sido diseado para la reaccin de hidrlisis, en presencia de

hidrxido sdico, del acetato de etilo, pero es adecuado para el estudio de otras

reacciones, como la hidrlisis del anhdrido actico.

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Figura 1.3.1: Imagen del reactor de flujo tubular

7.1.4 Posibilidades prcticas

Calibracin de sensores

Determinacin de la ecuacin cintica para la reaccin de hidrlisis

bsica del acetato de etilo y otras reacciones homogneas.

Clculo de la constante cintica y su variacin con la temperatura.

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Clculo y comparacin de los valores de conversin (tericos y

experimentales) del reactor.

Clculo de la energa de activacin de la reaccin estudiada.

Estudio del efecto del tiempo de residencia.

Efectos de mezcla.

7.1.5 Especificaciones

7.1.5.1 Mdulo base

El mdulo base de los reactores qumicos consta de los siguientes

elementos:

Interface

Dos bombas peristalticas de caudal hasta 10 l/h.

Tres depsitos de 10 litros de capacidad realizados en vidrio Pyrex. Dos

de ellos para los reactivos y el tercero para los productos.

Dos rotmetros para medida del caudal de lquidos, rango 0.7-7 y 0.54-

5.4 l/h.

Un rotmetro para medida del caudal de gas para caudal mximo de

1440 N_l/h y presin mxima de 0.5 Kg cm-2.

Un bao termostatizado de 9 l. de capacidad que regula la temperatura

entre Tamb+5 y 60C.

Una bomba para impulsar el agua de termostatizacin desde el bao al

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mdulo del reactor

Un termopar tipo J para conocer la temperatura del reactor de forma

continua.

Sistema de seguimiento de la reaccin. En este reactor el seguimiento

de la reaccin se hace mediante una clula de conductividad y

conductmetro, conectado a la interface electrnica.

Sistemas de conexin a los suministros del laboratorio fcil y rpidas de

hacer.

Todos los elementos del equipo son qumicamente resistentes.

7.1.5.2 Mdulo del reactor

El mdulo del reactor qumico tubular consta de los siguientes elementos:

Temperatura controlada mediante encamisado de agua, por un

Termopar tipo J.

Precalentador elctrico con una potencia de 265 W para las dos lneas

de alimentacin.

Serpentn interior fabricado en tefln de un dimetro interno de 6 mm.

Longitud del tubo del reactor 14.5 metros.

Sensor de temperatura, termopar tipo J, de control de la temperatura de

precalentamiento

Controlador de temperatura P.I.D.

Manual de instrucciones incluido.

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Figura 1.5.1. Esquema de elementos del mdulo del reactor qumico tubular.

7.1.6 Accesorios

Reactivos qumicos: Acetato de etilo, acetato de sodio, hidrxido sdico.

Bala de dixido de carbono.

Instrumental de laboratorio: buretas, probetas, vasos de precipitados,

matraz aforado de 1 litro, etc.

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7.1.7 Dimensiones y pesos

Dimensiones del mdulo base e interface:

Dimensiones del mdulo base: 1000x1000x1000mm. Aprox.

Dimensiones de la interface: 1500x1000x800mm. aprox.

Dimensiones del mdulo del reactor: 700x500x500 mm Aprox

Volumen de embarque aprox.: 0.2 m3.

Peso neto: 50 Kg.

Peso bruto: 60 Kg.

7.1.8 Servicios requeridos

- Suministro de agua: Agua fra para el llenado y enfriamiento del

sistema de control de temperatura.

- Suministro elctrico: 220-240 V / 60 Hz. monofsico.

- Suministro de agua de red.

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7.2 FUNDAMENTO TERICO

7.2.1 Reactores qumicos

Los procesos qumicos estn centrados en los reactores qumicos. Son uno

de los factores principales cuando se determina un proceso industrial.

No hay un modelo terico exacto para disear un reactor qumico para una

determinada reaccin. Los reactores han de ser diseados teniendo en cuenta todos

los requerimientos y especificaciones del sistema de reaccin.

7.2.1.1 Clasificacin de los reactores

Los reactores qumicos empleados los procesos industriales son de una

gran variedad de diseos. Frecuentemente, para la misma reaccin qumica, se

pueden utilizar reactores de muy diverso diseo.

En general, los reactores qumicos se han clasificado de dos maneras,

dependiendo del tipo de operacin o dependiendo del tipo de diseo. La clasificacin

formal se hace fundamentalmente para reacciones homogneas y se dividen en

discontinuos, continuos y semicontinuos.

Discontinuos. Este tipo de reactores toma todos los reactivos al inicio y los

procesan mediante un camino de reaccin predeterminado durante el cul no se

introduce ni sale ningn material en el reactor. Normalmente tiene forma de tanque,

agitado o no y se usa fundamentalmente para la produccin a pequea escala. La

mayor parte de los datos cinticos bsicos se obtienen en reactores de este tipo.

Continuos. Los reactivos se introducen y los productos salen

simultneamente de manera continua en este tipo de reactor. Puede tener forma de

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tanque, tubular o de torre y tienen muchas aplicaciones para plantas a gran escala con

el propsito de reducir el coste de operacin y facilitar el control de calidad del

producto.

Semicontinuos. A esta categora pertenecen todos los reactores que no se

ajustan a ninguno de los casos anteriores. En algunos casos se introducen reactivos al

principio y posteriormente se contina la alimentacin durante el progreso de la

reaccin, en otros es similar al discontinuo excepto porque uno o ms de los

productos se toman continuamente.

De acuerdo a su diseo, los reactores se clasifican en:

Reactor de tanque. Este es probablemente el tipo ms comn de reactor

usado en la industria qumica. En muchos casos est equipado con agitacin de algn

tipo, adems de transferencia de calor. Este tipo puede acomodarse tanto a operacin

discontinua como a continua y a un gran intervalo de temperatura y presin. Con

excepcin de lquidos muy viscosos, se puede hacer una aproximacin a mezcla

perfecta en reactores de tanque agitado. En operacin continua, se pueden poner

varios reactores agitados conectados en serie. Tambin se toma como operacin en

continuo un reactor dividido en compartimentos, cada uno de los cuales es

equivalente a un reactor de tanque agitado.

Reactor tubular. Este tipo de reactor est constituido por diversos tubos

en paralelo o un nico tubo. Los reactivos entran por uno de los extremos y los

productos salen por el otro, con una continua variacin de la composicin de la

mezcla de reaccin en el interior. La transferencia de calor se puede hacer mediante

una camisa.

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Figura 2.1.1 Ejemplo de diseo de reactor tubular

Reactor de torre. Estructura cilndrica vertical con una gran relacin

dimetro-altura caracterstica de este tipo de reactor.

Reactor de lecho fluidizado. Es un depsito vertical cilndrico que

contiene pequeas partculas slidas, tanto de catalizador como de reactivos. El vapor

de fluido reactante se introduce en la base del reactor a una velocidad suficiente

como para que los slidos se suspendan en el vapor del fluido sin que salgan del

sistema.

Reactor de combustible en suspensin. Este tipo de reactor est

caracterizado por una columna vertical que contiene pequeas partculas de

catalizador suspendidas en un medio lquido, que puede ser uno de los reactivos. El

gas reactivo burbujeara a travs de la suspensin.

7.2.1.2 Ecuaciones de diseo de reactores

Los parmetros ms comnmente utilizados para medir la capacidad de un

reactor es el tiempo medio de residencia , , o el tiempo espacial, .

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El tiempo medio de residencia es el promedio de periodos de tiempo

durante el cual porciones individuales de la mezcla de reaccin estn en el reactor. Se

describe matemticamente mediante la ecuacin:

=af

0a

N

NA

A

)r(VdN

[2.1.1]

donde NA0 y NAf son los moles de reactivo A que entran y salen en el reactor,

respectivamente. En el caso de un reactor de flujo, V es el volumen ocupado por la

mezcla de reaccin y rA representa la velocidad de desaparicin de A.

La ecuacin [2.1.1] resulta del balance de materia alrededor del reactor y

es aplicable a los reactores discontinuos y tubulares, definidos anteriormente.

En trminos de factor de conversin A, la ecuacin [2.1.1] pasa a ser:

= Af0

A

A0A )r(V

dN [2.1.2]

donde A es el factor de conversin de la especie A, Af es el factor de conversin

final de la especie A, NA0 los moles de reactivo A que entran en el reactor. En el caso

de un reactor de flujo, V es el volumen ocupado por la mezcla de reaccin y rA

representa la velocidad de desaparicin de A.

Ambas ecuaciones se ocupan del caso en el que el volumen V ocupado por

la mezcla de reaccin puede cambiar con el progreso de sta. Para un reactor

discontinuo, se puede considerar como el tiempo medio requerido para obtener la

conversin deseada para un determinado reactivo para un determinado tamao dado

de tanque.

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En el caso de tanque agitado, el tiempo medio de residencia se puede

representar por:

)r(VN

A

A0A

= [2.1.3]

donde, A es el factor de conversin de la especie A, NA0 los moles de reactivo A que

entran en el reactor, V es el volumen ocupado por la mezcla de reaccin y rA

representa la velocidad de desaparicin de A.

Si el volumen, V, vara linealmente con el factor de conversin

fraccionado, se puede escribir la ecuacin [2.1.3] como:

( )( ) ( )( )AAAA0A

AAA0

A0A

r1C

r1VN

+

=+

= [2.1.4]

donde V0 es el volumen de la mezcla de reaccin bajo condiciones de alimentacin,

A es el factor de conversin de la especie A, NA0 los moles de reactivo A que entran

en el reactor, rA representa la velocidad de desaparicin de A, CA0 es la

concentracin de A en la alimentacin y A es el coeficiente de actividad.1

Bajo condiciones de flujo estacionario, esto es, con flujo constante, y con

densidad de fluido constante, el tiempo medio de residencia, , se puede hacer:

vV= [2.1.5]

donde V es el volumen ocupado por la mezcla de reaccin y v es la velocidad de

flujo volumtrico de la mezcla de reaccin.

1 i mide el grado de divergencia del comportamiento de la sustancia I respecto al comportamiento ideal. Se

define como iii a , donde ai es la actividad del compuesto i y i es el factor de conversin de laespecie I.

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Por otra parte, se define el tiempo espacial, , como el tiempo empleado

en procesar una carga completa del volumen del reactor en condiciones especficas.

Es decir, un tiempo espacial de 1.5h implica que se necesitaran 1.5h para

procesar un volumen determinado del reactor, en alimento y condiciones conocidas.

El recproco al tiempo espacial se denomina velocidad espacial, S y su expresin

matemtica es:

S1

vV

CF

VFV

00A

0A===

= [2.1.6]

donde F y FA0 son las velocidades de flujo de la carga total de alimento y de reactivo

A, respectivamente, es la densidad molar, en moles por unidad de volumen de la

alimentacin, CA0 es la concentracin de A en la alimentacin, v0 es la velocidad de

flujo volumtrico en la alimentacin a las condiciones de entrada y V es el volumen

ocupado por la mezcla de reaccin.

De este modo, se puede ver que el tiempo medio de residencia y el tiempo

espacial son, en general, diferentes a no ser que la densidad del fluido se mantenga

constante en todo el reactor. El tiempo medio de residencia, , se usa principalmente

para indicar la capacidad de los reactores discontinuos, mientras que la capacidad

volumtrica de alimentacin de un reactor de flujo continuo se representa por la el

tiempo espacial, , o la velocidad espacial, S.

Como se expresa en la ecuacin [2.1.1], el clculo de requiere el

conocimiento de la ecuacin de velocidad as como la variacin del volumen durante

el progreso de la reaccin. Por el contrario, , definido por la ecuacin [2.1.5], se

determina por datos de alimentacin bajo condiciones especficas.

Los siguientes apartados muestran las distintas ecuaciones aplicadas ya al

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equipo EDIBON de reactor qumico tubular.

7.2.2 Diseo del reactor tubular

Un reactor de flujo tubular es aqul en que no existe mezcla en la direccin

del flujo, y una mezcla completa en la direccin perpendicular al flujo (direccin

radial). Puede obsevarse un esquema en la figura 2.2.1.

Figura 2.2.1:Diagrama de flujo en el reactor de flujo tubular

La concentracin vara a lo largo de la coordenada z, pero no en la

coordenada radial r. Cuando la reaccin se realiza en condiciones isotermas, la

temperatura tampoco vara con la coordenada z. Por lo tanto, la nica variable que

afectar a la conversin ser la longitud del reactor.

Siempre que se trabaja con reactores tubulares, se supone que se cumple la

condicin de estado estacionario. Manteniendo constantes las condiciones del

sistema, se mantienen constantes con el tiempo las condiciones en cualquier posicin.

Ecuacin general de conservacin de masa de la especie i en un elemento

de volumen V:

=

+

volumendeelementoeleni

denacumulacideCaudal

volumendeelementoelen

ideproduccindeCaudal

volumendeelemento

delsalequeideCaudal

volumendeelementoel

enentraqueideCaudal

[2.2.1]

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Esta ecuacin aplicada al elemento de volumen de V y para estado

estacionario, sin acumulacin, resulta:

0VrQCQC iVViVi =+ + [2.2.2]

donde:

Q: caudal volumtrico (l/s).

Ci: concentracin del componente i (mol/l).

V: elemento diferencial de volumen (l).

ri: velocidad de reaccin referida al componente i, mol/l.

Tomando el lmite de V0, obtenemos:

( )i

i rdV

CQd= [2.2.3]

Esta ecuacin tambin puede ser escrita en trminos de conversin del

componente A (xA) y el caudal Q:

A

0A0AA QC

CQQCx

= [2.2.4]

Debe notarse, que cuando se halla la conversin para un reactivo, la

conversin es negativa, mientras que calculada para un producto es positiva.

Aplicando la conversin a la ecuacin [2.2.3] se llega a:

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A

AA

Fr

dVdx

= [2.2.5]

donde FA = QCA y se denomina caudal molar (mol/s).

La forma integral de esta ecuacin sera:

==A

A

X

0XA

A

A rdx

FV

[2.2.6]

En el caso de que el caudal sea constante a lo largo del reactor (como

ocurre en las reacciones entre lquidos), la ecuacin [2.6.3] puede simplificarse a:

=

ddC

r Ai [2.2.7]

En esta ecuacin aparece , que es el tiempo de residencia de un elemento

de fluido en el reactor. Esta variable, que tiene unidades de tiempo, tambin recibe el

nombre de tiempo espacial. Es muy usado para describir las cualidades del reactor.

Siempre que el caudal (Q) permanezca constante, es vlida la relacin:

QV= [2.2.8]

Cambios de temperatura, presin, y nmero de moles (en fase gaseosa)

originan variaciones de caudal.

7.2.3 Interpretacin de datos de laboratorio

Partiremos de las ecuaciones de diseo [2.2.3] o [2.2.5]. Supondremos que

el reactor es pequeo por lo que el cambio de composicin en el fluido ser pequeo,

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y los cambios de temperatura sern despreciables debido a la existencia de un sistema

de intercambio de calor efectivo. Por lo tanto, la velocidad de reaccin r, ser casi

constante a lo largo del reactor, o lo que mediremos ser la media de la composicin

y la temperatura en el reactor.

Con estas premisas, de la integracin de la ecuacin [2.2.3] obtenemos:

( )i

i rV

QC=

[2.3.1]

Donde V es el volumen del reactor diferencial y (QCi) es el cambio en

el nmero de moles del componente i debido a su paso a travs del reactor.

Si usamos la ecuacin [2.2.5] en trminos del reactante A, obtendremos:

( )A

AA rVxF

=

[2.3.2]

Cuando las condiciones de velocidad de reaccin casi constante no pueden

suponerse, los datos de conversin obtenidos representarn el valor integrado de la

velocidad de reaccin en todos los puntos del reactor. Tendremos entonces que

integrar las ecuaciones para una determinada velocidad de reaccin (ec.[2.2.6]), y

compararlos con aquellos datos de conversin obtenidos experimentalmente.

7.2.4 Cintica qumica

La cintica qumica, tambin denominada cintica de las reacciones,

estudia las velocidades y mecanismos de las reacciones qumicas. Un sistema

reactivo no est en equilibrio, por lo que la cintica de las reacciones no se considera

parte de la termodinmica.

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Las aplicaciones de la cintica de las reacciones son numerosas. En la

sntesis industrial de sustancias, las velocidades de reaccin son tan importantes

como las constantes de equilibrio. El equilibrio termodinmico nos indica la mxima

cantidad de producto que puede obtenerse, a unas T y P dadas, pero si la velocidad de

reaccin entre los reactivos es muy baja, la realizacin de dicha reaccin no sera

econmica.

Considerando una reaccin irreversible, del tipo:

KK ++++ fFeEbBaA [2.4.1]

se define la velocidad de reaccin de la especie i como el cambio en el nmero de

moles, debido a la reaccin, de un reactante o producto, por unidad de tiempo y

volumen de la mezcla de reaccin:

=dt

dni1

V1

r II [2.4.2]

donde nI es el nmero de moles de la especie I en el volumen de la mezcla de

reaccin, V, e i es el coeficiente estequiomtrico de la especie I en la reaccin.

En la mayora de los sistemas el volumen es constante o cambia en una

cantidad despreciable, por lo que se puede escribir:

dtdC

i1r II = [2.4.3]

donde CI es la concentracin de la especie I en la disolucin, t el tiempo y ri la

velocidad de reaccin de la especie I.

Por definicin, rI es negativa si la especie I es un reactivo (velocidad de

desaparicin) y positiva si I se refiere a un producto (velocidad de aparicin).

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Por tanto, para la reaccin [2.4.1] se tiene:

...dt

dCf1

dtdC

e1

....dt

dCb1

dtdC

a1

r FEBAI ====== [2.4.4]

donde Ci es la concentracin de la especie I, el subndice A se refiere a la especie A,

a es su coeficiente estequiomtrico y as sucesivamente.

Para muchas reacciones otra forma de la velocidad de reaccin, hallada

experimentalmente, es:

= LBA C...CkCr [2.4.5]

donde los exponentes , , ....., son, en general, enteros o semienteros (1/2, 3/2, ...),

k es una constante de proporcionalidad.

La constante de proporcionalidad, k, denominada constante cintica (de

velocidad), depende de la temperatura y es independiente de la concentracin. Se

dice que la reaccin es de un orden respecto a A, orden respecto a B, etc., y a

estos exponentes se les denomina rdenes parciales. La suma de todos ellos es el

orden total, n, (o simplemente orden) de la reaccin.

Las unidades de la constante de velocidad dependen del orden de la

reaccin y son concentracin1-n tiempo-1. Por ejemplo, para una reaccin de primer

orden, k viene expresada en tiempo-1.

En la tabla 2.4.1 se resumen las soluciones para los cinco primeros rdenes

de reaccin.

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Orden Expresin develocidadEcuacin de velocidad integrada

(V=cte)

0 kr .A = A0A CCkt =

2/1A.A kCr = ( )2/1A2/10A CC2kt =

1 A.A kCr =A

0A

CC

lnkt =

2 2A.A kCr =0AA C

1C1

kt =

2 BA.A CkCr =( )( )0B0AA0A0

BA

CCCCln1

kt +

=

0B0A CC

Tabla 2.4.1. Ecuaciones de velocidad para los primeros rdenes de reaccin. RA=dCA/dt para el caso de

volumen constante. Donde: CI es la concentracin de I, CI0 es la concentracin inicial de I, rA es la velocidad

de reaccin, t el tiempo, k la constante de velocidad y 0B0A0AB CC =

Para una reaccin que requiere ms de un reactivo, se puede encontrar la

ley de velocidad de la reaccin midiendo su dependencia respecto a la concentracin

de cada reactivo, independientemente. Se fijan las concentraciones de todos los

reactivos exceptuando uno y se registra la velocidad de reaccin como una funcin

de la concentracin de ese reactivo.

Cualquier cambio en la velocidad debe ser debido slo a cambios en esa

sustancia. La dependencia que se observa entonces nos da el orden de reaccin de ese

reactivo en particular. Se aplica el mismo procedimiento al siguiente reactivo y as

sucesivamente.

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7.2.4.1 Obtencin de la ecuacin cintica

La ecuacin cintica representa la velocidad de reaccin y puede obtenerse,

bien a partir de consideraciones tericas o ser simplemente el resultado de un

procedimiento emprico de ajuste de curvas. En cualquier caso, el valor de los

coeficientes cinticos o constantes de velocidad de dicha ecuacin solamente pueden

determinarse por va experimental, ya que en la actualidad resultan inadecuados los

modelos tericos de prediccin.

Para medir la velocidad de reaccin r, es necesario determinar la

concentracin de un reactivo o producto en funcin del tiempo.

Las ecuaciones cinticas de velocidad han de determinarse a partir de

medidas de velocidades de reaccin y no pueden deducirse a partir de su

estequiometra.

La ecuacin cintica que gobierna la reaccin es una ecuacin diferencial

que da las velocidades de variacin de las concentraciones de las especies que

reaccionan, dtdCA , etc. Para obtener las concentraciones frente al tiempo a partir de

la ecuacin cintica, debe integrarse la misma. Por tanto, en esta seccin se integran

las ecuaciones cinticas que aparecen con ms frecuencia.

En la discusin siguiente, supondremos, a no ser que se indique lo

contrario, que:

(a) La reaccin transcurre a temperatura constante. Si T es constante, la

constante cintica k tambin lo es.

(b) El volumen es constante. Si V es constante, la velocidad de reaccin r

viene dada por la ecuacin [2.4.3].

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(c) La reaccin es , atendindose por ello que la reaccin

inversa apenas tiene lugar. Esto ser correcto s la constante de equilibrio es muy

grande o si se estudia nicamente la velocidad inicial.

Reacciones de primer orden. Supongamos que la reaccin Aproducto

es de primer orden y, por tanto, r=kCA. A partir de las ecuaciones [2.4.3] y [2.4.4], la

ecuacin cintica es

AA kC

dtdC

a1

r == [2.4.6]

Definiendo kA como kA ak, tenemos

AAA CkdtdC = , donde kA ak [2.4.7]

El subndice en kA nos recuerda que esta constante cintica se refiere a la

velocidad del cambio de concentracin de A.

Las variables de la ecuacin anterior son CA y t en lados opuestos.

Tenemos que kdtCdC AA = . Integrando se obtiene

=2

1

2

1AAA dtkCdC

( ) ( )12A1A2A ttkCCln = [2.4.8]

donde CA es la concentracin de la especie A, Ca1 y CA2 las concentraciones de la

especie A en los tiempos 1 y 2, respectivamente, kA la constante cintica para la

velocidad de cambio de la especie A y t1, t2 los tiempos que se toman como principio

y final de la medida.

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La ecuacin [2.4.8] es vlida para dos tiempos cualesquiera de la reaccin.

Si el estado 1 es el estado del comienzo de la reaccin cuando CA = CA0 y t=0,

entonces [2.4.8] se transforma en

tkCC

ln A0A

A = [2.4.9]

siendo CA la concentracin en el tiempo t. Usando las relaciones logartmicas, se

obtiene:

tk0AA

tk

0A

A AA eCCeCC == [2.4.10]

Para una reaccin de primer orden CA decrece exponencialmente con el

tiempo, figura 2.4.1.

Si la reaccin es de primer orden, la ecuacin [2.4.9] (multiplicada por -1)

muestra que una representacin de ( )A0A CCln frente a t da una lnea recta dependiente kA. Una representacin de logCA frente a t da una lnea recta de pendiente

kA/2.303.

Figura 2.4.1. Concentracin de reactivos en funcin del tiempo en una reaccin de primer orden y en una

reaccin de segundo orden.

MANUAL DE PRACTICAS


Reacciones de segundo orden. Las dos formas ms comunes de

ecuaciones cinticas de segundo orden son BA2A CkCrykCr == , donde A y B

son dos reactivos diferentes.

Supongamos que la reaccin es aA productos y r=kCa2. Entonces -

a-1dCA /dt=kca2, y utilizando la definicin anterior de kA ak y separando variable,

se tiene

==2

1

2

1AA2

A

2AA

A dtkdCC1

yCkdt

dC[2.4.11]

( ) tkC

1C1

ottkC

1C

1A

0AA12A

2A1A

== [2.4.12]

akk,tCk1

CC A

0AA

0AA +

= [2.4.13]

A partir de la ecuacin [2.4.12], una representacin de 1/CA frente a t da

una lnea recta de pendiente kA.

Supongamos ahora que la reaccin es aA+bBproductos, con una

ecuacin r=kCACB. Entonces usando [2.4.3] y [2.4.4] se obtiene

BAA CkC

dtdC

a1

= [2.4.14]

En la ecuacin anterior tenemos tres variables, CA, CB y t. Para integrar

debemos eliminar CB relacionndola con CA. Las cantidades de B y A que reaccionan

son proporcionales a sus coeficientes b y a, puesto que ab

nn

B

B = . Dividiendo

por el volumen se obtiene ( ) ( )0AA0BBA

B CC/CCCCab =

= , donde CB0 y

MANUAL DE PRACTICAS


CA0 son las concentraciones iniciales de B y A. Despejando CB, se obtiene

A1

0A1

0BB CbaCbaCC += [2.4.15]

Sustituyendo la ecuacin [2.4.15] en la ecuacin [2.4.14] e integrando, se

obtiene

( ) =+ 2

1

2

1A

A1

0A1

0BA

dtakdCCbaCbaCC

1[2.4.16]

Resolviendo la integral, mediante tablas

ktCCCC

lnbCaC

1

0AA

0BB

0A0B

=

[2.4.17]

En la ecuacin [2.4.17], CA y CB son las concentraciones en el tiempo t y

CA0 y CB0 son las concentraciones en el tiempo 0. Una representacin del miembro

izquierdo de la ecuacin [2.4.17] frente a t da una lnea recta de pendiente k.

Un caso especial de reacciones de segundo orden con CA y CB presentes es

aquella en las que A y B estn presentes inicialmente en la proporcin

estequiomtrica, tal que CB0 /CA0 = b/a. La ecuacin [2.4.17] no se puede aplicar

aqu, puesto que ACB0-BcA0 en ella se hace cero.

Para tratar este caso especial se considera que B y A tiene que permanecer

en proporcin estequiomtrica durante el transcurso de la reaccin: CB /CA= b/a en

cualquier tiempo. De tal manera, la ecuacin [2.4.14] se transforma en

kdtdCbC

1A2

A

=

[2.4.18]

Integrando se obtiene un resultado similar a [2.4.12], concretamente

MANUAL DE PRACTICAS


ktC

1C1

0AA

= [2.4.19]

7.2.4.2 Determinacin de las ecuaciones cinticas. Mtodo de la velocidad inicial

En esta seccin estudiaremos un mtodo de obtencin de las ecuaciones

cinticas a partir de los datos experimentales. Restringiremos la discusin a los casos

donde la ecuacin cintica tiene la forma

= LBA C...CkCr [2.4.20]

como en la ecuacin [2.4.5]. Generalmente, en primer lugar, se obtienen los rdenes

, , ,, y luego la constante k.

El mtodo elegido para la determinacin de las ecuaciones cinticas es el

mtodo de la velocidad inicial. En l se mide la velocidad inicial r0 para varios

experimentos, variando cada vez la concentracin inicial de un reactivo. Supongamos

que medimos r0 para dos concentraciones de A diferentes [A]0,1, y [A]0,2, mientras

que mantenemos constantes [B]0, [C]0, Con el nico cambio de [A]0 y suponiendo

que la ecuacin cintica tiene la forma [ ] [ ] [ ]= LBAkr K , el cociente develocidades iniciales de los experimentos 1 y 2 es

=

1,0A

2,0A

2,0

1,0

CC

rr

[2.4.21]

a partir del cual se obtiene fcilmente .

Por ejemplo, si para multiplicar por 9 las velocidades iniciales es necesario

partir del triple de CA0, entonces 2y39 == .

MANUAL DE PRACTICAS


Pueden obtenerse resultados ms exactos realizando varios experimentos

en los que nicamente se cambia [A], en un intervalo amplio.

Puesto que .....ClogClogklogrlog 0B0A0 +++= , una representacin

grfica de 0rlog frente a 0AClog , manteniendo constantes CB0,, tiene una

pendiente . Los rdenes , , , se calculan de igual forma

La velocidad inicial r0 puede hallarse representando CA frente a t y

dibujando la tangente para t=0.

7.2.5 Efecto de la temperatura

El proceso de cambio qumico es acompaado siempre por la absorcin o

irradiacin de calor por el medio de reaccin, que no slo influye en la velocidad de

reaccin sino tambin en el equilibrio y la composicin de los productos.

En 1889, Arrhenius demostr que los datos de la constante k(T) para

muchas reacciones podan ajustarse por la expresin:

RT

Ea

Aek

=[2.5.1]

donde A y Ea son constantes caractersticas de la reaccin y R es la constante de los

gases. Ea es la llamada energa de activacin de Arrhenius y A es el factor pre-

exponencial o el factor A de Arrhenius. Las unidades de A son las mismas que las de

k. Las unidades de Ea son las mismas que las de RT, es decir, energa por mol; Ea

generalmente se expresa en kcal/mol o kJ/mol.

Arrhenius lleg a la expresin anterior considerando que la influencia de la

temperatura en la constante cintica probablemente sera del mismo tipo que en las

constantes de equilibrio.

MANUAL DE PRACTICAS


Tomando logaritmos en [2.5.1], se obtiene:

RT303.2E

AlogklogRTE

Alnkln aa == [2.5.2]

Si la ecuacin de Arrhenius se cumple, una representacin de log k en

funcin de 1/T debe dar una lnea recta de pendiente Ea/2.0303R y ordenada en el

origen logA. Esto nos permite obtener Ea y A. Un error tpico experimental en Ea es

1Kcal/mol y en A un factor de 3.

Figura 2.5.1. La grfica de la izquierda muestra la constante cintica en funcin de la temperatura, para la

reaccin de primer orden 2N2O54NO2 + O2; A la derecha est la representacin de Arrhenius para esta

reaccin. Observe la larga extrapolacin necesaria para obtener A.

Ntese a partir de la ecuacin [2.5.1] que una energa de activacin

pequea significa que la reaccin es rpida y que una energa de activacin alta

significa reaccin lenta.

MANUAL DE PRACTICAS


Figura 2.5.2. Cociente de las constantes cinticas a 310 K y 300 K en funcin de la energa de activacin.

Cuanto mayor es el valor de Ea ms rpidamente aumenta la constante cintica con la temperatura

7.2.6 Conduccin elctrica por disoluciones

La figura siguiente muestra dos electrodos metlicos a cada lado de una

celda llena de una disolucin electroltica. Se aplica una diferencia de potencial entre

los electrodos, conectndolos a una batera. Los electrodos llevan la corriente a travs

de los cables y los electrodos metlicos. Los iones conducen la corriente a travs de

la disolucin.

Figura 2.6.1. Electrodos metlicos situados a cada lado de una celda electroltica, a distancia l y conectadospor una batera.

En cada interfase electrodo-disolucin tiene lugar una reaccin

electroqumica que transfiere electrones al electrodo o que los toma de l,

MANUAL DE PRACTICAS


permitiendo, por tanto, que la carga fluya por todo el circuito.

La resistencia R de una disolucin no puede medirse con seguridad usando

corriente directa, porque los cambios en la concentracin de los electrlitos y la

formacin de productos de la electrlisis en los electrodos cambian la resistencia de

la disolucin.

Para eliminar estos efectos, se usa una corriente alterna. La clula de

conductividad se sita en uno de los brazos de un puente de Wheatstone. La

resistencia R3 se ajusta hasta que no pase corriente por el detector entre los puntos C

y D. Estos puntos estn entonces al mismo potencial y se puede hallar R utilizando la

ley de Ohm. Se obtendra que R es independiente de la magnitud de la diferencia

de potencial aplicada.

Figura 2.6.2. Medida de la conductividad de una disolucin electroltica usando un puente de Wheatstone

Una vez se conoce R, se puede calcular la conductividad a partir de la

ecuacin

AlR = [2.6.1]

MANUAL DE PRACTICAS


donde R es la resistencia, l es la longitud del conductor, la resistividad y A el rea

de la seccin transversal, combinada con

RAl1 == [2.6.2]

donde es la conductividad, en unidades de -1cm-1, A y l son el rea de los

electrodos y la separacin entre ellos, con unidades de cm2 y cm respectivamente.

El recproco del -1 es el Siemens, S, con lo que las unidades de la

conductividad pasaran a se Scm-1.

La constante de la celda Kcel se define como l/A y =Kcel/R. En lugar de

medir l y A, es ms exacto determinar la Kcel del aparato, midiendo R para una

disolucin patrn de conductividad conocida.

En los trabajos de conductividad es necesario tratar de trabajar con los

disolventes lo ms puros posibles, pues trazas de impurezas pueden afectar

significativamente a . La conductividad del disolvente puro debe restarse de la de la

disolucin para obtener la del electrolito.

Conductividad molar. Puesto que el nmero de portadores de carga por

unidad de volumen aumenta normalmente al aumentar la concentracin del

electrolito, la conductividad de la disolucin aumenta, por lo general, cuando

aumenta la concentracin del electrolito.

Para obtener una medida de la capacidad de transporte de corriente de una

cantidad dada de electrolito, se define la conductividad molar m de un electrolito

en disolucin como

Cm [2.6.3]

MANUAL DE PRACTICAS


siendo C la concentracin estequiomtrica molar del electrolito.

Para un electrolito fuerte sin apareamiento de iones, la concentracin de

iones es directamente proporcional a la concentracin estequiomtrica del electrolito;

por tanto, podra pensarse que al dividir por C se obtendra una cantidad que es

independiente de la concentracin. Esto no es as debido a que las interacciones entre

iones afectan la conductividad y estas interacciones cambian cuando se cambia c.

Conductividades molares de los iones. La conductividad molar de un

electrolito en disolucin se define como cm . Por analoga, se define la

conductividad molar B,m del ion B como

BBB,m c [2.6.4]

donde ?B es la contribucin del ion B a la conductividad de la disolucin y CB es su

concentracin molar. Ntese, sin embargo, que CB es la concentracin real del ion B,

mientras que C es la concentracin estequiomtrica del electrolito.

Sustituyendo CB,m = y la ecuacin [2.6.4] en =B

B se obtiene

=B

B,mBm CC1

[2.6.5]

que relaciona m del electrolito con los m de los iones. Para un electrolito fuerte

+ vv XM que est completamente disociado, la ecuacin anterior se transforma en

( ) ( )++++ +=+= ,m,m1,m,m1m CvCvCcCCC [2.6.6]

MANUAL DE PRACTICAS


+= ++ cosinipareshayno

fuerteoelectrlitvv ,m,mm [2.6.7]

7.2.6.1 Estudio conductimtrico de la cintica de la hidrlisis de los steres en medio

bsico

La reaccin recomendada de estudio en este equipo EDIBON es la

hidrlisis de los steres en medio bsico.

Se va a comprobar que la hidrlisis de los steres en medio bsico sigue

una cintica de segundo orden y como el efecto inductivo y el impedimento estrico

influyen en la velocidad de reaccin. Por ltimo se determina la energa de activacin

de dicho proceso.

El mecanismo ms aceptado para esta hidrlisis catalizada por bases es el

siguiente:

[2.6.8]

[2.6.9]

[2.6.10]

Este es un mecanismo de adicin-eliminacin; proceso bimolecular con

MANUAL DE PRACTICAS


ruptura del enlace oxgeno-acilo por el ataque del ion OH- actuando como un

nuclefilo y la formacin de un complejo intermedio tetradrico muy estructurado.

En esta disolucin acuosa estn presentes dos nuclefilos, el H2O y el ion OH-; el

agua es el dbil y por tanto reacciona lentamente con el carbono carbonlico mientras

que el hidrxido es mucho ms activo y acta ms rpidamente.

Se observa, tambin, como el ltimo paso del mecanismo obliga a la

reaccin a ser irreversible. La reaccin global puede formularse como:

[2.6.11]

Si designamos por CA0 la concentracin inicial de ster y por CB0 la de

sosa, la concentracin de R-COONa al cabo de un tiempo t ser CA, cumplindose

en todo instante:

( )( )A0BA0AA CCCCkdtdC

= [2.6.12]

Integrando, nos queda la expresin:

( )tCCkCC

LnCCCC

Ln 0B0A0B

0A

A0B

A0A +=

[2.6.13]

O lo que es lo mismo:

( )( )

=

A0B0A

A0A0B

0B0A CCCCCC

LnCC

1Kt [2.6.14]

donde k es la constante de velocidad de la reaccin, t el tiempo, CA0 y CB0 las

concentraciones iniciales de ster (A) y sosa (B) y CA la concentracin de ster en el

MANUAL DE PRACTICAS


tiempo t.

Seguiremos el curso de la reaccin por un mtodo conductimtrico;

midiendo la conductividad del sistema a distintos intervalos de tiempo podremos

conocer las concentraciones existentes de productos y reactivos.

La conductividad del sistema disminuir con el tiempo, pues van

desapareciendo iones OH- y formndose iones R-COO- de menor movilidad inica;

los iones Na+ no intervienen en la variacin de la conductividad ya que se trata de

iones espectadores pues por cada molcula de NaOH que desaparece se forma una de

R-COONa.

Segn la ley de Kohlraush de la migracin independiente de iones, la

conductividad especfica de una disolucin de i especies inicas distintas es la

suma de las conductividades especficas i de dichas especies inicas, y ya que la

conductividad especfica es el producto de la conductividad equivalente i por la

concentracin Ci (eq.g/cm3), como se vio en apartados anteriores.

Se tiene:

==i i

11iii cmC [2.6.15]

La conductividad especfica del proceso ser debida slo a la base

utilizada:

( ) 1130BOHNa0t cm10C = += + [2.6.16]

La conductividad especfica de la disolucin, al cabo de un tiempo t ser:

( )( ) 113ARA0BOH0BNatt cm10CCCC = ++= + [2.6.17]

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en las dos ecuaciones anteriores OH y +Na son las conductividades inicas de las

especies OH- y Na+, CB0 la concentracin inicial de sosa, CA la concentracin de ster

a tiempo t.

Despejando de [2.6.16] y [2.6.17]:

( )l/geq

10C

ROH

3tt0t

A

=

== [2.6.18]

donde CA es la concentracin de ster, t=0 la conductividad especfica para t=0, t=t

la conductividad especfica a tiempo t y ROH y las conductividades inicas para

las especies OH- y R-.

Es decir, determinando la conductividad especfica de la disolucin en el

tiempo t=0 y a diversos intervalos de tiempo t=t y determinando las conductividades

inicas ROH y pueden hallarse las respectivas concentraciones CA.

Las conductividades inicas ROH y se pueden determinar de la

siguiente manera:

Se preparan disoluciones de NaOH y RNa 0.01M, se termostatizan a la

temperatura elegida para la hidrlisis (25C) y se determinan las conductividades de

cada una de las disoluciones:

( )( ) 1130BNaRRNa

1130AOHNaNaOH

cm10Ccm10C

+=+=

+

+

[2.6.19]

es importante que las concentraciones iniciales de ambos sean las mismas para poder

despejar 00B0A CCC == :

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( )geq/cm

C10 21

0

3RNaNaOH

ROH

=

[2.6.20]

donde C0 es la concentracin inicial de la sosa o el ster (que deben ser iguales),

NaOH la conductividad de la disolucin de NaOH, Rna la conductividad de la

disolucin de RNa y ROH el factor que se quiere hallar.

El factor 10-3 aparece por lo siguiente:

3330 cm10mol

dmmol

litrromol

C == [2.6.21]

la concentracin ha de estar en cm3 ya que la conductividad est en -1cm-1.

MANUAL DE PRACTICAS


7.3 PRCTICAS DE LABORATORIO

7.3.1 Instalacin experimental

Antes del comenzar a utilizar el equipo, compruebe los siguientes puntos:

? Las conexiones entre el mdulo del reactor y el mdulo base son las

correctas

Siguiendo las conexiones marcadas en la parte posterior del mdulo del

reactor, en la delantera del mdulo base y en los distintos tubos de conexin,

comprueba todas las uniones para evitar prdidas de reactivo.

7.3.2 Generalidades

7.3.2.1 Normas de seguridad en el laboratorio

El laboratorio de qumica orgnica es, potencialmente, uno de los ms

peligrosos. Es por ello por lo que se han de seguir una serie de normas bsicas de

seguridad.

Es recomendable tenerlas siempre presentes ya que en este tipo de

laboratorio se puede resultar seriamente herido.

Algunas de estas normas son:

1. Utilizar gafas de proteccin en todo momento y nunca, nunca, utilizar

lentillas en un laboratorio, ya que los vapores de los productos qumicos pueden

introducirse entre stas y el ojo y causar serios daos.

2. No rascarse, o limpiarse con las manos, ya que se pueden tener

MANUAL DE PRACTICAS


productos qumicos en ellas, en una concentracin que no se pueda apreciar, pero

suficiente como para daarte los ojos si, por ejemplo, los tocas al colocarte las gafas.

3. Utiliza los contenedores para los residuos. Estar debidamente

identificados. Si tienes alguna duda sobre en cul poner un determinado producto,

consulta al instructor. Procura generar la menor cantidad de residuos posible.

4. No comer o beber en el interior del laboratorio.

5. Mantn todo el material que ests utilizando limpio y en orden, as

como las zonas de alrededor. Limpia los derrames. Trabaja ordenadamente. Apaga

las tomas de agua y los aparatos elctricos mientras no los uses.

6. Conoce la localizacin y la manera apropiada de utilizar los extintores,

mantas de extincin, duchas de seguridad y lava-ojos.

7. Utiliza ropa apropiada, que te cubra por completo y guantes. El cabello

recogido.

8. Siempre que sea posible trabaja en la campana de extraccin de gases.

9. Preprate. Lee y toma notas de cualquier experimento antes de hacerlo.

10. Todo aquello que no conoces puede hacerte dao. Si no ests seguro de

una operacin o tienes alguna duda sobre cmo usar algo, por favor, pregunta al

profesor antes de hacerlo.

7.3.2.2 El cuaderno de laboratorio

Un cuaderno de laboratorio es una de los instrumentos ms importantes y

ms valiosos que vayas a poseer en tu paso por un laboratorio. Con l podrs

reproducir tu trabajo, no importa el tiempo que haya pasado o dnde ests en ese

MANUAL DE PRACTICAS


momento.

Para que realmente sea til, debes seguir las siguientes pautas:

1. Debes llevarlo permanente. Todas las pginas deben ir numeradas y

fechadas.

2. Utiliza bolgrafo, nunca lpiz, ya que ste desaparece con el tiempo.

Nunca borres, simplemente dibuja una lnea sobre tus errores, de tal manera que se

pueda leer lo que pona. Nunca quites ninguna hoja.

3. Deja un par de hojas en blanco en el principio para una tabla de

contenido para hacerla al terminar el cuaderno.

4. Anota:

(a) Qu has hecho. No qu se dice que hay que hacer, sino lo que

t, por ti mismo, has hecho.

(b) Cualquier observacin: cambios de color, aumentos de

temperatura, olores, explosiones,......., cualquier cosa que ocurra. Si es

posible aade una explicacin lgica de porqu ha pasado lo que ha

pasado.

5. Lista los productos qumicos utilizados durante cada reaccin, con las

concentraciones y alguna propiedad fsica interesante.

6. No dejes espacios en blanco. En caso de que sean necesarios, dibuja

lneas transversales en ellos.

7. En los clculos y datos numricos utiliza siempre las unidades y presta

atencin a las cifras significativas.

MANUAL DE PRACTICAS


7.3.3 Procedimiento operativo

El reactor qumico tubular computerizado est diseado para su control

desde el ordenador a travs del software diseado para ello.

Antes de instalar el reactor de flujo tubular tnganse en cuenta lo siguiente:

Hay que remarcar que los rotmetros estn calibrados para los

compuestos que figuran en el manual de practicas y que por ello el cambio de

reactivos ha de ir acompaado necesariamente de una calibracin de los rotmetros.

El equipo dispone de dos rotmetros de rea variable para la medida de los

caudales de alimentacin. Estos se encuentran graduados entre el 10 y el 100%, es

decir, tienen una escala porcentual.

Figura 3.3.1. Caudalmetro

Los caudalmetros estn calibrados para un reactivo concreto. Por ello es

MUY IMPORTANTE respetar el etiquetado del equipo, ya que de otra manera se

producirn errores en la medida del caudal.

MANUAL DE PRACTICAS


Los parmetros de ajuste utilizados se encuentran especificados por el

fabricante en el lateral de los caudalmetros y se resumen en la siguiente tabla:

Fluido Densidad Viscosidad Caudal mximo

Acetato de etilo 0,8 g/cc 0,4 cp 7 l/h

Hidrxido sdico 1,05 g/cc 1,2 cp 5,4 l/h

Tabla 3.3.1. Parmetros de calibrado de los flowmeters

NO encender el precalentador sin flujo de reactivos.

NO encender las bombas si no existe flujo de reactivos, es por ello que

ha de consultar el nivel de los depsitos siempre que stas vayan a encenderse.

NO encender las bombas si las llaves de los rotmetros estn

completamente cerradas.

NO debe haber partculas en suspensin en los depsitos.

7.3.3.1 Llenado del circuito de termostatizacin

El bao termosttico est diseado para mantener constante la temperatura

alrededor del reactor. Se ha tomado un volumen de 9 litros, ya que este volumen

permite un control sobre la temperatura del agua de 0.1C.

Debido a ello, es necesario llenar la camisa del reactor ANTES de la

realizacin de las prcticas.

El procedimiento es el siguiente:

? Compruebe que las conexiones son correctas:

1. Salida del mdulo de servicio del reactivo 1 al mdulo del reactor.

2. Salida del mdulo de servicio del reactivo 2 al mdulo del reactor.

MANUAL DE PRACTICAS


3. Salida del mdulo de servicio del agua de termostatizacin al mdulo

del reactor.

4. Salida del mdulo del reactor del agua de termostatizacin al mdulo del

reactor.

? Salida 1 de producto en el mdulo del reactor al mdulo de servicio

? Para el llenado de la camisa del reactor no es imprescindible la

presencia de la clula de conductividad en su colector.

? Eche agua limpia en la cubeta del bao termosttico. Encienda la

bomba

? Conforme se vaya llenado el circuito de termostatizacin rellene la

cubeta del bao termosttico, procurando que no llegue nunca por debajo del

interruptor de nivel, ya que apagara la bomba

? Abra la vlvula de purga, para que se vaya llenando la camisa y salga el

aire.

? Cuando la camisa del reactor est llena, y vea que no baja ms agua,

llene la cubeta del bao termosttico hasta por encima del sensor de nivel (tipo boya).

7.3.3.2 Funcionamiento del precalentador

ATENCIN! : No conecte el precalentamiento si no esta circulando

lquido por el circuito de alimentacin.

A la salida del precalentador hay un sensor de temperatura, ST-3, que

controla la temperatura de salida de los reactivos del precalentador.

MANUAL DE PRACTICAS


7.3.4 Prctica 1. Determinacin de las conductividades inicas

7.3.4.1 Objetivo

El objetivo de esta prctica la determinacin de las conductividades inicas

ROH y , necesarias para el tratamiento de los datos experimentales en las

posteriores prcticas.

7.3.4.2 Elementos necesarios

1 litro de disolucin de Acetato de sodio 0.01 M

Software SACED-QRFT

1 litro de disolucin de Hidrxido sdico 0.01 M

Un recipiente o vaso resistente a altas temperaturas.

Una fuente de calor.

Equipo QRFT

7.3.4.3 Desarrollo de la prctica

1. . Ejecute el programa SACED-QRFT

2. Presione el boton START e introduzca el nombre del fichero que

contendr los datos en la nueva ventana.

3. Ponga en el vaso de precipitados disolucin de acetato de sodio.

4. Introduzca el termmetro y la clula de conductividad en el vaso.

MANUAL DE PRACTICAS


5. Determine la conductividad del acetato de etilo a la temperatura

marcada por el termmetro.

6. Encienda el elemento calefactor y caliente hasta 35C

7. Repita la medida.

8. Repita la medidas a 45C.

9. Anote los resultados en la tabla 3.6.1.

10. Repita los puntos 1 a 9 utilizando la disolucin de hidrxido sdico.

7.3.4.4 Resultados y tablas

Una vez anotados los datos obtenidos, realice los clculos necesarios.

Temperatura

(C)NaOH

(Scm-1)

EtONa

(Scm-1)

( )cm

C10 1

0

3EtONaNaOH

EtOOH

=

Ambiente

35

45

Tabla 3.6.1. Diferencias entre las conductividades inicas ROH y

7.3.4.5 Conclusiones y comentarios

Observando los datos obtenidos conteste a las siguientes cuestiones:

? Cmo influye la temperatura en la conductividad de cada una de las

MANUAL DE PRACTICAS


especies?

? A qu factores puede deberse el comportamiento que presentan?

? Porqu, pese a sufrir los mismos incrementos de temperatura, el

comportamiento de ambas especies es diferente?

7.3.4.6 Grficas complementarias

Represente grficamente la evolucin de la conductividad de ambas

especies en funcin de la temperatura.

MANUAL DE PRACTICAS


Figura 3.6.1. Representacin grfica de la variacin de la conductividad del acetato de sodio y el hidrxido

sdico con la temperatura.

MANUAL DE PRACTICAS


7.3.5 Prctica 2. Conversin terica del reactor tubular

7.3.5.1 Objetivo

Calculo de la conversin terica del reactor tubular


Manual de prcticas del equipo QRFT


1. Anote la longitud del reactor del que dispone.

2. Suponiendo un caudal constante de 4l/h para cada uno de los reactivos

y suponiendo una conversin de 0.99, cul seria la concentracin de NaOH a la

salida? (utilice las equaciones presentes en el fundamento terico)

3. Repita los clculos para caudal de 3l/h y conversiones de 0.9, 0.95,

0.999 y 0.9999.

4. Complete la tabla de resultados.

MANUAL DE PRACTICAS


7.3.5.4 Resultados y tablas.

Conversin

0.9 0.95 0.99 0.999 0.9999

4l/h

Cau

dal

3l/h

Tabla 3.7.1

Comente los resultados obtenidos.

MANUAL DE PRACTICAS


7.3.6 Prctica 3. Determinacin experimental de la conversin del reactor

tubular

7.3.6.1 Objetivo

Determinar experimentalmente la conversin del reactor tubular.


Equipo QRFT

10 l de disolucin 0.1 M de NaOH

10 l de disolucin 0.1 M de EtOAc


1. Llene el deposito 1 con los 10 l de la disolucin de EtOAc en el y el

deposito 2 los 10 l de la disolucin de NaOH.

2. Encienda la interface y corra el programa SACER-QRFT.

3. Marque como punto de consigna en el programa la temperatura a la que

desea trabajar (p.ejem. 30C).

4. Ponga las llaves de tres vas del mdulo base en posicin de

recirculacin.

5. Marque un caudal igual en ambas bombas y encindalas desde el

programa. Los caudalmetros deberan marcar el mismo caudal, aunque en distinto

porcentaje.

MANUAL DE PRACTICAS


6. Despus de unos 20 min. cuando el caudal haya alcanzado un estado

estacionario, ponga las llaves de tres vas del mdulo en circulacin al reactor.

7. Cuando la clula de conductividad marque un valor constante (se ha

estabilizado el proceso) anote el resultado obtenido.

7.3.6.4 Resultados y tablas.

Con el valor obtenido en la prctica 3 y haciendo los clculos que

figuran en el apartado 7.2.5.1, calcule la concentracin de NaOH a la salida del

reactor.

Calculo del factor de conversin

Concentracin de NaOH en el flujo del reactor:

A la entrada: BA

ATA0A QQ

CQC

+= (la presente en el depsito de reactivo)

A la salida: BA

AsAAi QQ

CQC

+=

Conversin a la salida:

Ai

0AAi

CCC

X

=

Comente los resultados obtenidos, comparndolos con los obtenidos en la

prctica 2.

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7.3.7 Prctica 4. Dependencia en el tiempo de residencia

7.3.7.1 Objetivo

Determinar la conversin respecto al tiempo de residencia.


Los elementos necesarios para la realizacin de esta prctica son:

Equipo QRFT

Equipo analtico de la prctica 1








desea trabajar (p.ejem. 30C), que debe mantener durante toda la prctica.


recirculacin.

5. Seleccione un caudal inicial en el rango bajo de las bombas, de forma

que Q1 CNaOH= Q2 CEtOAc.

MANUAL DE PRACTICAS






8. Detenga las bombas y marque en ellas un valor distinto de caudal.

Repita la medida para diferentes valores de QA y QB. (B

AAB C

CxQQ = )

Anote los valores obtenidos en la tabla siguiente.


Conc. En los depsitos

(mol/l)Caudal (l/s) Caudal total (l/s) =V/Q (s) CA X medida X1

X

calculado

CNaOH CAcOEt QNaOH QAcOEt Q=Q1+Q2

Tabla 3.9.1. Valores obtenidos en la prctica 6. Nota: QQC

C NaOHNaOHA

= .

Para hallar el volumen recuerde que la longitud del reactor es de 14.7 m y

su dimetro interno es de 6mm.

Represente frente a X (mnimo cuatro puntos, para un buen ajuste).

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Qu representa el valor X1

X

?

Figura 3.9.1.

Comente el grfico obtenido.

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7.3.8 Prctica 5. Determinacin del orden de reaccin

7.3.8.1 Objetivo

Determinacin del orden de reaccin y la constante de velocidad.


Equipo QRFT

Equipo analtico de la prctica 1








desea trabajar (p.ejem. 30C), que debe mantener durante toda la prctica.


recirculacin.




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8. Detenga las bombas y marque en ellas un valor distinto de caudal.

1. Repita la medida para diferentes valores de QNaOH y QEtOAc.

(B

AAB C

CxQQ = )Procure realizar mas de 4 experiencias, para poder hacer un anlisis

suficientemente bueno de los resultados.


Conc. en los

depsitos (mol/l)Caudal (l/s) Caudal total (l/s) =V/Q (s) CA

CNaOH CAcOEt QNaOH QAcOEt Q=Q1+Q2

Tabla 3.10.1. Valores obtenidos. Nota: QQC

C NaOHNaOHA

=

Represente frente a LnCA y frente a 1/CA.

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Tenga en cuenta, que si la reaccin es de orden 1 la representacin de

frente a Ln CA dar una lnea recta, mientras que si la reaccin es de orden 2 es la

representacin de frente a 1/CA la que ser una lnea recta.

De la pendiente del grfico apropiado, determine k

Nota: Si est en segundos y CA en mol/l, k tendr unidades de

litros/mols

Figura 3.10.1

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Figura 3.10.2


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7.3.9 Prctica 6. Dependencia de la constante de velocidad y la conversin con

la temperatura

7.3.9.1 Objetivos

Estudio de la dependencia de la constante de velocidad y la conversin con

la temperatura.


Equipo QRFT








desea trabajar de inicio, por ejemlo 25C.


recirculacin.



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8. Detenga el proceso, ponga las llaves de tres vas del mdulo de servicio

en recirculacin.

9. Marque como punto de consigna en el control de temperatura diferentes

temperaturas de 30, 35, 45, y 55C y realice el experimento.


CaudalesT reactor K(C+273) QNaOH QEtOAc

=V/Q(s) CA Cavilan X

=

0

111

AA CCk

Tabla 3.11.1. Valores obtenidos en el desarrollo de la prctica.

Represente 1/T frente al log k. Calcule el factor de frecuencia y la energa

de activacin.

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Figura 3.11.1.


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7.3.10 Cuadro resumen de los resultados obtenidos

Reaccin ajustada

Temperatura k A Ea Ecuacin de velocidad

Tabla 3.12.1. Valores caractersticos de la reaccin de hidrlisis bsica del acetato de etilo.

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7.4 ANNEXOS

7.4.1 Anexo I. Sistema de medida de la conductividad: conductmetro

En la parte frontal del mdulo base el equipo tiene un conductmetro que

recive la seal de la clula de conductividad, intalada en el reactor, y que enva a la

interface una seal de salida de 4-20 mA

La clula de conductividad, con una constante de clula de 0.1 cm-1, ha

sido calibrada mediante una disolucin patrn, suministrada con el equipo.

Utilizando el conductmetro podemos modificar los parmetros de medida

de la clula.

Pantalla

El conductmetro tiene una pantalla autonumrica, que se autoexplica. A

continuacin, como ejemplo, se describe una pantalla de medida:

Teclas

Figura 4.1.1. Pantalla de captura de datos

Enter:

Avance horizontal a travs del diagrama.

Confirmacin de los valores numricos

Escape:

Avance horizontal hacia atrs en el diagrama

MANUAL DE PRACTICAS


Retroceso vertical

Borrado de valores numricos

? ? :

Modificacin de valores numricos

Desplazamiento del cursor a travs de la pantalla

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7.4.2 Anexo II. Vaciado completo del equipo

El vaciado completo del equipo ha de realizarse cuando vaya a pasar cierto

tiempo sin utilizarse. En el caso de que este periodo de tiempo sea superior a 2 das,

ha de ir acompaado de una limpieza completa, como se explica en el apartado

siguiente.

a) Provase de recipientes del tamao y la resistencia qumica adecuada.

b) Utilice guantes y gafas de proteccin, adems de ropa adecuada (una

bata).

7.4.2.1 Vaciado de la camisa del reactor y del bao termosttico.

(1) Compruebe que la temperatura del agua de termostatizacin est

suficientemente baja.

(2) Coloque un recipiente a la salida de la llave de descarga de la camisa

del reactor (esta llave est colocada bajo el perfil delantero, manjela con cuidado).

(3) Coloque un recipiente de al menos 1l a la salida de la llave de purga.

(4) Abra la llave de purga.

(5) Abra la llave de descarga e la camisa. El agua del bao termosttico ir

rellenando la camisa del reactor, por lo que hasta que ste no se vace no se apreciar

bajada en el nivel de la camisa del reactor.

(6) Una vez se haya vaciado completamente, cierre las llaves de descarga y

de purga.

(7) Recoja los posibles restos de agua en la cubeta del bao termosttico y

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sobre las superficies del equipo.

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