yodacion fotoquimica del ciclohexeno

Universidad de Santiago de Chile

Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Qumica

Laboratorio Principios de Procesos Qumicos II

Yodacin fotoqumica del

ciclohexeno.

Integrantes:

Valentina Cantilln

Andrs Cerda

Carol Daz

Ignacio Gallardo

Matas Maldavsky

Diego Ocampo

Profesor: Javier Recio.

Fecha Entrega: 10/05/2013.

Introduccin:

El equilibrio qumico es aquel estado en que las concentraciones de reactantes y productos no

tienen cambios en el tiempo. Tambin diremos que este equilibrio es la consecuencia de la

reversibilidad de una reaccin qumica, donde notamos que las cantidades relativas de dos o ms

sustancias permanecen constantes, por consiguiente la concentracin de los participantes no

cambia.

La estequiometria de la reaccin que estudiaremos en este laboratorio es la siguiente:

Dicho de otra forma:

( )

: Ciclohexano

: Diyodocilohexano

Para una reaccin reversible de la forma:

Donde A y B son los reactantes, C y D son los productos, a y b, y c y d son los coeficientes

estequiomtricos en la ecuacin qumica balanceada. La constante de equilibrio (Keq) que se

define como el valor que relaciona las concentraciones de las especies reactantes y las especies

de productos cuando se produce el equilibrio. Su forma:

El valor de nos seala en qu sentido se desplaza la reaccin, si es favorable hacia los

reactantes o hacia los productos. Dicho de otra forma, expresa la tendencia de los reactivos a

convertirse en productos y viceversa. Decimos entonces que:

Si decimos que el equilibrio se desplaza hacia la derecha. Es favorable hacia los

productos.

Si decimos que el equilibrio se desplaza hacia la izquierda. Es favorable hacia los

reactantes.

La constante de equilibrio est relacionada con la Energa libre de Gibbs, que es una variable de

estado extensiva. La cual nos ayuda para establecer la espontaneidad o equilibrio de un sistema (a

presin y temperatura constante). De esta forma sabremos qu cambios termodinmicos sern

espontneos y cuales necesitarn aporte energtico.

La definimos:

La expresin vlida para cualquier equilibrio la definimos como:

La relacin de la constante de equilibrio y la temperatura est dad por:

Con R= 1,987 (

) y T (K).

Si el proceso se llevar cabo de forma espontnea, o sea ser exotrmico.

Si el sistema est en equilibrio.

Si el proceso se llevar a cabo en sentido opuesto. Es un proceso endotrmico.

La Entalpa de reaccin es una constante que muestra la variacin de energa de la reaccin.

Representa la energa intercambiada en forma de calor con el medio cuando se produce una

reaccin a presin constante. Su expresin:

Por otra parte, la Entropa es la variable que define la parte de energa que no se puede utilizar en

la reaccin para producir trabajo. Describe lo irreversible de los sistemas termodinmicos.

En una reaccin inducida por luz o fotoqumica, la luz acta generando radicales libres en las

molculas, como HO o CH. Estas reacciones tienen un papel importante en la formacin de

contaminantes secundarios a partir de gases producidas por combustin y actividades humanas

como los hidrocarburos. Las fotorreacciones se producen fcilmente siempre que haya absorcin

de luz, porque sta lleva a la molcula a un estado excitado que contiene ms energa que el

estado fundamental. Al suceder esto, la molcula excitada es ms reactiva. Destacamos que la

ventaja de la fotoqumica es que entrega rapidez a la reaccin qumica.

La halogenacin consiste en adicionar uno o varios tomos de elementos del grupo de los

halgenos a una molcula orgnica. El diyodo es una molcula poco soluble en agua y que al

aumentar el tamao del halgeno, disminuye la reactividad del mismo, por esto el yodo tiene baja

reactividad.

Utilizaremos la baja reactividad del yodo y el concepto de fotoqumica para aumentar la energa

de activacin, dicho de otra forma, la energa necesaria para que ocurra la reaccin, la yodacin

fotoqumica del ciclohexano.

Tomando en cuenta todas las definiciones anteriores, en este prctico determinaremos la

influencia de la temperatura en la reaccin y la constante de equilibrio.

Aparatos y Materiales:

9 matraces aforados de 10 ml

Papel de aluminio

Foco con ampolletas

Espectrofotmetro UV visible (=524 nm.)

2 pipetas

2 propipeta

Gotario

3 vasos precipitado

Reactivos y peligrosidad:

Yodo diatmico:

La inhalacin de estos vapores irrita severamente las vas respiratorias. Los sntomas pueden

incluir sensacin de quemazn en los tejidos mucosos, la trquea y los pulmones. Exposiciones

elevadas pueden conducir a enfermedades en los pulmones y edema pulmonar.

El ingesta de este qumico puede causar quemaduras severas de la boca, garganta y estmago.

Puede producir dolor abdominal, fiebre, vmito, estupor y estado de shock.

En contacto con la piel puede causar irritacin, dolor y quemaduras.

En contacto con los ojos puede causar quemaduras y dao severo. El yodo es lacrimgeno.

Ciclohexeno:

Es altamente inflamable y las mezclas de este vapor con aire son explosivas. Al inhalarse puede

producir mucha tos, en la piel puede produce irritacin (enrojecimiento). En contacto con los ojos

produce irritacin y a la ingesta de este produce somnolencia, dificultad respiratoria y nauseas.

Ciclohexano:

Es altamente inflamable y las mezclas de este vapor con aire son explosivas. Al ser inhalado

produce vrtigo, dolor de cabeza y nauseas. Al contacto con la piel produce irritacin

(enrojecimiento), al contacto con los ojos produce enrojecimiento. La ingesta produce dao

pulmonar.

Procedimiento:

Cada grupo prepar 3 matraces con 2 soluciones en distintas proporciones, como indica la tabla.

stas deben completar un volumen de 10 mL, por lo que se completaron con Ciclohexano. Luego

se procede a proteger de la luz a cada matraz, envolviendo los matraces con papel aluminio para

que no se active la reaccin.

Con la ayuda del espectrofotmetro se midieron las absorbancias iniciales para cada muestra.

Cada grupo somete las reacciones a un bao a distinta temperatura y una luz intensa proveniente

de una ampolleta durante 10 minutos. Luego de esto se mide su absorbancia de nuevo en un

espectrofotmetro- UV (524 nm). Se repite este proceso hasta encontrar que la absorbancia no

vare ms de 0,1.

Finalmente, mediante una curva de calibracin, obtenemos la constante de equilibrio y los

parmetros termodinmicos de la reaccin.

Matraz [I2]x103 (M) [C=H](M)

Solucin I (mL)

Solucin II (mL)

Ciclohexano (mL)

1 2,5 0,5 2 2,5 0,1 3 1 0,1

Resultados:

Usando C1V1=C2V2, completamos la tabla para conocer los volmenes para preparar las soluciones

pedidas, quedando de la siguiente forma:

Matraz [I2]x103 (M) [C=H](M)

Solucin I (mL)

Solucin II (mL)

Ciclohexano (mL)

1 2,5 0,5 5 5 0

2 2,5 0,1 5 1 4

3 1 0,1 2 1 7

Ejemplo de clculo:

-mL de Solucin I necesarios para preparar la solucin del matraz 1:

-Concentracin inicial de I2 (C1) = 5 x103 (M)

-Concentracin requerida de I2 (C2) = 2,5 x103 (M)

-Volumen total de la muestra a preparar (V2)= 10 (mL)

Con lo cual la incgnita es V1, entonces

5 x103 x V1 = 2,5 x103 x 10 => V1= 5 (mL)

Para calcular los mL de solucin II usamos un procedimiento anlogo, pero con C1= 1 (M).

Los mL de Ciclohexano a agregar se obtienen por diferencia con el volumen total

requerido.

Tabla y Grfica Tiempo v/s Absorbancias obtenidas a 3(C)

Absorbancia a 3 (C)

Tiempo (min) Matraz 1 Matraz 2 Matraz 3

0 2,56 2,644 1,111

10 1,311 1,481 0,764

20 0,384 0,674 0,395

30 0,16 0,284 0,178

40 0,092 0,188 0,108

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50

Ab

sorb

anci

a

Tiempo (min)

Tiempo v/s Absorbancias (3(C))

Matraz 1

Matraz 2

Matraz 3

Tabla y Grfica Tiempo v/s Absorbancias obtenidas a 24(C) (Temperatura ambiente)

Absorbancia a 24 (C)


0 2,427 2,57 1,087

10 0,366 0,61 0,303

20 0,181 0,588 0,269

30 0,179 0,611 0,274

40 0,179 0,522 0,27

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50

Ab

sorb

anci

as

Tiempo (min)


Matraz 1

Matraz 2

Matraz 3

Tabla y Grfica Tiempo v/s Absorbancias obtenidas a 35(C)

Absorbancia a 35 (C)


0 2,477 2,578 1,079

10 0,824 1,256 0,592

20 0,44 0,704 0,32

30 0,306 0,667 0,271

40 0,244 0,663 0,27

Sabiendo que

[DI]eq=[I2]0 - [I2]eq,

[C=H] eq=[C=H] 0 - [DI]eq

sabemos que necesitamos las concentraciones de I2 en el equilibrio [I2]eq para obtener las dems

concentraciones en tal estado y as calcular las constantes de equilibrio. Para hacerlo, utilizamos

una curva de calibracin obtenida de la teora, para un =524 (nm):

(M)x10-4 1.67 5.01 6.68 8.35 10.02 11.69 13.36 15.03 16.70

Absorbancia 0.140 0.437 0.609 0.760 0.931 1.086 1.228 1.379 1.520

La tabla sirve como una referencia para obtener las concentraciones de yodo en los matraces por

medio de interpolacin, usando el ltimo dato de cada columna de las tablas Tiempo-Absorbancia.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50

Ab

sorb

anci

a

Tiempo (min)


Matraz 1

Matraz 2

Matraz 3

La ecuacin para interpolar se puede escribir de esta forma:

Donde y = Concentracin molar ((M)x10-4) y x = absorbancia. El resultado yx corresponde a la

concentracin de yodo a la absorbancia medida. Lo subndices denotan qu dato de la tabla se

est usando.

Ejemplo de clculo de [I2]eq para el matraz 2 del estudio de absorbancias a 3(C).

La ecuacin de la interpolacin queda:

( )

Recordando que las concentraciones de la tabla de calibracin son (M)x10-4), entonces la

concentracin de yodo en el matraz 2 a 5(C) es 2,2098 x 10-4 (M). Se realiz el procedimiento

anlogo para cada matraz y se obtuvieron las siguientes concentraciones de yodo:

3(C):

[I2]eq x 10-4 (M) (Matraz 1) [I2]eq x 10

-4 (M) (Matraz 2) [I2]eq x 10

-4 (M) (Matraz 3)

1,1302 2,2098 1,31013

24(C):


-4 (M) (Matraz 2) [I2]eq x 10-4 (M) (Matraz 3)

2,10859 5,83529 3,13195

35(C):


-4 (M) (Matraz 2) [I2]eq x 10-4 (M) (Matraz 3)

2,83956 7,27722 3,13195

Utilizando las siguientes ecuaciones para obtener las concentraciones restantes:

[DI]eq=[I2]0 - [I2]eq,

[C=H] eq=[C=H] 0 - [DI]eq

[I2]0=2,5 x 10-3 (M) para matraces 1



[C=H] 0= 0,5 (M) para matraces 1



Ejemplo de clculo de [DI]eq para el matraz 1 a 3(C):

[DI]eq=2,5 x 10-3 - 1,1302 x 10-4= 2,38698 x 10-3

Ejemplo de clculo de [C=H] eq para el matraz 1 a 3(C):

[C=H] eq=2,5 x 10-3-2,38698 x 10-3=1,1302 x 10-4

Ordenando:

[DI]eq

3(C):

[DI]eq Matraz 1

[DI]eq Matraz 2

[DI]eq Matraz 3

2,387E-03 2,279E-03 8,690E-04

24(C):

[DI]eq Matraz 1

[DI]eq Matraz 2

[DI]eq Matraz 3

2,289E-03 1,916E-03 6,868E-04

35(C):

[DI]eq Matraz 1

[DI]eq Matraz 2

[DI]eq Matraz 3

2,216E-03 1,772E-03 6,868E-04

[C=H]eq

3(C):

[C=H]eq Matraz 1

[C=H]eq Matraz 2

[C=H]eq Matraz 3

4,976E-01 9,772E-02 9,913E-02

24(C):

[C=H]eq Matraz 1

[C=H]eq Matraz 2

[C=H]eq Matraz 3

4,977E-01 9,808E-02 9,931E-02

35(C):

[C=H]eq Matraz 1

[C=H]eq Matraz 2

[C=H]eq Matraz 3

4,978E-01 9,823E-02 9,931E-02

Calculando las constantes de equilibrio Keq para cada caso por medio de la ecuacin presentada en

la introduccin:

3(C):

Matraz 1 Matraz 2 Matraz 3

Keq 4,2503E+01 1,0553E+02 6,6918E+01

24(C):


Keq 2,1812E+01 3,3478E+01 2,2081E+01

35(C):


Keq 1,5677E+01 2,4789E+01 2,2081E+01

Determinando por medio del grfico lnK vs 1/T (con R=1,987 cal/molK)

-Para matraces 1:

1/T lnK

0,00362122 3,7496

0,0033653 3,0825

0,00324517 2,7522

=> (cal/mol)

-Para matraces 2:

1/T lnk

0,00362122 4,659

0,0033653 3,5109

0,00324517 3,2104

=> (cal/mol)

y = 2645,2x - 5,8267 R = 0,9998

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,0032 0,0033 0,0034 0,0035 0,0036 0,0037

LnK

1/T

1/T vs lnK

Series1

Lineal (Series1)

y = 3951,7x - 9,6842 R = 0,9856

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0,0032 0,0033 0,0034 0,0035 0,0036 0,0037

lnK

1/T

1/T vs lnK

Series1

Lineal (Series1)

-Para matraces 3:

1/T lnk

0,00362122 4,2035

0,0033653 3,0947

0,00324517 3,0947

=> (cal/mol)

Calculando usando

Ejemplo de clculo para el matraz 1 a 3(C):

(cal/mol)

Calculando para todos los matraces a las distintas temperaturas:

3(C)


G (cal/mol) -2057,44 -2556,44 -2306,50

y = 3165,9x - 7,3331 R = 0,9022

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0,0032 0,0033 0,0034 0,0035 0,0036 0,0037

lnK

1/T

1/T vs lnK

Series1

Lineal (Series1)

24(C)


G(cal/mol) -1820,02 -2072,97 -1827,23

35(C)


G(cal/mol) -1685,16 -1965,71 -1894,87

Calculando por medio de

Ejemplo de clculo para el matraz 1 a 3(C):

=> = -15,8913

Calculando para todos los matraces a las distintas temperaturas:

3(C)


S (cal/K) -15,8913 -19,1715 -14,421

24(C)


S(cal/K) -15,5673 -19,4436 -15,0147

35(C)


S(cal/K) -15,4492 -19,0976 -14,2593

Discusin (Preguntas de la gua)

Cul es la relacin entre la ley de accin de masas y la constante de equilibrio? La ley de accin de masas fue determinada por los noruegos Guldberg y Waage, la cual dice lo siguiente: Para una reaccin reversible en equilibrio qumico a una temperatura dada se cumple que el producto de las concentraciones de los productos elevadas a los coeficientes estequiomtricos dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos elevadas a sus coeficientes estequiomtricos es una constante. Dicha constante se denomina constante de equilibrio, por lo tanto la ley de accin de masas es la

generalizacin de la constante de equilibrio (Kc), es decir, la ley que justifica el comportamiento de

las concentraciones de reactantes y productos resumidas en una constante a una determinada

temperatura.

La constante de equilibrio se resume en la ecuacin

, sea A y B los reactantes, C y D los productos, es decir, si la concentracin de reactantes

disminuye la concentracin de productos crece con el objeto de cumplir con la ley de accin de

masa, entonces los valores de las concentraciones varan dependiendo de la constante de

equilibrio a una determinada temperatura.

Qu relacin existe entre la energa libre de Gibbs y la constante de equilibrio? La Energa libre de Gibbs esta descrita por la siguiente frmula:

G = H TS La formula es factible si un sistema fluye hacia el equilibrio a constante temperatura y presin. G es la variacin en energa libre, H es la variacin de entalpa, T es la temperatura en Kelvin y S es la variacin de entropa del sistema. La constante de equilibrio nos indica en qu sentido se desplaza la reaccin. Expresa la tendencia de los reactivos a convertirse en productos y viceversa. Est relacionada con la variacin de la energa de la reaccin que nos indica su espontaneidad. La variacin de Energa libre de Gibbs y la constante de equilibrio estn ntimamente ligadas entre s a travs de la siguiente ecuacin:

G= -RT

Cul es la consideracin fundamental en la deduccin de la ecuacin de Vant Hoff?

Que la presin debe ser constante y que, para integrar la siguiente expresin

Y obtener la ecuacin de Vant Hoff, debe ser necesariamente constante.

La ecuacin de Vant Hoff es la siguiente:

(

)

(

)

En la cual podemos ver que se relacionan constantes de equilibrio, temperatura, variacin de

entalpa y constante de gases.

Cmo evoluciona una reaccin exotrmica en condiciones de equilibrio cuando aumenta la temperatura? Cuando aumenta la temperatura de un sistema en donde acontece una reaccin exotrmica, el sistema evolucionara con el propsito de disminuir la temperatura para contrarrestar el efecto. Para tal propsito se debe consumir calor desplazndolo hacia los reactivos, esto quiere decir, favoreciendo el sentido de la reaccin que consuma calor, el sentido endotrmico, entonces la reaccin se desplaza hacia la formacin de reactivo aumentando la cantidad de estos y disminuir la cantidad de producto hasta alcanzar el equilibrio. Es posible determinar tericamente el valor de la entalpia de reaccin? La entalpa de una reaccin qumica o simplemente Entalpia de Reaccin es el calor intercambiado en el curso de la reaccin considerada, o, en un sentido ms general, es igual al cambio de calor del sistema cuando la reaccin ocurre a presin constante. En general, este calor de reaccin depende no slo de la naturaleza qumica de cada producto y cada reactivo, sino tambin de sus estados fsicos. Los Calores de Reaccin pueden determinarse por mediciones calorimtricas, en los casos en que stas pueden realizarse en forma rpida y completa. Tambin pueden calcularse a partir de datos de calores de formacin, que representa el calor de

reaccin cuando se forma un mol de compuesto a partir de los elementos que lo integran.

Conclusiones:

Como concluimos, equilibrio qumico se conocer como el estado de una reaccin donde no existe

cambio en las concentraciones de los productos y reactantes en el tiempo neto.

De la experiencia se pudo verificar como es que son principalmente la temperatura y la

concentracin las variables que afectan a la constante de equilibrio Kc, siendo que si se aumenta la

concentracin en los reactantes, la constante tender a disminuir; por el contrario si la

concentracin de los productos crece, aumentar la constante de equilibrio.

En este caso, se dedujo que la reaccin era exotrmica (H< 0), por tanto, la temperatura afecta

de manera que si se eleva la temperatura agregando calor al sistema, el sistema reacciona en el

sentido de disminuir el calor agregado y el equilibrio se desplaza hacia la izquierda aumentando la

concentracin de los reactantes. Por el contrario, si extraemos calor disminuyendo la temperatura,

la reaccin se desplaza hacia la derecha, aumentndose la concentracin de los productos,

recuperando parte del calor eliminado.

De acuerdo con todos los valores de G, los cuales son negativos, podemos deducir y concluir que

el proceso se llev a cabo de manera espontnea, lo cual adems corrobora la deduccin de que

estamos en presencia de un proceso exotrmico.

yodacion fotoquimica del ciclohexeno

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