Colaborativo Unidad 3. Fisicoquimica

Unidad 3

POR

Angela Patricia Cabrera

1.061.710.163

Jonathan Suárez Montoya

1.130.634.766

FISICOQUÍMICA - 201604

GRUPO 16

PRESENTADO A

MARTHA CECILIA VINASCO GUZMÁN

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA

20 NOVIEMBRE DE 2014

INTRODUCCIÓN

La fisicoquímica es una disciplina científica cuyo objetivo es el estudio de los procesos químicos desde un punto de vista físico. La fisicoquímica reúne los datos necesarios para la definición de las propiedades y características de los gases, líquidos, sólidos, soluciones, y dispersiones coloidales a fin de sistematizarlos y darles un fundamento teórico. También establece las relaciones de energía en las transformaciones físicas y trata de predecir en que magnitud y con qué velocidad se producen.

Para realizar este propósito la fisicoquímica utiliza enfoques microscópicos y macroscópicos, estableciendo leyes, modelos y postulados que permiten explicar y predecir los fenómenos estudiados, de hecho, esta ciencia es un campo donde la física y la matemática se aplican ampliamente en el estudio y la resolución de problemas relacionados con los procesos químicos de interés. Pero, además, se apoya ampliamente en la experimentación, cuyas técnicas y métodos juegan un papel tan determinante como las leyes y métodos matemáticos.

OBJETIVOS

Plantear los conocimientos adquiridos en el curso de fisicoquímica.

Dinamizar el equipo de trabajo mediante aportes al trabajo colaborativo.

Comprender las temáticas principales de la cinética química y desarrollar los ejercicios planteados.

Organizar ideas en grupo colaborativo y conceptualizar términos claves en el proceso de aprendizaje.

DIAGRAMAS DE FLUJO

Angela Cabrera

DIAGRAMA DE FLUJO ABSORCION DEL CARBON ACTIVADO

DIAGRAMA DE FLUJO DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE OPERACIÓN DEL CARBON ACTIVO

PROBLEMAS

ECUACIÓN DE ARRHENIUS

Para la reacción

A → B + C

Donde,

K1 = 0.0003 S-1 a T1 = 20 °C

K2 = 0.0002 S-1 a T1 = 35 °C

Calcular la energía de activación en el rango de temperatura indicada

Calcular la constante de velocidad a 50°C

Solución del problema 1.

Utilizando la ecuación de Arrhenius, , se hace k1 igual a la constante de velocidad para T1; y K2 igual a la constante de velocidad para T2. De esta manera se obtiene:

y .

Dividiendo la primera por la segunda, se obtiene:

.

La cual se puede expresar de la siguiente manera:

En donde se aprecia que la única variable desconocida es . Para despejarla se toma el logaritmo natural en ambos lados de la igualdad, con lo finalmente se obtiene:

En donde al sustituir se obtiene:

E_a=Ln[(0.0003 s^(-1))/(0.0002 s^(-1) )][(1.987 cal/Kmol)/(1/(35 °C)-1/(20 °C))]=

Ln [1.5 s^(-1) ][29.80 cal/Kmol°C ]= 12.08 cal/Kmol°C s^(-1)

Para hallar el factor de frecuencia despejamos , ya que es la única variable desconocida.

A=k_1/((-Eo)/e^RT1 )=k1 e^(E0/RT1) = 0,0003s^(-1)* e^((12.08 cal/Kmol°C s^(-1))/(1,987 cal/Kmol*20°C)=0,0048)

b) Haciendo uso nuevamente de la ecuación de Arrhenius, y reemplazando para T=50+273=323K, se obtiene

k_773k= 0,0048 s^(-1)* e^((12.08 cal/Kmol°C s^(-1))/(1.987 cal/Kmol *323K) =13x〖10〗^(-4) )

CATÁLISIS

El elemento A se descompone en B y C, según la ecuación:

2A B2 + 2C

Se calcularon las energías de activación en cal/mol, a T=37°C para la reacción con o sin catalizador,

Obteniéndose los siguientes valores:

Reacción E_a (cal/mol)

Sin catalizador 17000

Con catalizador de platino coloidal 11000

Con la enzima catalasa 2000

Calcular la relación entre las diferentes constantes de velocidad para la reacción catalizada y sin catalizar.

Solución problema 2.

Teniendo en cuenta que el factor pre exponencial permanece constante

K=A〖*e〗^(-E_a/RT)

Comparamos la relación entre la constante de velocidad para la reacción sin catalizar Ksc y la constante de velocidad para la reacción con catalizador de platino Kp y lograr diagramar dos ecuaciones así:

ksc=Asc*e^(-E_a0/RT) (1)

Kp=Ap*e^(-E_ac/RT) (2)

Considerando que los factores pre exponenciales son iguales (Ap=Asc), entonces la ecuación queda de la siguiente forma:

Kp/Ksc=(*e^(-E_ac/RT))/(*e^(-E_a0/RT) )

Kp/Ksc=e^(-E_ac/RT)+e^(-E_a0/RT)

Kp/Kps=e^(-((E_ac-E_a0)/RT) )

En la ecuación establecida el valor de R, será de 1,987207cal/mol k, porque la Ea esta expresada en cal/mol.

Kp/Kps=e^(-((11000-17000)/(1,987207*310)) )

Kp/Kps = 5,5533

Luego tomamos dato 1 de la tabla y el dato 3, evaluando relación entre la constante de velocidad para la reacción sin catalizador (Ksc) y la constante de velocidad para la reacción con la enzima catalasa 〖(K〗_c), aplico el mismo concepto anterior y obtenemos lo siguiente:

K_c/Ksc=e^(-((E_ac-E_a0)/RT) )

Luego reemplazamos valores:

K_c/Ksc=e^(-((2000-17000)/(1,987207*310)) )

K_c/Ksc=319,25

ORDEN DE REACCIÓN.

Para la reacción A+B→Productos, se han realizado 4 experiencias en las que se determinan las velocidades iniciales de reacción para diferentes concentraciones de reactivos. Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

Experiencia [A](mol/l) [B](mol/l) V_reacc (mol⁄(l*seg))

1 1.0 0.5 1.2*〖10〗^(-3)

2 2.0 1.0 9.6*〖10〗^(-3)

3 1.0 1.0 2.4*〖10〗^(-3)

4 2.0 0.5 4.8*〖10〗^(-3)

Indicar los órdenes parciales de reacción y el orden global.

Escriba la ecuación de velocidad.

En que unidades se medirá la constante de velocidad.

Cuanto valdría la velocidad de reacción si las concentraciones iniciales fueran 1.5 mol/lt para A y para B

Solución del problema 3:

Para encontrar los órdenes parciales vamos a utilizar la ecuación de velocidad general de reacción:

V=K*[A]^x*[B]^y

x=orden parcial para la concentracion de A

y=orden parcial para la concentracion de B

Luego planteamos dos ecuaciones con dos pares de datos de la tabla y las dividimos entre sí para encontrar uno de los órdenes de reacción parcial:

1.2*〖10〗^(-3)=K*[1.0]^x*[0.5]^y (1)

2.4*〖10〗^(-3)=K*[1.0]^x*[1.0]^y (3)

Luego dividimos la ecuación (3) entre la ecuación (1) así:

(2.4*〖10〗^(-3))/(1.2*〖10〗^(-3) )=(K*[1.0]^x*[1.0]^y)/(K*[1.0]^x*[0.5]^y )

2=2^y

Y = 1 orden parcial para el reactivo B

Finalmente, con los otros dos pares de datos planteamos las otras dos ecuaciones:

9.6*〖10〗^(-3)=K*[2.0]^x*[1.0]^y (2)

2.4*〖10〗^(-3)=K*[1.0]^x*[1.0]^y (3)

Ahora dividimos la ecuación (2) entre la ecuación (3) y obtenemos:

(9.6*〖10〗^(-3))/(2.4*〖10〗^(-3) )=(K*[2.0]^x*[1.0]^y)/(K*[1.0]^x*[1.0]^y )

4=2^x

x=2 orden parcial para el reactivo A

El orden global de la reacción será la suma de los órdenes parciales de la reacción para cada reactivo:

orden global de reaccion=x+y

orden global de reaccion=2+1

orden global de reaccion=3

Para encontrar la ecuación de velocidad partimos de la ecuación general:

V=K*[A]^x*[B]^y

Como ya conocemos los órdenes parciales de la reacción, ahora calculamos el valor de K, y para esto tomamos el primer conjunto de valores de la tabla de datos:

1.2*〖10〗^(-3)=K*[1.0]^x*[0.5]^y

1.2*〖10〗^(-3)=K*[1.0]^2*[0.5]^1

K=(1.2*〖10〗^(-3))/([1.0]^2*[0.5]^1 )

K=2.4*〖10〗^(-3)

Finalmente la ecuación de la velocidad de la reacción quedara:

V=2.4*〖10〗^(-3)*[A]^2*[B]^1

Para saber que unidades tiene la constante de velocidad hacemos el análisis dimensional de la ecuación de velocidad:

mol/(l*seg)=K*[mol/l]^2*[mol/l]^1

mol/(l*seg)=K*mol^3/l^3

K=(mol*l^3)/(l*seg*mol^3 )

K=l^2/(〖mol〗^2*seg)

Si las concentraciones iniciales fueran 1.5 mol/lt para A y para B, tendríamos la siguiente velocidad de reacción:

V=2.4*〖10〗^(-3)*[A]^2*[B]^1

V=2.4*〖10〗^(-3) l^2/(mol^2*seg)*[1.5 mol/l]^2*[1.5 mol/l]^1

V=8.1*〖10〗^(-3) mol/(l*seg)

ORDEN DE REACCIÓN

Para la reacción A → B, la ecuación de la velocidad es de la forma V = K [A]x

Utilizando los datos de la tabla, encontrar el orden de reacción con respecto a A y el orden total.

Número experiencia (M) Velocidad inicial (Mol/Lt.sg)

1 0,1 6*10-4

2 0,2 2,4*10-3

3 0,4 9,6*10-4

Como no se tienen las concentraciones de Bn, se asume que es constante.

Dividiendo la velocidad de la experiencia 1 entre la velocidad de la experiencia 2, tenemos:

V_1/V_2 = (K*[A]^m*[B]^n)/(K*[A]^m*[B]^n )

(6x〖10〗^(-4))/(2,4x〖10〗^(-3) )=(K*[0,1]^m*[0]^n)/(K*[0,2]^m*[0]^n )

0,25=[0,5]^n

Log⁡〖0,25=nLog 0,5〗

n= (Log 0,25)/(Log 0,5)=2

El orden de reacción m es igual a 2 y m es igual a 0

Ahora dividimos los datos de la experiencia 1 con la experiencia 3:

V_1/V_3 = (K*[A]^m*[B]^n)/(K*[A]^m*[B]^n )

(6x〖10〗^(-4))/(9,6 x 〖10〗^(-4) )=(K*[0,1]^m*[0]^n)/(K*[0,4]^m*[0]^n )

0,62=[0,25]^n

Log⁡〖0,62=nLog 0,25〗

n= (Log 0,62)/(Log 0,25)=0,34

El orden de reacción m es igual a 0,34 y m es igual a 0

Para calcular el orden total:

Orden total: 2 + 0,34 = 2,34.

CONCLUSIONES

Se muestra el comportamiento de cada uno de los conceptos con las ecuaciones que hacen parte de los ejercicios como también aspectos que involucran las reacciones químicas, y nos facilitan el comprender los cambios que ocurren en una reacción tomando como base la cinética química.

Logramos comprender los conceptos estudiados en la unidad 3 y los aplicamos en la resolución de los problemas propuestos.

Con el curso de Fisicoquímica logramos identificar algunos fenómenos de suma importancia en la ingeniería en alimentos.

Realizamos un trabajo en equipo asumiendo roles y consolidando los aportes de cada uno en un solo documento.

BIBLIOGRAFÍA

I.N. LEVINE, Fisicoquímica, 5ª Edición, McGraw-Hill, 2004.

T. ENGELS, P. REID, Química física, Pearson, 2006.

Modulo fisicoquímica UNAD

“Tema 6 velocidad de las reacciones químicas”. (s.f.). Recuperado el día 20 de noviembre de 2014 de, http://www.uv.es/tunon/Master_Ing_Bio/tema_6.pdf

[Universidad politécnica de Valencia-UPV]. Resolución problema cinética Arrhenius. © UPV. [Archivo de video]. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=-YEdQEBLyXY. El 20 de noviembre de 2014

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