1.-
INTRODUCCIÓN
En esta práctica de laboratorio se van a estudiar los
factores que influyen en que una reacción sea más rápida o más lenta. Para
ello, emplearemos una reacción de sustitución nucleófila: la del cloruro de
terbutilo, para obtener alcohol tercbutílico, algo de isobutileno y ácido
clorhídrico.
Como este ácido se disocia completamente, estudiaremos la
cinética midiendo el tiempo que tardamos en neutralizar NaOH.
2.-
MATERIALES
Los instrumentos de laboratorio que hemos empleado han sido
los siguientes:
- Pipetas graduadas.
- Vasos de precipitados.
- Agitador magnético.
- Baño termostatizado.
- Cronómetro.
- Termómetro.
- Matraces erlenmeyer.
Y estos han sido los reactivos empleados:
·
Etanol.
·
Acetona.
·
Cloruro
de terc-butilo en acetona.
·
Cloruro
de isopropilo en acetona.
·
Cloruro
de terc-butilo en etanol.
·
Hidróxido
de sodio.
·
Fenolftaleína,
como indicador.
3.-
FUNDAMENTO TEÓRICO
La Cinética Química
es la rama de la Química que se encargar de estudiar los factores que influyen
en la velocidad de una reacción. Es una ciencia puramente empírica, por lo que
estudio por lo que la rapidez de cada reacción se ha determinado
experimentalmente.
La velocidad de una
reacción está formada por la rapidez a la que se descompone la molécula
original y la que tarda en descomponerse la molécula final. Al comienzo de la
reacción, la concentración de reactivos es alta y la velocidad suele ser mayor,
ya que al ir disminuyendo ésta, también lo hace la velocidad.
Los principales
factores que afectan a la velocidad de una reacción son:
· Temperatura: la velocidad de una reacción suele
aumentar ocn la temperatura, ya que ésta hace que aumente la energía cinética
de las moléculas, lo que hace que choquen con más frecuencia. Se suele cumplir
que la rapidez se duplique cada diez grados centígrados.
· Catalizadores: son sustancias que modifican el
mecanismo de reacción para acelerar el proceso.
· Concentración de los Reactivos: la velocidad de la
reacción es proporcional a la concentración de los reactivos ya que cuanto más
concentrados están, mayor frecuencia de colisión tienen. Es más, recordemos que
la velocidad de una reacción viene dada por la expresión:
·
Estado de los Reactivos: la velocidad será
mayor si el área de contacto de las sustancias es mayor. En estos casos es
importante la difusividad del reactivo y su solubilidad.
·
Presión: a mayor presión, mayor velocidad, ya
que la presión aumenta la energía cinética de las moléculas.
Una sustitución
nucleófila es una reacción de sustitución en la que un nucleófilo reemplaza un
sustituyente electrófilo, llamado grupo saliente.
Se suelen
representar siguiendo la siguiente reacción general
Nu: + R-L → R-Nu + L:
El nucleófilo (Nu) al
grupo que sale (L), que se lleva el par de electrones, y se une al sustrato(R).
En nuestro caso, el reactivo nucleófilo es el OH- del agua, la R el C4H9+,
L es Cl- , y podemos escribirlo como:
H2O + C4H9Cl → C4H9OH
+ HCl
Dentro de las
reacciones nucleófilas, distinguimos dos mecanismos: SN1 y SN2.
El mecanismo SN1
transcurre en dos etapas: en la primera sale el el grupo saliente (L) y se
forman un carbocatión intermedio; y en la final el nucleófilo (Nu:) se une al
carbocatión (R). suele tener lugar cuando el átomo de carbono está rodeado de
sustituyentes voluminosos.
El mecanismo SN2 está favorecido cuando
la posición del átomo del carbono electrófilo es accesible fácilmente para el
nucleófilo. La reacción tiene lugar en un solo paso, sin formación del
intermedio.
El Cloruro de
Terc-Butilo es un líquido orgánico incoloro. Es muy soluble en agua, inflamable
y volátil. Su principal uso es el de empezar reacciones de sustitución
nucleófilas para producir diferentes sustancias.
4.-
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Antes de comenzar la
práctica tenemos que preparar las dos disoluciones que mayoritariamente vamos a
utilizar en los diferentes pasos a realizar en esta práctica.
Tenemos que preparar
una disolución de hidróxido sódico 0,1 M normalizada en un erlenmeyer de 100mL.
Y otra disolución con 45mL. de cloruro de terc-butilo 0,1 M en acetona en otro
erlenmeyer de 100mL. que se mantendrá tapado mientras no se use.
La práctica va a
dividirse en varias etapas:
A) Procedimiento experimental.
Determinación del tiempo de reacción para un 20 % de conversión.
Por un lado se cogen
3ml de la disolución de cloruro de terc-butilo en un vaso de 25ml. En otro
vaso, se cogen 0,6ml de NaOH y se añaden 6,4ml de agua destilada. Se añade
fenolftaleina y se mezclan ambas disoluciones midiendo el tiempo de reacción.
Este va a ser el tiempo durante el cual la solución cambia de color de rosa a
incoloro.
Se repite este
proceso dos veces y se anotan los resultados.
B) Influencia de la concentración de
cloruro de terc-butilo sobre la velocidad de reacción.
En este apartado
vamos a trabajar igual que en el apartado anterior, pero añadiendo 10 ml de una
solución al 30% de acetona al vaso de la disolución de NaOH.
Realizarlo dos veces
y anotar los resultados del tiempo medido.
C) Influencia de la temperatura sobre la
velocidad de reacción.
En esta parte vamos
a medir, por un lado el tiempo a una temperatura menor que la del ambiente y
por otro, el tiempo a una temperatura mayor que la del ambiente.
Para ello se prepara
un baño de agua fría y se meten los dos vasos de 25 ml preparados igual que en
el apartado A. Antes de mezclarlos, hay que comprobar que la temperatura de
éstos es 10 grados menor que la ambiente.
Después se realiza
lo mismo pero en un baño con agua caliente. Mezclaremos los dos vasos cuando
hayan alcanzado una temperatura 10 grados por encima de la temperatura
ambiente.
Se anotan los dos
tiempos de reacción a ambas temperaturas.
D) Influencia de la concentración de
disolvente sobre la actividad de la reacción.
Tomamos en un vaso
de 25ml, 2ml de la solución de 0,1 M de terc-butilo en acetona. Y en otro,
0,4ml de NaOH 0,1 M y 7,6ml de agua destilada y fenolftaleina como indicador.
Se realiza el experimento como en el primer apartado, repitiéndolo dos veces.
Se hace otro ensayo
pero esta vez tomando 4ml de la solución de terc-butilo y en otro vaso 0,8ml de
la NaOH mas 5,2ml de agua destilada mas el indicador. Se mezclan ambos vasos y
se anota el tiempo de reacción, repitiéndolo dos veces.
E) Influencia del tipo de disolvente
sobre la velocidad de reacción.
En este apartado
vamos a utilizar cloruro de terc-butilo en etanol al 30% en vez de terc-butilo
en acetona.
La experiencia a
realizar va a ser la misma que en el apartado A, solo que utilizando otro
disolvente. Se repite dos veces y se anota el tiempo de reacción de ambos.
F) Influencia de la estructura en la
velocidad de hidrólisis de un cloruro de alquilo.
Vamos a realizar la
misma experiencia que en el apartado A solo que utilizando una solución 0,1 M
de cloruro de isopropilo en acetona al 30% en vez de la de cloruro de
terc-butilo que utilizábamos antes.
Hacemos la mezcla y
agitamos durante 5 minutos esperando el viraje. Si éste no se produjera,
calentaríamos la mezcla.
G) Determinación de la constante de
velocidad de la reacción de hidrólisis.
Una vez que hemos
realizado todas las experiencias, pasamos a calcular la constante especifica de
velocidad de la experiencia A, basándonos en la ecuación de la velocidad para
una reacción de orden uno:
Ln C=lnC0-kt
Siendo C la
concentración final, C0 la concentración inicial, k la constante que queremos
calcular y t la media del tiempo que hemos obtenido en esa experiencia.
5.-
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Los
resultados obtenidos en esta práctica los vamos a recoger todos en una misma
tabla para posteriormente poder calcular la constante específica de velocidad.
|
Proceso
|
Ensayo
|
Sistema
disolvente
|
Temperatura(oC)
|
Tiempo (s)
|
Media
tiempo(s)
|
A |
1
|
70% agua y 30%
acetona
|
24
|
66
|
70
|
|
2
|
74
|
||||
|
B
|
1
|
70% agua y 30%
acetona
|
24
|
62
|
64
|
|
2
|
66
|
||||
|
C
|
1
|
70% agua y 30%
acetona
|
14
|
193
|
-
|
|
2
|
34
|
17
|
|||
|
D
|
1
|
80% agua y 20%
acetona
|
24
|
24
|
23
|
|
2
|
21
|
||||
|
1
|
60% agua y 40%
acetona
|
316
|
298,5
|
||
|
2
|
281
|
||||
|
E
|
1
|
70% agua y 30%
acetona
|
24
|
42
|
43
|
|
2
|
48
|
||||
|
F
|
1
|
70% agua y 30%
acetona
|
24
|
NO VIRA
|
|
|
2
|
|||||
En el apartado G nos piden calcular la constante
específica de velocidad. Mediante la expresión:
Ln C=ln C0-kt
Operando, obtenemos:
Ln C/C0= -kt, siendo C=0’8C0 (ya que la
reacción es a un 20% de conversión) y t=70 segundos por lo que el valor de k
es:
K=3,18 x 10-3
6.-
CUESTIONES
1.- Explicar el método
seguido para el estudio cinético de la reacción de sustitución nucleófila del
cloruro de tercbutilo.
Una reacción de
sustitución nucleófila se suelen representar siguiendo la siguiente reacción
general
Nu: + R-L → R-Nu + L:
El nucleófilo (Nu) al
grupo que sale (L), que se lleva el par de electrones, y se une al sustrato(R).
En nuestro caso, el reactivo nucleófilo es el OH- del agua, la R el C4H9+,
L es Cl- , y podemos escribirlo como:
H2O + C4H9Cl → C4H9OH
+ HCl
El grupo cloro del
cloruro de t-butilo sale de la molécula y se une a un H+ del agua
para formar ácido clorhídrico. El catión que se une al grupo OH- del
agua y se forma el alcohol.
2.- ¿Se ha producido
alguna variación en el tiempo de reacción medido cuando la concentración de
tercbutilo se reduce a la mitad? Justificar el resultado obtenido.
No, porque la medida original (A) de la muestra de tercbutilo
tardó 70s en reaccionar, mientras que la muestra menos concentrada (B) tardó
64s. una diferencia de tan sólo 6s no resulta especialmente reveladora a la
hora de hablar de variación de tiempo, porque es una diferencia poco acusada.
Esto es así porque, aunque la concentración de cloruro se
haya reducido a la mitad, la concentración de NaOH sigue siendo la misma y la
neutralización tiene que terminarse.
3.- A) ¿Cómo afecta una
disminución o un aumento de la temperatura a la velocidad de reacción? Razonar
la respuesta en base a los resultados obtenido. B) En esta reacción se obtienen
mezcla de dos productos, ¿Cómo podría la temperatura favorecer la obtención
mayoritaria de uno de ellos? Razonar la respuesta.
A) Un aumento de la temperatura aumenta la velocidad
de la reacción, con independencia de que ésta sea exotérmica o endotérmica. La
explicación está en el hecho de que, al aumentar la temperatura, aumenta el
número de moléculas con una energía igual o mayor que la energía de activación,
con lo que aumenta el número de choques efectivos. La velocidad de la reacción
se duplica por cada 10ºC de aumento de temperatura. Un ejemplo claro lo tenemos
en las reacciones de degradación de los alimentos; para que el proceso sea más
lento guardamos los alimentos a baja temperatura.
B) Empleando
entalpias de enlace tenemos que la variación de entalpía de ambas reacciones
son:
|
Alcohol
|
|
-8kJ/mol
|
|
Isobutileno
|
|
-586 kJ/mol
|
Aplicando el Principio de LeChatelier, al aumentar la temperatura la
segunda reacción tenderá a no llevarse a cabo para reducir ese aumento de la
temperatura.
4.- A partir de los
resultados obtenidos en los apartados D y E, explicar razonadamente cómo
influye la concentración de disolvente, así como el tipo de disolvente, sobre
la velocidad de reacción de sustitución nucleófila del cloruro de tercbutilo.
El apartado D se divide en dos partes. En la primera de ellas, el medio
disolvente es de 80% agua y 20 % acetona y el tiempo es de 23 segundos. En la
segunda el medio es 60% agua y 40% acetona y el tiempo es de 298,5 segundos.
Por lo que podemos observar claramente como en la primera parte la
velocidad de la reacción es mayor ya que el tiempo es mucho mas pequeño. Esto
se debe a que en la primera, la concentración de disolvente es mayor y tarda
menos tiempo en reaccionar con la misma cantidad de soluto.
En el apartado E hemos obtenido que el tiempo de reacción es menor cuando
el cloruro de terc-butilo esta disuelto en etanol que cuando esta disuelto que
acetona. Se produce un efecto del solvente por el cuál en la reacción de
sustitución nucleófila se forma un intermediario inestable acelerando la
reacción. En este caso actúa el etanol como solvente nucleófilo.
5.- Los resultados
obtenidos en el apartado F, ¿coinciden con los obtenidos en el apartado A?
explicar razonadamente las diferencias o coincidencias observadas.
Los resultados obtenidos en al apartado F no coinciden con los obtenidos
en el apartado A, ya que en el apartado F, la mezcla no llega a virar, no se
produce el cambio de color de rosa a incoloro, o el tiempo en que lo hace es
demasiado grande. Esto es debido a que en el apartado F hemos utilizado otro
disolvente en lugar del cloruro de terc-butilo.
En el apartado F utilizamos cloruro de isopropilo que es un halogenuro
secundario. Las sustancias secundarias actúan con una cinética intermedia, ni
de primer ni de segundo orden. Y en el apartado A se produce una sustitución
nucleófila con una cinética de primer orden, de ahí que no coincidan los
resultados.
7.-
BIBLIOGRAFíA
http://en.wikipedia.org/wiki/Tert-Butyl_chloride
http://es.wikipedia.org/wiki/Sustitución_nucleófila
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