Ter

v.
Termodinámica de la reacción
vi. Cinética de la reacción
 Mecanismo de la reacción
La reacción del tolueno con el oxígeno del aire produce agua y ácido benzoico
 Reacción neta
Figura 1 Representación de la reacción del tolueno y oxígeno molecular
Pero, la ecuación balanceada es:
C6H5CH3(l) + ½ O2(g)  C6H5COOH(l) + H2O(l)
 Mecanismo
(Morimoto & Ogata) propusieron el siguiente mecanismo de reacción
teniendo en cuenta un catalizador metálico de Cobalto III, sin embargo,
este catalizador podría ser también permanganato, bromuro u otro agente
oxidante.
 Radicalización
 Combinación
 Liberación de un grupo OH-
 Liberación de un grupo H+ y regeneración del catalizador
 Combinación
 Formación del ácido perbenzoico, que es un autocatalizador

 Regeneración del catalizador
 Desplazamiento
 Formación del ácido benzoico

A altas concentraciones del catalizador o, en caso de sólidos metálicos, en
caso de gran área superficial, el ácido perbenzoico se descompone
rápidamente.
 Datos experimentales
Figura : Porcentaje en masa de tolueno vs tiempo, a diferentes presiones parciales de

oxígeno; temperatura de reacción a 155°C, presión total 1.0 MPa, carga de catalizador de
200ppm (Pinghua Tan, 2010)
De la gráfica mostrada se recolectó los datos a la presión de 1.0 MPa.
Tabla : Datos experimentales extraídos de la Figura
Tiempo (min) x (fracción en masa)

0 0.9557
10 0.8952
20 0.8329
30 0.7844
40 0.7494
50 0.7181
60 0.6976
70 0.6776
Los datos de fracción másica de tolueno los convertimos a concentraciones, mediante las
siguientes expresiones:
𝜌𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = (1 − 𝑥𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 ) × 𝜌á𝑐𝑖𝑑𝑜 + 𝑥𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 × 𝜌𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜
𝑥𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 × 𝜌𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎
𝐶𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 =
𝑀𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜
De donde se obtiene:
Tabla : Datos de concentraciones de tolueno a diferentes tiempos
Tiempo (min) 𝑪𝒕𝒐𝒍𝒖𝒆𝒏𝒐 (𝒎𝒐𝒍⁄𝑳)

0 9.207
10 8.857
20 8.463
30 8.134
40 7.884
50 7.651
60 7.494
70 7.337
 Velocidad de reacción
Para hallar el orden y la constante cinética de la reacción haremos uso del método
integral:
De la reacción global:
C6H5CH3(l) + ½ O2(g)  C6H5COOH(l) + H2O(l)
A: C6H5CH3
B: O2
C: C6H5COOH
D: H2O
1
𝐴+ 𝐵 →𝐶+𝐷
2
De la ley de velocidad:
−𝑟𝐴 = 𝑘. 𝐶𝐴 𝛼 . 𝐶𝐵 𝛽
De la Figura se observa que a presiones de oxígeno mayores a 0.5 MPa, la

concentración del tolueno no varía mucho y se mantiene prácticamente
constante. Por lo cual a la presión de oxígeno de 1.0 MPa, se asume orden cero
para el oxígeno. (β = 0)
Con lo cual la expresión de la velocidad queda:
−𝑟𝐴 = 𝑘. 𝐶𝐴 𝛼
Asumiendo orden 1 respecto al tolueno (α = 1)
𝑑𝐶𝐴
− = 𝑘. 𝐶𝐴
𝑑𝑡
Integrando:
𝐶𝐴 𝑡
𝑑𝐶𝐴
∫ − = 𝑘 ∫ 𝑑𝑡
𝐶𝐴𝑜 𝐶𝐴 0
𝐶𝐴𝑜
𝐿𝑛 ( ) = 𝑘. 𝑡
𝐶𝐴
Transformando los datos para aplicar regresión lineal
Tabla : Datos obtenidos para aplicar regresión lineal, asumiendo orden 1
𝑪𝑨𝒐
Tiempo (min) 𝑳𝒏 ( )
𝑪𝑨
0 0
10 0.03876768
20 0.08420128
30 0.12389263
40 0.155139
50 0.18509879
60 0.2058277
70 0.22694802
0.3
0.25
y = 0.0033x + 0.0126
R² = 0.9815
0.2
Ln(CAo/CA)
0.15
0.1
0.05
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo (min)
Figura : Ajuste lineal asumiendo orden 1
Del ajuste lineal se obtuvo: y = 0.0033x + 0.0126 R2 = 0.9815

Asumiendo orden 2 respecto al tolueno (α = 2)
Integrando:
𝐶𝐴 𝑡
𝑑𝐶𝐴
∫ − = 𝑘 ∫ 𝑑𝑡
𝐶𝐴𝑜 𝐶𝐴 2 0
1 1
= + 𝑘𝑡
𝐶𝐴 𝐶𝐴𝑜
Transformando los datos para aplicar regresión lineal
Tabla : Datos obtenidos para aplicar regresión lineal, asumiendo orden 2
Tiempo (min) 𝟏/𝑪𝑨

0 0.10861564
10 0.1129091
20 0.11815728
30 0.12294142
40 0.12684354
50 0.13070125
60 0.13343882
70 0.13628706
0.16
0.14
0.12
0.1
y = 0.0004x + 0.1097
1/CA
R² = 0.9885
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo (min)
Figura : Ajuste lineal asumiendo orden 2
Del ajuste lineal se obtuvo: y = 0.0004x + 0.1097 R2 = 0.9885
Resumiendo los resultados obtenidos:
Tabla : Cuadro de resumen de resultados para determinar el orden de reacción
Orden Ecuación de ajuste lineal R2
1 y = 0.0033x + 0.0126 0.9815

2 y = 0.0004x + 0.1097 0.9885
A partir de la tabla mostrada, se pude concluir que a la reacción le corresponde orden 2;

pues el coeficiente de correlación es mejor que el obtenido con orden 1.
Por lo tanto la reacción es orden global 2, con constante de reacción k = 0.0004 L.mol-1.min-1
Cuya expresión de velocidad es:
−𝑟𝐴 = 0.0004𝐶𝐴 2

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vi. Cinética de la reacción

Figura 1 Representación de la reacción del tolueno y oxígeno molecular

Pero, la ecuación balanceada es:

C6H5CH3(l) + ½ O2(g)  C6H5COOH(l) + H2O(l)

 Liberación de un grupo H+ y regeneración del catalizador

 Formación del ácido perbenzoico, que es un autocatalizador

 Formación del ácido benzoico

Figura : Porcentaje en masa de tolueno vs tiempo, a diferentes presiones parciales de

Tabla : Datos experimentales extraídos de la Figura

Tiempo (min) x (fracción en masa)

𝜌𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = (1 − 𝑥𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 ) × 𝜌á𝑐𝑖𝑑𝑜 + 𝑥𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 × 𝜌𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜

Tabla : Datos de concentraciones de tolueno a diferentes tiempos

Tiempo (min) 𝑪𝒕𝒐𝒍𝒖𝒆𝒏𝒐 (𝒎𝒐𝒍⁄𝑳)

C6H5CH3(l) + ½ O2(g)  C6H5COOH(l) + H2O(l)

De la Figura se observa que a presiones de oxígeno mayores a 0.5 MPa, la

Con lo cual la expresión de la velocidad queda:

Asumiendo orden 1 respecto al tolueno (α = 1)

Tabla : Datos obtenidos para aplicar regresión lineal, asumiendo orden 1

Figura : Ajuste lineal asumiendo orden 1

Del ajuste lineal se obtuvo: y = 0.0033x + 0.0126 R2 = 0.9815

Transformando los datos para aplicar regresión lineal

Tabla : Datos obtenidos para aplicar regresión lineal, asumiendo orden 2

Tiempo (min) 𝟏/𝑪𝑨

Figura : Ajuste lineal asumiendo orden 2

Del ajuste lineal se obtuvo: y = 0.0004x + 0.1097 R2 = 0.9885

Resumiendo los resultados obtenidos:

Tabla : Cuadro de resumen de resultados para determinar el orden de reacción

Orden Ecuación de ajuste lineal R2

1 y = 0.0033x + 0.0126 0.9815

A partir de la tabla mostrada, se pude concluir que a la reacción le corresponde orden 2;

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