Investigacion y Diseno de un Proceso Quimico

ÍNDICE

1. Objetivo del análisis.


2. Fundamento teórico de la práctica.


3. Materiales utilizados.

4. Procedimiento experimental.
4.1.- Reacciones que tienen lugar a lo largo del proceso de
isomerización.
4.2.- Metodología.
5. Resultados.


6. Conclusiones.


7. Bibliografía.











1.- Objetivo del análisis.

Determinación de los parámetros que influyen en el rendimiento de la
reacción de isomerización de ácido maleico a ácido fumárico y elección de
las condiciones de reacción óptimas para dicho proceso.


2.- Fundamento teórico.

La isomería cis-trans (o isomería geométrica) es un tipo de
estereoisometría de los alquenos y ciclo alcanos. Se distingue entre el
isómero cis, en el que los sustituyentes están en el mismo lado del doble
enlace o en la misma cara del ciclo alcano, y el isómero trans, en el que
están en el lado opuesto del doble enlace o en caras opuestas del ciclo
alcano.

Las propiedades físicas del ácido maleico son muy diferentes a las
del ácido fumárico. El ácido maleico es una molécula menos estable que el
ácido fumárico. La diferencia en el calor de combustión es de 22,7 KJ/mol.
El ácido maleico es soluble en agua, mientras que el ácido fumárico no lo
es. El punto de fusión del ácido maleico está entre 131-139°C, también es
mucho menor que la del ácido fumárico que es de 287°C. Ambas propiedades
del ácido maleico puede explicarse en razón de la vinculación del hidrógeno
intermolecular que tiene lugar a expensas de las interacciones moleculares.

El ácido maleico y el ácido fumárico normalmente no se pueden
interconvertir porque la rotación alrededor de un doble enlace carbono-
carbono no es energéticamente favorable. En el laboratorio, la conversión
del isómero cis en el isómero trans es posible mediante la aplicación de la
luz y una pequeña cantidad de bromo. Convierte la luz bromo elemental en un
bromo radical, que ataca a los alquenos en una reacción de adición de
radicales a un bromo-alcano radical, y ahora la rotación de enlace simple
es posible. Los radicales se recombinan y el ácido fumárico se forma. En
otro método el ácido maleico se transforma en ácido fumárico, a través del
proceso de calentamiento de la solución de ácido maleico en ácido
clorhídrico. Además la reacción es reversible y lleva a la rotación libre
alrededor del enlace (C-C) central y la formación de ácido fumárico, el más
estable y menos soluble.

En la presente práctica se estudia la reacción de isomerización de
ácido maleico a ácido fumárico con el fin de determinar, mediante un diseño
de experimentos, las condiciones óptimas de reacción. La reacción es
catalizada por la tiourea, (ver Figura1). En dicha figura, se representa la
configuración espacial de los dos isómeros geométricos del ácido 2-
butendioíco, los ya mencionados, ácidos maleico y fumárico. La fórmula 
molecular para ambos sería C4H4O4.




Como se ha descrito anteriormente, estas dos estructuras confieren
diferentes propiedades a los dos compuestos. Estas diferentes propiedades
permitirán conocer la evolución de la reacción, ya que debido a su
insolubilidad, la mayor parte del fumárico formado precipita.

Conocidas las concentraciones iniciales de los reactivos se calculará
la cantidad de producto formado (fumárico) y del reactivo sin reaccionar
(maleico) con el fin de calcular el rendimiento de la reacción. La cantidad
de ácido fumárico producido se calcula por dos métodos distintos.

El primer método consiste en una gravimetría. Mediante centrifugación
y decantación se separa el ácido fumárico precipitado de la mezcla final.
Por diferencia de pesada se conoce la cantidad de fumárico formado.

Por otro lado, se valora con NaOH la disolución decantada. Conociendo
los equivalentes de ácido maleico antes de la reacción y valorando los
equivalentes finales, se obtiene por diferencia el ácido fumárico formado.



3-. Materiales.

Para la preparación de las disoluciones y el análisis de las muestras
se dispone del siguiente material:

- Balanza analítica.
- Espátula.
- Centrífuga.
- Probetas, vasos de precipitado, matraces Erlenmeyer.
- Varillas de vidrio.
- Pipetas 2-50ml.
- Bureta.
- Embudo.
- Tubos de centrífuga.
- Placa calefactora.
- Estufa.
- Papel de filtro.
- Termómetro.
- Baño con hielo.

Los reactivos utilizados son los siguientes:

- Disolución madre de ácido maleico (50g/250ml).
- Disolución de NaOH 0.1N.
- Disolución de tiourea (25g/250ml).
- Fenolftaleína.


4.- Procedimiento experimental.
4.1.- Reacciones que tienen lugar a lo largo del proceso de isomerización
así como en el ensayo de caracterización realizado.
Partiendo del anhídrido maleico (más comercial), se observa que
ocurre primero una hidrólisis al protonarse un oxígeno y entrar una
molécula de agua en el carbono del grupo carboxilo, lo que da lugar al
ácido correspondiente (ácido maleico (cis)).

Posteriormente, el ácido maleico se protona, lo que provoca un
corrimiento de electrones desde el doble enlace, provocando la formación de
uno simple, que gira inmediatamente, debido a la repulsión entre los grupos
carboxilo, adquiriendo ahora la forma trans, más estable (ácido fumárico).

A continuación se detallan gráficamente las reacciones que tienen
lugar durante el proceso:



Hidrólisis del anhídrido maleico y obtención del ácido correspondiente










Transposición del isómero cis- al isómero trans-






Caracterización con NaOH






4.2.- Metodología.
Se deben marcar y tarar los tubos de centrífuga.

Posteriormente, se preparan los tubos según la tabla siguiente (Tabla
1), realizando los ensayos a las temperaturas marcadas. El volumen total de
todos ellos, será de 50ml.

"TEST "Ácido "Tiourea "Agua (ml) "T (ºC) "Tiempo de "
" "maleico "(ml) " " "reacción "
" "(ml) " " " "(min) "
"1 "25 "5 "20 "20 "15 "
"2 "25 "10 "15 "20 "15 "
"3 "25 "15 "10 "20 "15 "
"4 "25 "5 "20 "20 "30 "
"5 "25 "10 "15 "20 "30 "
"6 "25 "15 "10 "20 "30 "
"7 "25 "5 "20 "50 "15 "
"8 "25 "10 "15 "50 "15 "
"9 "25 "15 "10 "50 "15 "
"10 "25 "5 "20 "50 "30 "
"11 "25 "10 "15 "50 "30 "
"12 "25 "15 "10 "50 "30 "
"13 "12.5 "5 "32.5 "50 "15 "
"14 "12.5 "10 "27.5 "50 "15 "
"15 "12.5 "15 "22.5 "50 "15 "
"16 "12.5 "5 "32.5 "50 "30 "
"17 "12.5 "10 "27.5 "50 "30 "
"18 "12.5 "15 "22.5 "50 "30 "
"19 "25 "5 "32.5 "100 "15 "
"20 "25 "10 "27.5 "100 "15 "
"21 "25 "15 "22.5 "100 "15 "
"22 "25 "5 "32.5 "100 "30 "
"23 "25 "10 "27.5 "100 "30 "
"24 "25 "15 "22.5 "100 "30 "
"25 "12.5 "5 "32.5 "100 "15 "
"26 "12.5 "10 "27.5 "100 "15 "
"27 "12.5 "15 "22.5 "100 "15 "
"28 "12.5 "5 "32.5 "100 "30 "
"29 "12.5 "10 "27.5 "100 "30 "
"30 "12.5 "15 "22.5 "100 "30 "

Tabla 1. Esquema preparación de los tubos.


Pasado el tiempo de reacción, se deben enfriar los tubos en un baño
con hielo, para detener la reacción. Se debe observar la aparición o no de
precipitado (ácido fumárico).

Todos aquellos tubos en los que se observe aparición de precipitado,
se deben centrifugar a 3000rpm durante 5 minutos.

El decantado obtenido (ácido fumárico), se debe separar de la parte
líquida. Ésta se valorará con NaOH. El sólido obtenido se filtra, se seca
en estufa, se enfría y se pesa.

Por último se calculan las conversiones obtenidas transcurrida la
reacción.
A continuación se representa el diagrama de flujo del proceso.



























Diagrama de flujo del proceso


5.- Resultados experimentales.
A continuación se presenta una tabla (Tabla 2) donde se recogen los
resultados obtenidos tras las reacciones de isomerización.
El estudio se basa en las valoraciones ácido base de alícuotas del
líquido obtenido que no ha precipitado.
De dichas muestras se obtienen los g/l de ácido maleico que no han
sido isomerizados a ácido fumárico (precipitado).



Con los datos obtenidos, se procede a calcular la conversión obtenida
(Xácido maleico) tras cada experimento.



Siendo [ácido maleico]0 = 200g/l.











"TEST "¿Precipit"Volumen muestra "Vi NaOH "N NaOH "Ácido maleico "Xácido "
" "a? "(ml) "(ml) " "(g/l) "maleico "
"1 "SÍ "5 "60,7 "0,0983 "69,2150 "0,65 "
"8 "SÍ "2 "8,3 "0,0979 "23,5645 "0,88 "
"9 "SÍ "2 "5,05 "0,0979 "14,3375 "0,93 "
"10 "SÍ "2 "11,15 "0,0979 "31,6560 "0,84 "
"11 "SÍ "2 "6,2 "0,0979 "17,6024 "0,91 "
"12 "SÍ "2 "4,5 "0,0979 "12,7760 "0,94 "
"13 "SÍ "5 "3,9 "0,0955 "4,3204 "0,98 "
"20 "SÍ "5 "11 "0,0977 "12,4665 "0,94 "
"21 "SÍ "5 "9,3 "0,0977 "10,5399 "0,95 "
"22 "SÍ "5 "11,5 "0,0977 "13,0332 "0,93 "
"23 "SÍ "5 "8,2 "0,0977 "9,2932 "0,95 "
"24 "SÍ "5 "8,7 "0,0977 "9,8599 "0,95 "
"25 "SÍ "5 "8,6 "0,0986 "9,8363 "
"13 "12.5 "5 "32.5 "50 "15 "
"14 "12.5 "10 "27.5 "50 "15 "
"16 "12.5 "5 "32.5 "50 "30 "
"17 "12.5 "10 "27.5 "50 "30 "
"18 "12.5 "15 "22.5 "50 "30 "


"TEST "Volumen "Vi NaOH (ml) "N NaOH "Ácido maleico "Xácido "
" "muestra (ml) " " "(g/l) "maleico "
"13 "5 "3,9 "0,0955 "4,3204 "0,98 "
"14 "5 "4 "0,0955 "4,4312 "0,98 "
"16 "5 "3,9 "0,0955 "4,3204 "0,98 "
"17 "5 "3,8 "0,0955 "4,2096 "0,98 "
"18 "5 "4,3 "0,0955 "4,7635 "0,98 "


Un estudio de los resultados, refleja que los parámetros más
influyentes en el proceso de isomerización son la temperatura (se consigue
la mayor conversión a 50ºC, disminuyendo a temperaturas más bajas y altas)
y el volumen de ácido maleico añadido (se obtienen mayores conversiones con
el mínimo volumen de reactivo (12,5ml)). El volumen de catalizador añadido
no influye alterando la conversión hacia valores mayores, así como el
tiempo de reacción tampoco lo hace.

Por tanto, y según los resultados experimentales obtenidos en esta
práctica, los valores de las variables que optimizarían el rendimiento de
fumárico son:


Mínimo volumen de ácido maleico (12,5ml).
Mínimo volumen de tiourea (5ml) ( Al no influir en el proceso, el
factor predominante sería el económino.
Temperatura de 50ºC.
No hay influencia del tiempo de reacción ( Se elige el menor (15 min)
debido a factores económicos.

Teniendo en cuenta todas las variables que optimizarían el proceso,
el experimento elegido como óptimo, sería el número 13:

"TEST "Ácido maleico "Tiourea (ml) "Agua (ml)"T (ºC) "Tiempo de "
" "(ml) " " " "reacción "
" " " " " "(min) "
"13 "12.5 "5 "32.5 "50 "15 "

"TEST "Volumen "Vi NaOH (ml) "N NaOH "Ácido maleico "Xácido "
" "muestra (ml) " " "(g/l) "maleico "
"13 "5 "3,9 "0,0955 "4,3204 "0,98 "




7. Bibliografía.



http://books.google.es/books?id=xiqTfEO1a2gC&pg=PA181&lpg=PA181&dq
=isomerizacion+acido+maleico&source=bl&ots=iHm1I2KR1v&sig=WmXlljO
yGB6iRHTn1gq_2nlnUyQ&hl=es&sa=X&ei=_YhNVKfGLs_baO_YgrAB&ved=0CDQQ
6AEwAg#v=onepage&q=isomerizacion%20acido%20maleico&f=false

http://quimicahidrocarburos.wordpress.com/2013/10/16/transformacio
n-de-acido-maleico-a-acido-fumarico/

http://www.google.es/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=
rja&uact=8&ved=0CCMQFjAA&url=http%3A%2F%2Forganica1.org%2F1311%2F
1311_11.pdf&ei=_YhNVKfGLs_baO_YgrAB&usg=AFQjCNFElqnz5oMPbSD6dlDK2
ivCkiWkTQ&sig2=cMKq6nx0SpfZdjphCelyIg&bvm=bv.77880786,d.d2s




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Gurutze Ortega Moreno
Irati García
Maite Lartitegui

Sólido

Reacción a las temperaturas marcadas

Centrigufado (3000rpm, 5 minutos)


Líquido

¿Obtención de precipitado?

Filtración, secado y pesaje

Valoración ácido- base con NaOH (0.1N)

Fin de reacción

Cálculo de conversiones

Baño frío (0ºC)

SÍ

NO

Valoración ácido- base con NaOH (0.1N)


Tiourea

Marcado y tarado de los tubos

Llenado de los tubos
según Tabla1