Thermokinetic study of the zero, first and second order reactions in a pseudo-adiabatic calorimeter: Numerical approach and experimental data

Estudio termocinético de las reacciones de orden cero, uno y dos en un calorímetro pseudo-adiabático: Aproximación numérica y datos experimentales

La señal producida por un calorímetro pseudo-adiabático es simulada por la solución numérica de las ecuaciones diferenciales que modelan la cinética química [1], las propiedades térmicas de la célula calorimétrica[2], y la respuesta del termistor utilizado como sensor termométrico [3]. Estas ecuaciones muestran que la señal colorimétrica está relacionada con la concentración de una manera compleja. Por lo tanto, se realizó una comparación entre las señales de las tres reacciones cinéticas básicas (cero, primer y segundo orden), como primer paso para obtener un procedimiento estándar para seguir la cinética química utilizando un calorímetro. Para ayudar a comprender esta relación, se aplicó el método de la tasa inicial a los datos simulados para evaluar la relación entre el orden y las constantes cinéticas calculadas con las utilizadas para las simulaciones. Como era de esperar, el método de la tasa inicial para los datos calorimétricos no da una pendiente directamente relacionada con el orden de la reacción, como se produciría, por ejemplo, en los datos de un espectrofotómetro. Sin embargo, se encontró una relación lineal entre lo que llamamos "orden calorimétrico" y el orden cinético. Finalmente, el procedimiento desarrollado se aplicó al estudio de la descomposición del H₂O₂ catalizado con Fe3+ en fase homogénea y con carbón activado en fase heterogénea, encontrando el orden y las constantes cinéticas de los procesos globales, que estaban en estrecha concordancia con los de la literatura.

INTRODUCCIÓN

La calorimetría de soluciones se utiliza para obtener información termodinámica sobre los procesos químicos (1, 2, 3). Está claro que la información cinética está dentro de los datos calorimétricos, pero no es tan fácil (o al menos no tan común), obtener esa información (4, 5). Este trabajo presenta un enfoque para obtener información cinética a partir de los datos calorimétricos. En un trabajo anterior (6), se caracterizó un calorímetro pseudoadiabático de fabricación casera, y los valores de los parámetros obtenidos en ese estudio se utilizaron, en este trabajo, para producir señales simuladas de los tres procesos cinéticos básicos: cero, primer y segundo orden. Los datos simulados fueron tratados mediante el conocido método cinético de tasas iniciales para obtener el orden y las constantes cinéticas de los procesos (7). De este modo, pudimos comparar los valores exactos de las constantes cinéticas utilizadas para las simulaciones, con los obtenidos tras la aplicación del método de tasas iniciales. Después de la comparación, fue posible construir una relación lineal entre el orden cinético de la reacción y lo que llamamos el "orden calorimétrico" de la reacción encontrado por el método de la tasa inicial aplicar directamente a los datos calorimétricos. Este procedimiento se utilizó con los datos experimentales calorimétricos obtenidos durante la descomposición del H₂O₂ catalizada con Fe³⁺ en fase homogénea y con carbón activado en fase heterogénea.