CINÉTICA DA HIDRÓLISE DO ACETATO DE ETILA EM MEIO ALCALINO EM UM REATOR TANQUE AGITADO DESCONTÍNUO

Embasamento teórico

Introdução

Uma das substâncias mais utilizada é o acetato de etila (AcOEt). De fórmula molecular C4H8O2, o AcOEt é um solvente orgânico oxigenado utilizado, por exemplo, em técnicas analíticas como a Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE), em laboratórios de síntese orgânica como reagente e na extração e purificação de produtos orgânicos, sendo de grande importância na indústria química devido suas diversas aplicações.

O AcOEt é um éster líquido à temperatura ambiente, incolor, volátil, com odor característico de frutas, de polaridade moderada e não higroscópico, não sendo instável na presença de bases fortes e ácidos aquosos7.

Uma das práticas mais comum de utilização desse acetato é a hidrólise, pois por esse método a obtenção de outros compostos pode ser atingida. A hidrólise é um termo aplicado à reações orgânicas e inorgânicas em que água efetua uma dupla troca com outro composto, como ilustrado a seguir, para o exemplo da reação da substância XY com a água.

XY + H2O → HY + XOH

Na química orgânica, hidrólise inclui, entre outras reações, a saponificação de ácidos graxos e outros ésteres, inversão de açúcares e quebra de proteínas (hidrólise enzimáticas), quando combinada com outros compostos, como as hidrólises básica e ácida, sendo essa exposta na Figura 1 abaixo.

Figura 1: Reação de saponificação com a hidrólise básica.

Fonte: MENDONÇA, 2013.

Para todas as reações supracitadas, o estudo do comportamento cinético se torna muito importante, principalmente para análise da conversão do reagente em produto. Ao estudar a cinética de uma reação, observa-se que quando não há uma correspondência direta entre a estequiometria e a taxa tem-se as reações não elementares, em sendo a reação é dita elementar. A cinética de reação, neste caso, não é representada simplesmente por uma única etapa, mas envolve uma série de etapas intermediárias do processo.

O exemplo clássico de uma reação não elementar é a reação entre o hidrogênio e o bromo:

H2 + B2 → 2HBr

Que tem a seguinte expressão de taxa dada pela Equação 1.

r_HBr=(k_1 [H_2 ][〖〖Br〗_2]〗^(1⁄2))/(k_2+([HBr])⁄([〖Br〗_2])) Equação 1

Segundo Levenspiel (2000), as reações não elementares são explicadas assumindo que aquilo que observamos como sendo uma reação única, é na realidade o efeito global de uma sequência de reações elementares. A razão para se observar somente uma reação, e não duas ou mais reações elementares, é que a quantidade de intermediários formados é muito pequena, não sendo detectada.

Para determinar a Lei de velocidade (Equação de taxa) que rege essas reações (e as elementares) elas precisam ser testadas frente a dados experimentais, podendo ser encontrada através de métodos cinéticos.

Os métodos cinéticos consistem em maneiras de análise e correlações de dados cinéticos, tendo em vista a identificação da lei de velocidade de uma dada reação química. Sendo assim, trata-se de procedimentos para testar equações de taxa contra dados experimentais.

Duas técnicas de aquisição de dados são apresentadas: medições de concentração-tempo em um reator em batelada e medições de concentração em um reator em diferencial. Sete diferentes métodos de análise dos dados coletados são empregados: o método diferencial, o método integral, o método de tempo de meia-vida, o método de tempo de vida fracionário, o método das velocidades iniciais, o método de regressão linear e o método de regressão não linear (análise dos mínimos quadrados), conforme Fogler (2012).

Os métodos diferenciais e integrais são utilizados principalmente na análise de dados de reator em batelada. Esse tipo de reator é descontínuo com agitação mecânica e é usado para operação em pequena escala para testar novos processos que não tenham sido desenvolvidos completamente, e para processos que sejam difíceis de converter em operações contínuas, sendo utilizado para o caso em estudo.

Métodos para análise dos dados cinéticos

Para determinação dos parâmetros cinéticos em um reator batelada, considera-se que a reação é conduzida de forma isotérmica a volume constante e que é registrada a variação da concentração com o tempo, como, por exemplo, na reação de decomposição:

A→Produtos

Supondo que a lei de reação para o consumo do reagente A é expressa pela Equação 2, a seguir.

〖-r〗_A= k〖C_A〗^α Equação 2

Onde,

α - ordem da reação;

k - constante de velocidade da reação.

Pela combinação do balanço molar com a lei de velocidade, tem-se a Equação 3.

-〖dC〗_A/dt=kC_A^α Equação 3

A partir dessa relação e com aplicação de métodos, os parâmetros cinéticos podem ser definidos, sendo alguns desses métodos ilustrados a seguir.

Método Integral

Para determinar os parâmetros cinéticos pelo método integral, inicialmente supõe-se uma ordem α e integra-se a equação diferencial utilizada para modelar o sistema em batelada. Se a suposta ordem de reação for correta, o gráfico correspondente aos dados de concentração-tempo será linear, em não sendo, o método é repetido, mas agora uma nova ordem é definida.

Esse procedimento é realizado até uma relação linear ser obtida. Portanto, o método integral usa um procedimento de tentativa e erro para a busca da ordem de reação.

Na Tabela 1, as equações resultantes das integrações nos casos em que a ordem é zero, um, dois e α são exibidas.

Tabela 1: Equações utilizadas para encontrar os parâmetros cinéticos para o método integral.

Ordem Taxa de Reação

0 C_A=C_A0-kt

1 ln(C_A0/C_A )=kt

2 1/C_A