Estudio de cinética química bajo condiciones de flujo forzado mediante RMN

Abstract

La cinética química es la rama de la química que estudia la velocidad a la que ocurren las reacciones. Los conceptos de esta área son utilizados en otras ramas, en particular en electroquímica, que estudia la conversión de energía eléctrica en energía química y viceversa. En la actualidad existen numerosas aplicaciones tecnológicas cuyo funcionamiento se basa en reacciones electroquímicas, entre ellas, el almacenamiento de energía en baterías. Para lograr una mejor calidad en este tipo de dispositivos es necesario, no solo el desarrollo de nuevos materiales, sino también técnicas analíticas que permitan la comprensión de los procesos químicos subyacentes durante la operación del dispositivo. Una disposición experimental muy utilizada en electroquímica, cuando se trabaja con electrolitos líquidos, es la de Electrodo de Disco Rotatorio (RDE). La rotación del electrodo se produce mediante un vástago de material inerte sumergido en el electrolito, forzando un flujo en el mismo que favorece a la reacción. La resonancia magnética nuclear se destaca por brindar información espectros- cópica de los procesos químicos. Recientemente se presentaron trabajos en los que se utiliza la técnica de imágenes por resonancia magnética (IRM), que brinda in- formación espacialmente codificada de la composición química en distindas regio- nes; como así también mapas de velocidades que reflejan los patrones de flujo en la muestra líquida. El principal obstáculo para la realización de esto es que la pre- sencia de electrodos metálicos produce distorsiones en las imágenes denominadas artefactos. En el presente trabajo se demuestra la posibilidad de monitorear la reacción quí- mica de cementación de cationes cobre (Cu 2+ ) por zinc (Zn) mediante el tiempo de relajación T 1 bajo condiciones de flujo forzado en una celda con electrodo rotatorio. Como primer paso se caracteriza la reacción estudiando el tiempo de relajación en función de la concentración de Cu 2+ . Se demuestra que el electrodo en la dispo- sición RDE no produce artefactos en las IRM. Luego se caracterizaron los patrones de flujo para dos velocidades de rotación del vástago. Finalmente se montirea la reacción con electrodo rotatorio a diferentes veloci- dades de rotación. Se demuestra que la cinética de la reacción es de primer orden, es decir, que la velocidad de reacción depende linealmente de la concentración de reactantes. Este estudio permite encontrar una velocidad de rotación óptima.