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DEPARTAMENTO DE QUIMICA Y FARMACIA PROGRAMA FARMACIACINÉTICA DE UNA REACCIÓN: DETERMINACIÓN DE ORDEN DE REACCIÓN Y LEY DE VELOCIDAD Barrios Isaura Profesor: Atilano pastrana 10/02/ Laboratorio de fisicoquímicaResumen : en este informe de laboratorio estudiaremos la cinética química la cual es unárea...

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CINÉTICA DE UNA REACCIÓN: DETERMINACIÓN DE ORDEN DE REACCIÓN Y LEY DE VELOCIDAD Barrios Isaura Profesor: Atilano pastrana 10/02/2021 Laboratorio de fisicoquímica

Resumen: en este informe de laboratorio estudiaremos la cinética química la cual es un área que pertenece a la fisicoquímica y como bien sabemos esta es la encargada de estudiar la rapidez con la que ocurren las reacciones químicas y los mecanismos que tienen lugar en esta y las leyes que rigen estas velocidades. Mide los cambios de concentración en un tiempo determinado. Palabras claves: equilibrio, reacción, tiempo, cinética Abstract: In this laboratory report we will study chemical kinetics, which is an area that belongs to physicochemistry and, as we well know, this is responsible for studying the speed with which chemical reactions occur and the mechanisms that take place in it. Measures changes in concentration in a given time Keywords: equilibrium, reaction, time, kinetics INTRODUCCION Antes de 1900, el gran foco de la cinética en las reacciones químicas consistía en establecer leyes naturales acerca de la rapidez de estas. Existieron diferentes estudios desde hace más de 200 años, cuando Wenzel en 1771 notó que la disolución de zinc y cobre en ácido no era instantánea, sino que tomaba un tiempo finito de tiempo. Posteriormente en 1778, Priestley encontró que la cantidad de tiempo requerido para transformar el óxido de mercurio en mercurio elemental era dependiente la cantidad de oxigeno presente. Así se consideró que las primeras medidas sobre las velocidades de las reacciones químicas mostraban que existía un tiempo finito para que se llevaran a cabo, sin embargo, aún no se entendían bien estos fenómenos (Massel, 2001).

En una serie de artículos publicados entre 1860 y 1879, los científicos Hercourt y Essen mostraron que existía una relación entre la rapidez de las reacciones químicas y la concentración de los reactivos. Este período histórico es muy importante ya que químicos como Bernoulli, Joule, Kronig y particularmente Maxwell, permitieron a través de la teoría cinética de los gases determinar bases conceptuales para comprender diferentes fenómenos y poder estudiarlos con nuevas teorías, por ejemplo, la Teoría de las Probabilidades (Niaz, 2009). Durante los siguientes años, en1886 Van´t Hoff propuso la idea para mostrar que la rapidez de las reacciones era una función de la concentración en el reactor y de la temperatura. Arrhenius cuantificó el comportamiento sobre la temperatura en la rapidez de una reacción química y Menschutkin mostró que la rapidez también variaba con la estructura

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de las moléculas y la naturaleza de los disolventes (Massel, 2001).

Las primeras teorías de la rapidez de una reacción fueron propuestas entre 1889 y 1930. En 1889 Arrhenius escribió una famosa publicación –Estudios de dinámica química- donde propuso que las reacciones eran activadas porque sólo las moléculas “calientes” en realidad pueden reaccionar. Eso condujo a la idea que la rapidez de una reacción era determinada por la rapidez de colisión de las moléculas “calientes”. En 1918, Trautz y Lewis cuantificaron la idea mostrando que la rapidez de una reacción era igual a la rapidez de la colisión, por la probabilidad de que la colisión conduzca a la reacción. El modelo resultante se llamó Teoría de colisiones, el cual sigue vigente (Massel, 2001). Actualmente, la Cinética de las Reacciones Químicas se considera una rama de la Termodinámica, la cual investiga los estados intermedios (desequilibrios) de las transformaciones físico-químicas desde la variable tiempo, la cual es inherentemente dependiente del camino que siguen tales procesos. Así sobre la base del concepto de reversibilidad en el equilibrio químico, desde un enfoque macroscópico, es que parámetros como temperatura, presión, concentración, etc…toman una importancia significativa, los estudios se basan en estados de equilibrio y procesos reversibles desde un enfoque microscópico por lo que trabaja sobre parámetros como temperatura, presión, etc. La diferencia entre la Cinética y la Termodinámica, es que la primera estudia los procesos físicos y químicos tomando en cuenta la perspectiva temporal.

Tradicionalmente, la enseñanza de la Cinética de las Reacciones Química se enfoca sólo a la descripción de la velocidad de una reacción junto a los factores que la influyen y sus mecanismos de reacción, por lo que se considera principalmente el cambio químico desde los procesos irreversibles. Es decir, que en el contenido escolar poco se consideran los cambios químicos reversibles que conforman desequilibrios desde la perspectiva temporal. Este último enfoque enriquece la construcción de conocimiento escolar a través de contenidos problemáticos o como menciona Izquierdo (2008) la teoría de conocimientos escolares, dado a que considera el conocimiento científico como el resultado de una intervención experimental y cognitiva, lo cual hace imprescindible y necesario nuevas propuestas para la enseñanza de la química. A través del meta ciencias como la Naturaleza de la Ciencia (NOS) y la Historia y Filosofía de la Ciencia (HPS) han surgido estrategias metodológicas fundamentadas desde la Didáctica de la Ciencia a fin de enriquecer y problematizar la construcción del conocimiento científico escolar. La selección de determinados episodios históricos intencionalmente seleccionados, transpuestos y con valor para la educación científica, permite pensar sobre las ciencias (AdúrizBravo,2008) y sobre cómo se construyen y problematizan (Matthews, 1989), promoviendo Competencias de Pensamiento Científico en el estudiantado (Camacho y Quintanilla, 2008).

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Los aportes de estás meta ciencias, contribuye a que los y las estudiantes no aprendan sólo a resolver problemas, sino a reflexionar acerca de cómo lo hacen y por qué utilizan determinadas habilidades y destrezas y no otras. Así, la resolución de problemas, puede ser vista como una competencia del pensamiento científico (Quintanilla, 2006) imprescindible para los y las estudiantes de ciencias (Couso, 2008). La resolución de problemas vista como una competencia de pensamiento científico, puede considerarse desde los planos de análisis y desarrollo, a partir de los cuales el estudiante puede enfrentarse a la resolución de problemas escolares en diferentes niveles: a) el plano instrumental – operativo, b) el plano personal significativo y c) el plano relacional social (o cultural) (Labarrere y Quintanilla, 2002). 1. Marco teórico Hay reacciones rápidas que se suceden casi de inmediato y si desprenden gas y son exotérmicas, llegan a ser explosivas como sucede en la combinación del sodio con el agua Ecuación 1. 1 H2(g) 2 Otras reacciones son lentas se requieren un tiempo de horas, días, semanas y meses para llevar así la hidrolisis (rompimiento por el agua) del acetato de etilo, necesita de varios días para efectuarse a temperatura ambiente hasta llegar a un estado de equilibrio en el cual las concentraciones de productos y reaccionantes permanecen constantes H+ CH3COOC2H5+H2 Acetato de etilo Naa+H2O→NaOH+

Ecuación 2

CH3COOH+ C2H5OH Acido etanol acético ecuación 3. Velocidad de reacción: Es la variación de concentración de reactantes o productos por unidad de tiempo. Se expresa en términos del aumento en la concentración de productos ó la disminución en la concentración de reactantes por unidad de tiempo. Ecuación 4. Para la reacción: A→ B Velocidad: ● Δ[B] /Δ t ● - Δ[A] /Δ t El signo indica que la [A] disminuye con el tiempo.

La velocidad de una reacción se mide como la variación de la concentración de reactantes o productos conforme pasa el tiempo. La determinación de la velocidad de una reacción se puede hacer por medición de color, medición de presión de gases, cambios de temperatura o directamente cambios de concentración, entre otros.

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Por ejemplo, dada una reacción química 2A + B — > C con una ecuación de tasa r = k [A]2 [B]1

ecuación 5.

fig. 1

el orden de reacción con respecto a A sería 2 y con respecto a B sería 1, el orden de reacción total sería 2 + 1 = 3. No es necesario que el orden de una reacción sea un número entero; cero y valores fraccionarios de orden son posibles, pero ellos tienden a ser enteros. Ordenes de reacción pueden ser determinados solamente por experimentos. Su conocimiento conduce a conclusiones sobre el mecanismo de reacción.

Ley de la Velocidad ● Expresa la relación de la velocidad de una reacción con la constante de velocidad y la concentración de los reactantes elevadas a alguna potencia. ● La ley de la velocidad se determina en forma experimental. Orden de Reacción En cinética química, el orden de reacción con respecto a cierto reactivo, es definido como la potencia (exponencial) a la cual su término de concentración en la ecuación de tasa es elevado.

El orden de reacción no está necesariamente relacionado a la estequiometría de la reacción, a menos que la reacción sea elemental. Reacciones complejas pueden tener o no órdenes de reacción iguales a sus coeficientes estequiométricos. 2. Objetivos Emplear el método de las velocidades iniciales para encontrar los órdenes parciales de reacción  Determinar la Ley de Velocidad para una reacción química  3.Materiales a utilizar  Auxiliar de pipeteo  Solución de Na2S2O3  Cronómetro 

fin

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     

Solución de KI Termómetro Solución de (NH4)2S2O8 0,1M Probeta de 150 mL Agua destilada Pipeta de 10 mL 4.Procedimiento.

Fig. 3. Procedimiento en representación diagrama de flujo del laboratorio cinética de una reacción

inicio Discutimos guia

Realizamos practica en simulador virtual Anotamos datos obtenidos

fin

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5. Resultados 6. cálculos 1 48mL 10 ml

2 63 ml 10 ml

3 54 ml 10 ml

12 ml 30 ml

12 ml 15 ml

6ml 30 ml

Volumen 100m 100m total l l Temperatur 25˚C 25˚C a Tiempo 17 s 36.5s Taba 1 Corrida 1 Experiment [ KI ]0=((VKI o

100m l 25˚C

H2O 0.005M Na2S2O3 1.0M KI 0.1M (NH4)2S2O8

1. Haciendo uso de la expresión −∆ [ S 2 O 8 ] S 2 O 8 fin− S2 O 8 ini v= = tf −ti ∆t Ecuación 6. Hallando S2O8 fin como: 1 S 2 O 8 finconsumido= [ S2 O 8 inicial ] 2 Ecuación 7. Estime la velocidad para la reacción

36.5s

v=

[S 2 O 8] 0=

1

0.12

0.03

2

0.12

0.015

3

0.06

0.03

T1

T2

17s

17s

T medio 17s

2

37s

36s

36.5s

3

37s

36s

36.5s

Tabla 3.

Ecuación 8. Hallando S 2O8 fin como: 1 S 2 O 8 finconsumido= [0.03 M ]=0.015 2 −∆[ S 2 O 8 ] 7.5 x 10−3−0.015 = =−2.054 x 10− 4 v= ∆t 36.5 s−0 s Ecuación 9

Tabla 2 Experiment o 1

( WS 2 O V to

−∆ [ S 2 O 8 ] 0.015− 0.030 =−8.82 x 10− 4 = 17 s−0 s ∆t

TºC 25º C 25º C 25º C

Hallando S2O8 fin como: 1 −3 S 2 O8 finconsumido= [0.015 M ]=7.5 x 10 2 Ecuación 10 −∆[ S 2 O 8 ] 0.015 −0.030 = =−8.82 x 10−4 ∆t 17 s−0 s Hallando S2O8 fin como: 1 S 2 O 8 finconsumido= [0.03 M ]=0.015 2 v=

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Ecuación 11

encontrar el orden con respecto al reactivo

2.Teniendo en cuenta el experimento realizado complete la siguiente tabla:

log V -3,05 -3,68

Experiment o 1 2 3 Tabla 4.

[KI] [S2O8]

v

0.12 0.03 0.12 0.015 0.06 0.03

-8.82x10-4 -2.054x10-4 -8.82x10-4

3.Escoja el experimento donde la [S2O8]o es constante y grafique entonces el log v contra el log [KI] para encontrar el orden con respecto al reactivo, la cual corresponde a la pendiente. log v log KI -3,05 -0,92 -3,05 -1,22 Tabla 5. Relación log v y log K

log [S2O8] -1,52 -1,82

Tabla 6. Relación log v y log [S2O8]

Gráfica 2. Ley de velocidad relación log v y log [S2O8] 5. Habiendo determinado los órdenes parciales respecto a cada reactivo, determine la constante de velocidad específica para cada uno de los experimentos, con ellos determine el valor de promedio. Ecuación 12

v =k

Ecuación 13

k =v∗¿

Ecuación 14 −8,82 x 10−4∗0,030 K exp 1= =−2,205 X 1 0−4 0,12 Gráfica 1 Ley de velocidad relación log v y log K 4. Escoja los experimentos donde la [KI]o es constante y grafique entonces el log v contra el log [ S2O8] para

Ecuación 15 −4 −2.054 x 10 ∗0,015 K exp 2= =−2,5675 X 10−5 0,12

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Ecuación 16 −8.82 x 10−4∗0,030 K exp 3= =−4,41 X 10− 0,06 Ecuación 17 Promedio de K = −2,205 X 10−4 +(−2,5675 X 10−5 ) + ( −4,41 X 3 6. Determine la ley de velocidad para la reacción estudiada la velocidad de una reacción es proporcional a la concentración de los reactivos. Sin embargo, no todos ellos influyen de la misma manera en la velocidad. La expresión que nos permite calcular la velocidad a la que ocurre reacción y relacionar la velocidad con las concentraciones de los reactivos conociendo las concentraciones iniciales de los reactivos. v = k [A]m[B]n Ecuación 18 7. análisis de resultados En esta práctica de laboratorio y con los cálculos realizados se pudo conocer el orden parcial de cada uno de los reactivos. En el procedimiento 1 presentó una mayor velocidad en relación a la segunda prueba. Durante los procedimientos 2 y 3 el tiempo no cambio a diferencia de lo ocurrido en el procedimiento 1, podemos notar por los resultados que unos permanecieron constantes mientras que en otros obtuvieron cambios. .

7. Preguntas CUESTIONARIO 1. Explique los factores que afectan la velocidad de una reacción. La velocidad de una reacción química puede ser afectada por los siguientes factores generales: (La cinética química, 2005-2006) 1. La naturaleza de los reaccionantes: Hay sustancias que tienen afinidad para combinarse. Si se encuentra por ejemplo el magnesio con el ácido sulfúrico se produce en forma más o menos rápida. Se observa de inmediato un desprendimiento de burbujas en el seno de la solución como evidencia de la producción de gas hidrógeno debido a su estructura electrónicas a su naturaleza. 2. El estado de subdivisión: Un material está relacionado con su área superficial, cuanto más finamente dividido se encuentre el sólido, dicho estado permite una superficie de contacto aun mayor y por tanto mayor número de átomos reaccionan al mismo tiempo. Se deduce, en consecuencia, que el estado de subdivisión más fino determina la velocidad de reacción mayor. 3.La temperatura: al estar la temperatura social con la energía cinética promedio, y por tanto con la velocidad de las partículas que contribuyen un sistema, se puede concluir que, a mayor temperatura, mayor velocidad de las partículas, mayor número de choque entre ellas y de esta manera la velocidad de reacción aumenta, esto que las condiciones mínimas indispensables para que haya una reacción química es el choque entre dos

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partículas (átomos moléculas y iones y radicales). 4.La concentración de los reaccionantes: A mayor concentración de los reaccionantes habrá un mayor número de partículas en capacidad de reaccionar y por tanto la velocidad de reacción aumenta. Con respecto a la concentración, hay un aspecto cuantitativo de cómo influye la concentración de los reaccionantes sobre la velocidad de la reacción. 5. Los catalizadores: un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de la reacción. Los catalizadores positivos aumentan la velocidad de la reacción, los catalizadores negativos la disminuyen y pueden llegar a extinguirla, en cuyo caso se convierten en inhibidores.

2.Para una reacción particular se siguió su evolución.

0,32 g g mol Ecuación 18

=3,199059477 x 1 0−3 moles

100,0294

−3

−3

4,70384863 x 10 moles−3,199059477 x 1 0 moles 900 s−0 s Ecuación 19 15 minutos→ 900 s Ecuación 20

v =1,671987948 x 10−6

moles / L s

Ecuación 21 3. Para las siguientes ecuaciones de velocidad, ¿indique orden parcial con respecto a cada reactivo y orden global? v=k[P]2 [Q] Sabiendo que n+m reacción (2+1) de 3er orden. P de 2do orden y Q de 1ro v=k⌈R⌉-1 [T]2 Reacción de 1er orden. R de orden -1 y T de 2do orden

2H2O2 MnO2→ 2H2O + O2 Se encontró que durante un período de 15 minutos se recolectaron 0,32 g en un recipiente de un L. ¿Cuál es la velocidad de la reacción?

0,32 g g 68,06294 mol −3

4,70384863 x 10 moles

4. Los siguientes datos cinéticos son para la reacción que se lleva a cabo a 273,15 K: 2NO (g) + Br2 (g) → 2NOBr (g) Ecuación 22 Experiment o 1 2 3 4

[NO]o(M ) 0,10 0,25 0,10 0,35

[Br2]o(M ) 0,20 0,20 0,50 0,50

Ecuación 17 Determine la ley de velocidad para esta reacción.

V (M/s) 24 150 60 735

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V=K [NO] α [Br2] β Hallando β 24m/s=K [0.10] α [0.20] β 60m/s=K [0.10] α [0.50] β 24/60 se simplifica a 3/7.5 0.20/0.50= 0.4 en fracción es 1/3 tal que 3/7.5= (1/3) β para igualar los términos equivale a 1.5 o 3/2

9 Referencias 

β

https://cineticaquimica2013.wordp ress.com/2013/02/20/brevehistoria delacinetica/ 

Hallando α 60m/s=K [0.10] α [0.50] β 735m/s=K [0.35] α [0.50] β Tal que 60/735=0.081 Dado que 0.10/0.35=0.28

 https://repositoriotec.tec.ac .cr/bitstream/handle/2238/ 10111/Cin %C3%A9tica.pdf? sequence=1&isAllowed=y

0.081= (0.28)1.97 para igualar términos α es igual a 1.97 Entonces: V=K [NO] 1.97 [Br2] 1.5 Sabiendo esto 24=K [0.10]1.97 [0.20] 1.5 24=K [0.010] [0.089] 24/8.9x10-4=K 26966.3=K

Ec. Velocidad V=26966.3 [NO] 1.97 [Br2]1.5 8. Conclusiones El estudio de la cinética química conlleva dos aspectos: uno de ellos es predecir la velocidad que tendrá una reacción en unas condiciones determinadas de presión, temperatura, concentración, catalizador, y por otro lado determinar y comprender el mecanismo por el que tiene lugar una reacción. Además de esto en esta práctica se logra concluir que, así como hay reacciones rapidas también hay otras que reaccionan de manera mucho más lento.

La cinética química. (2005-2006). En enciclopedia temática Mega Siglo XXI (págs. 8588). Norma.



http://ocw.uv.es/ciencias/11/teo_cinetica_nuevo.pdf...