PRÁCTICA 5: CINÉTICA QUÍMICA ESTUDIO CINÉTICO DE LA REACCIÓN ENTRE EL YODATO POTÁSICO Y EL SULFITO DE SODIO PDF

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1. INTRODUCCIÓN

La cinética estudia la velocidad o rapidez con que ocurre una reacción química. La rapidez de reacción se refiere al cambio en la concentración de un reactivo o de un producto con respecto al tiempo de reacción....

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Curso de especialidad– UNALM. Guía del Laboratorio de Cinética Química y Enzimática. Modalidad Virtual.

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PRÁCTICA 5: CINÉTICA QUÍMICA ESTUDIO CINÉTICO DE LA REACCIÓN ENTRE EL YODATO POTÁSICO Y EL SULFITO DE SODIO 1. INTRODUCCIÓN La cinética estudia la velocidad o rapidez con que ocurre una reacción química. La rapidez de reacción se refiere al cambio en la concentración de un reactivo o de un producto con respecto al tiempo de reacción. En la naturaleza se presentan una diversidad de reacciones espontáneas y ocurren a diferentes rapideces. Algunos procesos, como las etapas iniciales de la visión, la fotosíntesis y las reacciones nucleares en cadena, ocurren a una rapidez muy corta, del orden de 1 x 10 –12 s a 1 x 10–6 s. Otros, como la polimerización del cemento de las resinas y la conversión del grafito en diamante, necesitan millones de años para completarse. En un nivel práctico, el conocimiento de la rapidez de las reacciones es de gran utilidad para el diseño de fármacos, el control de la contaminación y el procesamiento de alimentos, entre otros. 2. OBJETIVOS Los estudiantes al término de la sesión serán capaces de: ● Estudiar la velocidad de la reacción entre el yodato de potasio (KIO 3) y el sulfito de sodio (Na2SO3). ● Medir el tiempo en que ocurre una reacción química. ● Medir el efecto de dos factores: temperatura y concentración de un reactivo en la velocidad de reacción. ● Elaborar un informe escrito de la experiencia, siguiendo el formato establecido, en el que señalará, el procedimiento seguido, las observaciones, los resultados obtenidos, la discusión de los resultados y las conclusiones finales. 3. PRINCIPIOS TEÓRICOS 3.1 Velocidad de reacción: De acuerdo a la teoría de colisiones de las velocidades de reacción para que se genere una reacción entre átomos, iones o moléculas, es necesario que estas especies químicas experimenten en primer lugar colisiones entre las partículas (choques). Cuando presentan mayor concentración de reactantes se produce mayor número de colisiones por unidad de tiempo. Para que la colisión sea eficaz es necesario que la especie reaccionante, cumpla con las siguientes características:

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● Deben tener la mínima energía necesaria para el reordenamiento de los electrones de valencia, para la ruptura y formación de enlaces químicos. ● Tener las orientaciones adecuadas entre sí de las partículas cuando se efectúa la colisión. ● La energía cinética promedio de un conjunto de partículas es proporcional a la temperatura absoluta; por lo que, a temperaturas más altas un mayor número de partículas dispone de la energía requerida (energía de activación) para reaccionar. ● De acuerdo a la teoría del estado de transición, en las reacciones químicas se forman y se rompen enlaces químicos, la energía asociada con dichos procesos es de tipo energía potencial. Las reacciones van acompañadas por un cambio de energía potencial. Para que la reacción se pueda verificar, es necesario que se rompan y se formen algunos enlaces covalentes al mismo tiempo. Lo indicado sólo ocurre cuando las moléculas chocan con suficiente energía cinética para vencer estabilidad energética potencial de los electrones. 3.2 Factores que afectan la velocidad de reacción a. Naturaleza de los reactantes: La naturaleza de los reactantes está caracterizado por el estado de agregación de las sustancias que reaccionan, el nivel de subdivisión de los reactantes sólidos, la naturaleza química, el tipo de elemento o compuesto, y el medio donde ocurre la reacción afectan la velocidad de una reacción química. b. Concentración de los reactantes: La concentración de los reactivos presentes como iones, moléculas o gases tienen una relación directa con el número de interacciones por atracción de cargas opuestas o colisiones, y de acuerdo a la teoría de las colisiones la velocidad de una reacción es proporcional a la concentración de los reactivos. c. Temperatura: La velocidad de la mayor parte de las reacciones químicas se incrementa a medida que se aumenta la temperatura. Dicho efecto se fundamenta en la teoría de colisiones; al aumentar la temperatura incrementa la energía cinética media de los reactantes y con el número de colisiones, superando el límite energético que supone la energía de activación, efecto por el cual se incrementa la velocidad de reacción. De acuerdo con la ecuación de Arrhenius al incrementarse la temperatura aumenta exponencialmente el valor de la constante de velocidad o rapidez. El efecto de la temperatura en la rapidez de una reacción es muy grande. Como una regla empírica, un incremento de solo 10°C duplica o triplica la rapidez de la mayoría de las reacciones. Esto es un enorme incremento en la velocidad para un cambio de temperatura tan pequeño.

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d. Catalizadores: Son sustancias que se adicionan a los sistemas en reacción para cambiar su velocidad de reacción. Un catalizador disminuye la energía de activación; inclusive, de la reacción inversa, pero no alteran en absoluto los valores de la entalpia y energía libre de Gibbs de la reacción. Los catalizadores participan en la reacción pero no contaminan el producto, no son parte de la ecuación balanceada y no modifican el valor de la constante de equilibrio. Los catalizadores en los sistemas vivos se llaman enzimas, y una enzima especial está presente en todas las reacciones simples en cualquier sistema vivo. Las enzimas son una familia de sustancias que pertenecen a una familia muy grande de sustancias bioquímicas llamadas proteínas. e. Presión: El efecto de la presión sobre la velocidad de reacción está en función del cambio de volumen para pasar del estado inicial al estado del complejo activado. Esta relación indica que la velocidad de reacción se incrementa con la presión si el cambio de volumen es negativo, y la velocidad de reacción disminuye con la presión si el cambio de volumen es positivo. f. pH: El efecto del pH es similar al efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción catalizada por enzimas. Los valores de pH extremos pueden inactivarlas por desnaturalización. Cada enzima actúa en un rango relativamente corto de valores de pH; rango en el cual sus grupos químicos activos se encuentran ionizados, de manera que facilitan el acoplamiento del proceso catalítico. Dentro de este rango, el pH para el cual se alcanza un pico máximo local de velocidad se conoce como pH óptimo. Por ejemplo el pH óptimo para las enzimas humanas varía notablemente, alcanzando incluso valores extremos de pH óptimo = 2 para la pepsina (una enzima gástrica). 3.3 Ley de rapidez: Expresa la relación de la rapidez de una reacción con la constante de rapidez y la concentración de los reactantes, elevados a algún exponente. Para la reacción hipotética: a A(g) + b B(g)

→ c C(g)

+ d D(g)

La ley de rapidez tiene la forma: Rapidez = velocidad de reacción = k[A]x[B]y Donde, k es la constante de rapidez (velocidad), [A] y [B] son la concentración de los reactivos, x e y son números que se determinan experimentalmente. Observar que, en general, x e y no son iguales a los coeficientes estequiométricos a y b. Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

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Los exponentes x e y especifican las relaciones entre las concentraciones de los reactivos A y B, y la rapidez de la reacción. El valor de x y el valor de y representan el orden de reacción de A y B, respectivamente; al sumarlos, obtenemos el orden de reacción global, que se define como la suma de los exponentes a los que se elevan todas las concentraciones de reactivos que aparecen en la ley de rapidez. El orden de reacción para cada reactivo en la ley de velocidad determina cómo cambia la velocidad a medida que cambia la concentración del reactivo. Si el orden de un reactivo es cero, la velocidad es independiente de su concentración. 3.4 Reacción entre el yodato de potasio y el sulfito de sodio: El efecto de la concentración del reactivo sobre la velocidad de una reacción química puede estudiarse analizando la reacción entre el yodato de potasio y el sulfito de sodio. En medio ácido, el yodato de potasio se reduce a yoduro mediante sulfito de sodio. La reacción tiene lugar a través de los siguientes pasos. Paso I: los iones sulfito reaccionan con el yodato de potasio produciendo iones yoduro. (Lento) Paso II: los iones de yoduro formados se oxidan a yodo por reacción con más iones de yodato. (Rápido) Paso III: el yodo formado en el Paso II reacciona inmediatamente con los iones sulfito formando iones yoduro.

(Muy Rápido) Cuando los iones sulfito se consumen por completo, el yodo liberado reacciona con la solución de almidón para dar un color azul. Por lo tanto, esta reacción se puede controlar agregando un volumen conocido pero limitado de solución de sulfito de sodio y solución de almidón. Este es un ejemplo de la reacción del reloj de yodo, ya que la velocidad de reacción es estimada por el tiempo necesario para la aparición del color azul. Cuanto más rápida sea la reacción, menor será el tiempo requerido para que aparezca el color azul. Al agregar una solución diluida de yodato de potasio, la velocidad de reacción disminuye. Por el contrario, aumentando la concentración del reactivo, aumenta la velocidad de reacción. Los siguientes gráficos muestran que la velocidad de la reacción depende directamente de la concentración de yodato de potasio.

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4. PROCEDIMIENTO 4.1 Procedimiento en un laboratorio real ● Tome cuatro matraces cónicos de 250 ml y etiquételos como A, B, C y D. ● Agregue 2 ml, 4 ml, 6 ml y 8 ml de solución de yodato de potasio (KIO 3) 0.01 M a los matraces A, B, C y D. ● Agregue 10 ml de H2SO4 1M a cada matraz. ● Agregue agua para llevar el volumen de la solución a 100 ml en cada matraz. ● Agregue 5 ml de solución de almidón a cada matraz. ● Agregue 10 ml de solución de sulfito de sodio (Na2SO3) 0.005 M a cada matraz y comience el cronómetro inmediatamente. ● Tenga en cuenta el momento en que aparece el color azul. ● Repita los 2 pasos anteriores con las soluciones de los matraces B, C y D y observe el tiempo requerido en cada caso cuando aparece por primera vez el color azul. 4.2 Video del experimento Tal como se realiza el laboratorio en las líneas anteriores, este se presenta en el siguiente link: https://drive.google.com/file/d/19JUpzpPbSUfnxVT_HSI2TMlVBCl5XQL8/view? usp=sharing

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4.3 Procedimiento del simulador Entrar al siguiente link: https://amrita.olabs.edu.in/?sub=73&brch=8&sim=143&cnt=4 Donde aparecerá la siguiente imagen:

Pasos a seguir 1. Primero seleccionar el volumen de la solución de yodato de potasio (KIO 3) con el botón deslizante de color azul.

2. Luego arrastre el matraz que contiene la solución de yodato de potasio (KIO 3) 0.01 M con un click a la probeta para medir la solución. 3. Después arrastre la probeta con un click al matraz para verter la solución. 4. Por otro lado, arrastre la botella a la probeta para medir 10 mL de ácido sulfúrico (H2SO4) 1 M. Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

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5. Luego arrastre la probeta al matraz para verter ácido sulfúrico. 6. A continuación arrastre el vaso precipitado a la probeta para medir el volumen de agua destilada. 7. Después arrastre la probeta al matraz para verter agua. 8. Seguidamente mida 5 ml de solución de almidón “Starch” en la probeta. 9. Arrastre la probeta al matraz para verter la solución de almidón. 10. Finalmente arrastre la botella de solución de sulfito de sodio (Na2SO 3) 0.005M a la probeta para medir 10 ml. 11. Luego arrastre la probeta al matraz para verter la solución de sulfito de sodio. 12. El tiempo iniciará automáticamente en el cronómetro después de verter al matraz la última solución y se detendrá con la aparición del color azul. 13. Para rehacer el experimento, haga clic en el botón "Reset". 4.4 Simulación del efecto de la temperatura Entrar al siguiente link: http://introchem.chem.okstate.edu/DCICLA/iodine_clock.html Aparece la siguiente pantalla:

Pasos a seguir 1. Solo se modifica la variable temperatura. 2. Para el primer experimento empezar con 5°C. 3. Luego darle click a “START”, 4. Cuando se termine de verter el líquido de la última probeta, inmediatamente activar el timer y dar click a “play”, tal como se indica en la siguiente figura.

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5. Luego cuando la solución del vaso precipitado se torna de color azul oscuro dar click en “pausa” y anotar el tiempo obtenido como se observa en las siguientes figuras:

6. De la misma manera proceder para los demás valores de temperatura.

5. ● ● ●

RESULTADOS Graficar la [KIO3]f Vs el tiempo de reacción obtenidos por el simulador. Graficar el ln[KIO3]f frente al tiempo de reacción (segundos). Graficar la inversa de la concentración, 1/[KIO 3], frente al tiempo de reacción (segundos). ● Determinar en cada gráfica el R2 (coeficiente de correlación), el R 2 más cercano a 1 nos indicará el orden de la reacción. ● Representar en un gráfico la temperatura (°C) frente al tiempo de reacción (segundos). El profesor indica la tabla de resultados que utilizará cada grupo para los cálculos correspondientes (Hay dos tablas con volumen par y con volumen impar): Tabla 1. Tiempo de reacción de las diferentes concentraciones del yodato de potasio KIO3(ac). Corrida N°

V 0.01M KIO3 (mL)

1

2

2

4

1/vol de KIO3

1M H2SO4 (mL)

Agua (mL)

Solución de almidón (mL)

0.005 M Na2SO3 (mL)

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Tiempo (t) de reacción (s)

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3

6

4

8

5

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Tabla 2. Tiempo de reacción de las diferentes concentraciones del yodato de potasio KIO3(ac). Corrida N°

V 0.01M KIO 3 (mL)

1

1

2

3

3

5

4

7

5

9

1/vol de KIO 3

1M H2SO4 (mL)

Agua (mL)

Solución de almidón (mL)

0.005 M Na2SO 3 (mL)

Tabla 3. Datos para la elaboración de los gráficos correspondientes del experimento Corrida N°

V (ml)

1

2

2

4

3

6

4

8

5

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[KIO3]f M = Tiempo (seg) V*[KIO3]0/Vt(115ml)

Tabla 4. Datos para la elaboración de los gráficos correspondientes del experimento

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Tiempo (t) de reacción (s)

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Corrida N°

V (ml)

1

1

2

3

3

5

4

7

5

9

[KIO3]f M = Tiempo (seg) V*[KIO3]0/Vt(115ml)

Tabla 5. Determinar el efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción. Corrida N°

V KI (mL)

V Na2SO3 y almidón (mL)

V(NH4) O3(S4O3 (mL)

Temperatura (°C)

Tiempo (t) de reacción (s)

1

2

3

6. CUESTIONARIO PARA EL INFORME DE PRÁCTICAS ● ¿Cuál es el efecto de la concentración y la temperatura sobre la velocidad de reacción? ● Comentar el efecto de la concentración de yodato de potasio sobre el tiempo de reacción. ● Comentar el efecto de la temperatura sobre el tiempo de reacción. ● ¿La velocidad de una reacción química está determinada por su energía de activación? Justificar su respuesta considerando la teoría cinética y las reacciones químicas. ● La reacción de X e Y para formar Z es endotérmica. Para cada mol de Z producida, se absorbe 2 kcal de calor. La energía de activación es de 10 kcal. Trace las relaciones de energía en un diagrama de avance de reacción. ● El plutonio que tiene peso molecular 240 es producido en los reactores nucleares, tiene una vida media de 6580 años. La cinética de descomposición de reacciones nucleares siguen la ley de velocidad de primer orden. Determinar: Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

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a) El valor de la constante de rapidez de primer orden para la desintegración del 240Pu. b) ¿Qué cantidad de muestra queda después de 100 años?. ● ¿Cómo cambiará la velocidad de la reacción: 4NO 2 + O2 2N2O5, si el volumen del recipiente donde se desarrolla la reacción disminuye a la mitad?

7.

REFERENCIAS 1. Palma, J., Sánchez, V., Villegas, E., Jorge, P., Suárez, D. (2015). Guía de Práctica de Laboratorio Química General. Lima, Perú; Fondo editorial de la UNALM. 2. University of Oregon. (2020). Iodine Clock Kinetics Computer Simulation. Oregon,

USA. Chem Demos. Recuperado el 18 de mayo http://introchem.chem.okstate.edu/DCICLA/iodine_clock.html

del

2020

de

3. Amrita Vishwa Vidyapeetham University. (2020). Kinetics Study on the Reaction

between Potassium iodate and Sodium Sulphit. Coimbatore, India. Recuperado el 18 de mayo del 2020 de https://www.youtube.com/watch?v=dkzWCNupemU&t=54s 4. Amrita Vishwa Vidyapeetham University. (2020). Kinetics Study on the Reaction

between Potassium iodate and Sodium Sulphit. Coimbatore, India. Recuperado el 18 de mayo del 2020 de https://amrita.olabs.edu.in/?sub=73&brch=8&sim=143&cnt=4 5. Chang, R., y Goldsby, K. (2013). Química. Ciudad de México, México: Mc Graw Hill. Undécima Edición.

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