Prácticas del laboratorio de Fisicoquímica 2. PRACTICA 8 PDF

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Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Instituto de Ciencias Biomédicas, Programa de Licenciatura en Química. Laboratorio de Fisicoquímica II. Práctica 8. Estudio cinético: Reacción de oxidación de la Vitamina C con Ferrocianuro de potasio. Jonathan Josué Calvillo Solís 154790 Mesa 1 RESUMEN Para el...

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Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Instituto de Ciencias Biomédicas, Programa de Licenciatura en Química. Laboratorio de Fisicoquímica II. Práctica 8. Estudio cinético: Reacción de oxidación de la Vitamina C con Ferrocianuro de potasio. Jonathan Josué Calvillo Solís 154790 Mesa 1 RESUMEN Para el cálculo de la velocidad de una reacción intervienen muchos factores, por lo que es difícil el poder obtener un valor de velocidad exacto, sin embargo, el comportamiento cinético de una reacción viene dado por su orden de reacción, relacionado con la concentración de uno o varios reactivos y el tiempo en que transcurre la reacción. Se determinó el orden de reacción de la reacción de oxidación de la vitamina C con K3Fe(CN)6. Se prepararon 5 diluciones de K3Fe(CN)6 con HNO3 y agua destilada a diferentes proporciones, para obtener una curva patrón realizando absorbancia en el espectrofotómetro a 420 nm. Se realizó una regresión lineal entre las concentraciones de las diluciones y las absorbancias, donde se calculó la ecuación de la recta y se obtuvo un valor de R 2 de 0.99901. Enseguida, se prepararon otras diluciones de K 3Fe(CN)6 y vitamina C, para luego, en una celdilla, mezclarlas y monitorear el cambio de absorbancias en el espectrofotómetro cada 20 segundos por 80 segundos, realizando 4 corridas a diferentes concentraciones. Finalmente, se realizó una gráfica con los datos de absorbancia, logaritmo natural de absorbancia y absorbancia-1; y tiempo de la corrida 1, para determinar el orden global de la reacción, la cual resultó ser una reacción de segundo orden. INTRODUCCIÓN Las reacciones químicas se pueden clasificar según el tipo de función que relaciona su velocidad con la concentración, es decir, si aumenta la velocidad de reacción al aumentar la concentración de uno o más reactivos participantes. La velocidad de reacción se determina a partir de una gráfica en la que se representa, en un diagrama cartesiano, la concentración frente al tiempo, y viene dada por la pendiente de la curva en cada punto, indicando así como varia dicha velocidad en el transcurso de la reacción (Brown, G. y Sallee, E. 1977). Del estudio experimental de la cinética de una reacción química, se ha deducido la ley de velocidad, que es una ecuación que expresa la velocidad en función de las concentraciones de las sustancias que toman parte en la reacción multiplicadas por una constante, única para cada reacción. El valor número de la constante de velocidad es la característica más importante, ya que

este valor refleja la estructura molecular, la distribución de la energía de las moléculas que reaccionan y el mecanismo de reacción (Aldabe, S. y Aramendia, P. 2002). El orden parcial de reacción con respecto a un reactivo es el exponente de su término de concentración en la ley de velocidad. El orden de reacción global es la suma de los exponentes de todos los términos de concentración, es por eso que existen reacciones de primer, segundo, tercer y orden cero, donde las más comunes son las de primer y segundo orden. Una reacción de primer orden se caracteriza porque la velocidad de reacción aumenta al aumentar la concentración de uno de sus reactivos, es decir, si en una reacción donde se encuentran 2 reactivos, por ejemplo: N 2 y O2 para producir NO2, la velocidad de esta reacción solo se vería afectada al aumentar o disminuir la concentración de nitrógeno, sin embargo, si cambia la concentración de oxigeno la velocidad se mantendrá igual. En las reacciones de segundo orden, la

velocidad de reacción se ve modificada tanto por la concentración del reactivo A como del reactivo B, o si se trata de una reacción de descomposición, del cuadrado de A. En las reacciones de orden cero el cambio de concentración de los reactivos no afecta la velocidad, y dicho valor es igual a la constante de velocidad (Atkins y Jones, 2007).

Después, se tomaron 3 vasos de precipitado de 250 mL y se etiquetaron con la leyenda: “K3Fe(CN)6, ácido ascórbico y mezcla reactiva”. En el vaso de K3Fe(CN)6 y ácido ascórbico se agregaron las siguientes cantidades de reactivo:

Cor

OBJETIVOS 

Calcular la velocidad de la reacción de oxidación de la vitamina C con ferrocianuro de potasio.  Determinar el orden de reacción de la oxidación de la vitamina C con ferrocianuro de potasio. METODOLOGÍA

Se prepararon 250 mL de una solución 0.0025 M de K3Fe(CN)6, 100 mL de HNO3 0.1 M y 100 mL de ácido ascórbico 0.004 M. Después se prepararon 5 diluciones de 10 mL, para realizar una curva patrón, compuestas de K3Fe(CN)6 con HNO3 y agua, como se muestran en la siguiente tabla: mL K3Fe(CN)6 4 3 2 1 0.25

mL HNO3 1 1 1 1 1

mL H2O 5 6 7 8 8.75

Tabla 1. Volumen de K3Fe(CN)6, HNO3 y H2O empleados para preparar las diluciones para curva patrón.

Enseguida se calculó la concentración de cada dilución de K3Fe(CN)6 para luego tomar una alícuota de 5 mL de dilución y realizar una absorbancia en el espectrofotómetro a 420 nm. Luego de obtener la absorbancia de cada dilución, se realizó una regresión lineal para obtener la ecuación de la recta, así como el coeficiente de determinación (R 2), para comprobar que los valores de absorbancia y concentración sean ideales.

1 2 3 4

Vaso K3Fe(CN)6 K3Fe(CN)6 HNO3 H2O mL mL mL 8 2 0 6.4 2 1.6 4 2 4 3.2 2 4.8

Vaso Vitamina C Vitam H2O C mL mL 5 5 4 6 2.5 7.5 2 8

Tabla 2. Volumen de K3Fe(CN)6, HNO3 y H2O utilizados para preparar las diluciones reactivas.

Posteriormente, se calcularon las concentraciones de cada dilución, y enseguida se tomaron las diluciones de K3Fe(CN)6 y vitamina C de la primera corrida y se mezclaron en el vaso marcado como mezcla reactiva, rápidamente se tomaron 5 mL de la mezcla y se colocaron en una celdilla para determinar su absorbancia en pleno momento de reacción, agitando por varios segundos la celdilla en un vortex, enseguida se fue anotando la absorbancia cada 20 segundos hasta 80 segundos. Este procedimiento se repitió con las 3 diluciones restantes. Finalmente se determinó la concentración a cada absorbancia en cada corrida, con la ecuación de la recta calculada en la curva patrón, y se realizaron 3 gráficos relacionado las absorbancias y el tiempo para determinar el orden de la reacción. RESULTADOS La reacción de oxidación de la vitamina C (ácido ascórbico) con ferrocianuro de potasio se describe a continuación.

C6H8O6

C6H6O6

El cálculo de las concentraciones finales de cada dilución se realizó mediante la ecuación siguiente:

( C 1) ( V 1 ) =( C 2)(V 2)

Ecuación 2.

Tabla 4. Concentraciones de K 3Fe(CN)6 y vitamina C en la mezcla reactiva.

Dónde:

Las absorbancias que se obtuvieron al realizar cada corrida se muestran en la Tabla 5, desde los 20 hasta los 80 segundos.

C1: Concentración inicial (0.0025 M). V1: Volumen inicial (mL). C2: Concentración final (M). V2: Volumen final (10 mL). En la siguiente tabla se muestran los valores de concentración final, con su respectivo valor de absorbancia obtenido en el espectrofotómetro. Dilución 1 2 3 4 5

Concentración (M) 1x10-3 7.5x10-4 5x10-4 2.5x10-4 6.25x10-5

Absorbancia 1.33 0.99 0.65 0.31 0.10

Tabla 3. Valores de absorbancia y concentración final para curva patrón.

En la Figura 1 se observa el comportamiento de los valores, así como la ecuación de la recta y el coeficiente de determinación.

Curva patrón de K3Fe(CN)6 1.5 Absrbancia

2x10-3 M 1.6x10-3 M 1x10-3 M 8x10-4 M

1 2 3 4

f(x) = 1324.2 x − 0 R² = 1

1 0.5 0 0

0 0 0 0 0 Concentracion K3Fe(CN)6 (M)

0

Figura 1. Regresión lineal de las concentraciones de K3Fe(CN)6 y absorbancias para curva patrón.

Las concentraciones de las diluciones para la mezcla reactiva se calcularon con la ecuación 1, en la Tabla 4 se muestran las concentraciones de K3Fe(CN)6 y vitamina C, preparadas según la Tabla 2. Corrida

K3Fe(CN)6

Vitamina C

Corrid a 1 2 3 4

20 s

40 s 60 s Absorbancia 1.28 1.28 1.23 1.23 0.73 0.72 0.59 0.59

1.29 1.24 0.73 0.59

80 s 1.27 1.23 0.72 0.58

Tabla 5. Valores de absorbancia de las 4 corridas realizadas a 20, 40, 60 y 80 segundos.

Con las absorbancias, se calcularon las concentraciones finales con la ecuación 3, para el cálculo de velocidad y orden de reacción mediante el método gráfico. x=

y+0.0027 1324.2

Ecuación 3.

Las concentraciones finales se muestran en la Tabla 6, sin embargo, para el cálculo de velocidad de reacción y orden global, se tomaron las concentraciones de la corrida 1, ya que son las que presentan una mayor variación. Tiempo (s)

20 40 60 80

1 0.0009 7 0.0009 6 0.0009 6 0.0009

Concentración (M) 2 3 0.0009 3 0.0009 3 0.0009 3 0.0009

0.0005 5 0.0005 5 0.0005 4 0.0005

4 0.0004 4 0.0004 4 0.0004 0.0004

Tabla 6. Valores de concentración molar de las 4 corridas realizadas a 20, 40, 60 y 80 segundos.

Absorbancia

Reacción de orden cero. 1.32 1.31 1.3 1.29 1.28 1.27 1.26 1.25

f(x) = − 0 x + 1.3 R² = 0.88 Figura 2. Regresión lineal de la absorbancia y el tiempo de la corrida 1, para una reacción de primer orden. 0

Reacción de segundo orden

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Las Figuras 1 a 3 muestras las gráficas para la determinación del orden de reacción, relacionando las variables de absorbancia y tiempo de la reacción.

Figura 1. Regresión lineal de la absorbancia y el tiempo de la corrida 1, para una reacción de orden cero.

In Absorbancia

Reacción de primer orden 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22

f(x) = − 0 x + 0.27 R² = 0.88

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90

1/Absornaica

Tiempo (s)

0.79 0.78

f(x) = 0 x + 0.77 R² = 0.88

0.77 0.76 0.75 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tiempo (s)

Figura 3. Regresión lineal de la absorbancia y el tiempo de la corrida 1, para una reacción de segundo orden.

La expresión resultante de velocidad para la reacción de oxidación de la vitamina C se muestra a continuación, fue de segundo orden debido a que en la gráfica de la figura 1 se obtuvo el valor más grande de R2, con un valor de 0.8849. v =k [Vitamina C]

2

Ecuación 3.

Tiempo (s)

La velocidad de la reacción se calculó mediante la siguiente expresión. v=

−1 ∆[ Vitamina C] ∆t 1

Ecuación 4.

−4

−3

−1 [(9.61 x 10 M )−(2 x 10 M )] v= 1 80−0 s −5

v =9.51 x 10

M s

ANÁLISIS DE RESULTADOS La preparación de las soluciones de ferrocianuro de potasio para la curva patrón se realizaron de forma correcta, ya que al realizar la lectura de absorbancia en el espectrofotómetro y trazar la regresión lineal, se obtuvo un valor de R2 de 0.99909. Se observaron diferencias significativas en los valores de absorbancia para las 4 corridas, la corrida 1 resultó con las absorbancias más congruentes ya que se presentó una variación constante, lo que permitió realizar los cálculos posteriores, esto se debió a que tanto el ferrocianuro como la vitamina C estaban más concentrados, por lo que la velocidad de reacción fue mayor. En la corrida 2 y 3 se observó una ligera variación, sin embargo, lo que hay que destacar es que en la corrida 2 hubo un cambio de absorbancia a los 20 segundos y en la corrida 3 a los 60 segundos, a diferencia de la corrida 4, en la que apenas existió una variación, hasta los 80 segundos de la reacción. Las gráficas mostraron que la reacción de oxidación realizada fue de segundo orden, por lo que la velocidad de reacción depende del cuadrado de la concentración de la vitamina C. El ferrocianuro de potasio no se incluyó en la ecuación de velocidad ya que son los iones ferrocianuro (Fe(CN)-3) los que reaccionan, no obstante, al estar en una relación 1 a 1, la cantidad de moles que reaccionaron de ferrocianuro son directamente proporcionales a los moles de vitamina C. CONCLUSIÓN Mediante este estudio cinético, fue posible el determinar el orden de reacción global de la oxidación de la vitamina C con ferrocianuro

de potasio experimentalmente, dicha reacción resultó ser de segundo orden, esto se comprobó ya que durante la corrida 4 la velocidad de la reacción fue muy lenta, sin embargo, al aumentar la concentración en la corrida 1, aumentó la velocidad de la reacción al aumentar la concentración de la vitamina C. Se calculó la velocidad de reacción mediante la ecuación de velocidad media general de la IUPAC, además se escribir la ley de general para la reacción, describiendo la cinética de la reacción de una forma completa. BIBLIOGRAFÍA Aldabe, S. y Aramendia, P. (2002). Química 1, fundamentos. Buenos Aires, Argentina: Ediciones Colihue S. R. L. p. 315 – 319. Atkins y Jones. (2007). Principios de química, los caminos del descubrimiento. Madrid, España: Editorial Médica Panamericana. p. 493 – 495. Brown, G. y Sallee, E. (1977). Química cuantitativa. Barcelona, España: Editorial Reverté S. A. p. 651 – 655....