Velocidad de Reacción-FQ PDF

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OBJETIVO Demostrar cualitativamente la influencia de la temperatura, la concentración y la presencia de catalizadores sobre el tiempo requerido para que se lleve a cabo una reacción química. INTRODUCCIÓN La velocidad de reacción se define como el cambio de concentración de un reactivo o producto con...

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OBJETIVO Demostrar cualitativamente la influencia de la temperatura, la concentración y la presencia de catalizadores sobre el tiempo requerido para que se lleve a cabo una reacción química. INTRODUCCIÓN La velocidad de reacción se define como el cambio de concentración de un reactivo o producto con relación al tiempo. La rapidez de una reacción no es constante (Umland B. J. & Bellama M. J., 2000). Para que ocurra una reacción química, los reactivos deben entrar en contacto íntimo, es decir, sus moléculas deben tocarse. De acuerdo a la teoría de las colisiones, la velocidad de la reacción va a depender de la frecuencia de los choques moleculares. Al aumentar la cantidad de reactivo aumenta la frecuencia por lo tanto aumentará la velocidad de reacción (A. Garritz & J.A. Chamizo, 1998). Hay cuatro factores que tienen gran influencia sobre la velocidad de las reacciones químicas: la naturaleza de los reactivos, la concentración de los reactivos, la temperatura en la que estén sometidos y la presencia de catalizadores (A. Garritz & J.A. Chamizo, 1998). La concentración de los reactivos influye decisivamente en la velocidad de reacción. Lo que indica la influencia que tiene la concentración de los reactivos con la velocidad de la reacción es el orden de una reacción. Al aumentar la temperatura de la reacción incrementa la energía cinética de las moléculas que reaccionan. Esto aumenta la probabilidad de que tengan la energía suficiente para superar la barrera de activación. La dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura está dada por la ecuación de Svante Arrhenius k = Ae−Ea/RT donde el factor A se llama frecuencia de las colisiones y la expresión exponencial que le sigue es una medida de la fracción de moléculas que tiene la energía

suficiente, energía de activación, para que la colisión sea reactiva a la temperatura (A. Garritz & J.A. Chamizo, 1998). Un catalizador es una sustancia que produce un efecto de aceleración, sin que se aprecie un cambio químico en su estructura al inicio y al final del proceso. L  a diferencia entre una reacción sin catalizar y una catalizada es el cambio en la energía de activación sin que haya cambios de energía en los reactantes ni en los productos (Vargas J. J. & Macarulla M. J. 1982). METODOLOGÍA Material y Reactivos

-20 tubos de ensaye 5 mL con tapón

-Sol. 0.2M de sulfato de potasio

-Hielo

-2 cronómetro

-2 gradillas para tubos de ensaye -Sol. 0.012M de tiosulfato de sodio

-Sol. de almidón al 2% recién

-5 vasos de precipitados de 150 mL

preparado

-Sol. 0.2M de yoduro de potasio

-Piseta

-1 parrilla eléctrica

-Sol. 0.05M de sulfato ferroso

-Sol. 0.2M de nitrato de potasio -1 termómetro de 0 a 100°C

-1 Pinza para tubo de ensaye -1 pinza para vaso de precipitado

-Sol. 0.2M de persulfato de potasio

-2 ó 3 jeringas para aspersión

-7 pipetas serológicas de 1 mL

Procedimiento Se observó el efecto de la variación de la concentración de uno de los reactivos, manteniendo constante la concentración de otro, así como la variación de la velocidad de reacción determinada por la temperatura, y por la presencia de un catalizador para la reacción de oxidación del ion yoduro (I-) con el ion persulfato o peroxidisulfato (S2O8 =) de acuerdo con la siguiente ecuación:

K 2S 2O 8 + 2KI → K 2SO 4 + I 2

A. DETERMINACIÓN DEL EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. Se preparó una serie de cuatro experimentos de acuerdo con las cantidades de reactivos indicadas en la Tabla I. Se colocó en un tubo de ensaye los primeros cuatro reactivos, en tanto que los dos últimos se depositaron en otro tubo. Se etiquetó cada tubo de acuerdo al número de experimento. Tabla I . EXP # Almidón al Na2S2O3 mL

KI

KNO3

K2S2O8

K2SO4

2%

0.012M

0.2M

0.2M

0.2M

0.2M

1

0.1

0.2

0.8

0.4

0.4

0.4

2

0.1

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

3

0.1

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4

4

01

0.2

0.1

0.4

0.4

0.4

Se colocó cada tubo en un baño de agua a temperatura ambiente por 2 minutos, con objeto de que las soluciones alcanzarán el equilibrio térmico. Se midió la temperatura a la que se realizó la reacción. Se vertió el contenido del segundo tubo de ensaye en el primero y se empezó a contar el tiempo con el cronómetro. Se agitó perfectamente la solución resultante y se introdujo el tubo en el baño de agua hasta que se dió la reacción. Tomando como referencia cuando la mezcla tomó una coloración azul. B. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. Se realizaron cuatro series de tubos de ensaye con las cantidades de reactivos indicadas en la tabla II, manteniendo separados los cuatro primeros reactivos de los dos últimos, como en el experimento anterior. Se prepararon cuatro baños de agua a las temperaturas 15°C, 25°C, 35°C y 45°C. Se sumergió cada par de tubos en el baño de la temperatura seleccionada durante 2 min aproximadamente, hasta que alcanzaron el equilibrio térmico.

Se mezcló ambos tubos y se mantuvo la mezcla sumergida en el agua. Se empezó a contar el tiempo con el cronómetro hasta que apareció la coloración azul, indicando que la reacción se completó. Tabla II T oC

Almidón al

Na2S2O3

KI

KNO3

K2S2O8

K2SO4

mL

2%

0.012M

0.2M

0.2M

0.2M

0.2M

15oC

0.1

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

25oC

0.1

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

35oC

0.1

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

45oC

0.1

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

C. EFECTO DE LOS CATALIZADORES SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. Se preparó en tubos de ensaye dos experimentos de acuerdo con las cantidades de reactivos indicadas en la Tabla II, se mantuvo en tubos separados los primeros cuatro reactivos de los dos últimos. A continuación se agregó 0.1mL de la solución de sulfato ferroso a uno de los tubos con los dos últimos reactivos, tomando el otro tubo como control (no se le agregó nada). Se mantuvo cada experimento a temperatura ambiente. Se mezcló cada tubo con su par correspondiente y se contó el tiempo con el cronómetro hasta que apareció la coloración azul. Se registró cada resultado en la tabla V. RESULTADOS A. DETERMINACIÓN DEL EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN.

K 2S 2O 8 + 2KI → K 2SO 4 + I 2 Tabla III. Velocidad de reacción y concentración de reactivos.

Experime nto

Volume n de Kl (L)

Moles de Volume Kl (n) n total (L)

Concentrac ión de Kl (M=n/L)

Tiemp o (s)

Velocidad (M/seg)

1

8x10-04 L

1.6x10-04 mol

1.5x10-03 L

0.106 mol/L

42s

2.52x10-03 M/seg

2

4x10-04 L

8x10-05 mol

1.1x10-03 L

0.072 mol/L

59s

1.22x10-03 M/seg

3

2x10-04 L

4x10-05 mol

9x10-04 L

0.044 mol/L

95s

4.63x10-04 M/seg

4

1x10-04 L

2x10-05 mol

8x10-04 L

0.025 mol/L

128s

1.95x10-04 M/seg

-

Volumen de Kl (L)

-

Moles de Kl

-

V1=(0.8ml*1L)/1000ml=〖8x10〗^(-04)Volumen total.

-

Concentración de Kl.

-

Velocidad.

Cálculos de K  2S2O8 -

Volumen.

-

Volumen total.

-

Moles.

● Calcule el orden de la reacción respecto al KI ● Investigue cuál es el orden de reacción respecto al K2S2O8 ● Calcule la constante de velocidad (k) a esa temperatura B. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. Tabla IV. Velocidad de reacción y temperatura

Log K

1/T (oK-1)

K (1/s)

0.00019 M/s

-1.4359

3.4x10−3

0.0366 1/Ms

169

0.00042 M/s

-1.0914

3.3x10−3

0.0810 1/Ms

35oC

84

0.00085 M/s

-0.7852

3.2x10−3

0.1639 1/Ms

45oC

35

0.00205 M/s

-0.4029

3.1x10−3

0.3954 1/Ms

Experimento

Tiempo (s)

Velocidad (M/s)

15oC

372

25oC

Cálculos: Velocidad: v=M/s Para 15 °C:

v=(0.072 M) / (372)= 0.00019 M/s Para 25 °C: v=(0.072 M) / (169) = 0.00042 M/s Para 35 °C: v=(0.072 M) / (84) = 0.00085  M/s Para 45°C v=(0.072 M) / (35) = 0.00205  M/s

Log k =

v [KI ]2

Para 15°C K = 0.00019

M s

/ 0.072

2

M) = 0.0366 1/sM

Log(0.0366) = -1.4359 Para 25°C K = 0.00042

/ 0.072 2 M = 0.0810 1/sM

M s

Log(0.0810) = -1.0914 Para 35°C K = 0.00085

M s

/ 0.072 2 M = 0.1639 1/sM

log(0.1639) = -0.7852 Para 45°C K = 0.00205

M s

/0.072 2 M = 0.3954 1/sM

Log(0.3954) = -0.4029 Cálculos para la energía de activación: ·

Pendiente:

m=(y2-y1)/(x2-x1) o

o

o

m=(-1.4359+ 0.4029)/(0.0034 1/ K -0.0031 1/ K)= -1.033/(0.0003 1/ K)= -3443.33 o

K

·

Ea:

m= -Ea/(1.303*R) -m*1.303*R= Ea -(-3443.33 °K)(1.303)(8.314 j/°Kmol)= Ea

Ea= 37302.11 j/mol

Figura 2. Relación logaritmo (K) - inverso de temperatura absoluta (°K-1  )

C. EFECTO DE LOS CATALIZADORES SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. Tabla V. Velocidad de reacción y catalizador

Experimento

Tiempo

Sin catalizador

78.71 s

Sulfato ferroso

18.77 s

En el tubo A, en el que solamente se agregaron los reactivos indicados en la Tabla ll, tuvo una velocidad de reacción mucho más lenta ya que su tiempo en reaccionar fue de 78.71 segundos, mientras que en el tubo B, en el que se agregaron los mismo reactivos pero adicionando sulfato ferroso, tuvo una velocidad de reacción mucho más rápida. Esto se debe a que el sulfato ferroso actuó como catalizador. DISCUSIÓN A. DETERMINACIÓN DEL EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. El K2SO4 llega a tornarse azul ya que reacciona con I2. El yodo libre forma un  color azul al estar combinado con el almidón disperso coloidalmente, ya que este es

considerado como un indicador interno sensible que experimenta una interacción específica con el. Es decir, El K2SO4 llegó a pintarse de azul, ya que nos indica la presencia de yodo, sin embargo este indicador debe usarse a temperatura ambiente pues la sensibilidad disminuye a temperaturas más altas o en presencia de alcoholes. Se dice actualmente que lo que afecta la coloración azul de I2.se debe a la formación de un compuesto de inclusión, en donde los átomos de

I 2 quedan

atrapados en una red constituida por anillos de maltosa que componen la amilasa. El yodo al incorporarse en las espiras de las moléculas de la amilasa forman un compuesto de inclusión que modifica las propiedades físicas de la molécula, en este caso, un cambio de coloración. La velocidad de toda reacción química depende de la frecuencia de las colisiones entre las moléculas reaccionantes, con una orientación adecuada. En este caso, al aumentar la cantidad de reactivo aumentamos la velocidad, de manera que la velocidad es proporcional a la concentración, puesto que la velocidad/ concentración será constante, puesto que el tiempo afecta la concentración de reactivo/ producto. B. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. La velocidad de una reacción química se ve afectada de manera considerable con la temperatura, esta dependencia está reflejada en la constante de velocidad (Avery, 1982); según Arrhenius, la relación entre el logaritmo de la constante de velocidad y la inversa de la temperatura absoluta se muestra gráficamente como una línea recta. Con un aumento de temperatura, las moléculas que tienen una energía mayor a la Energía de activación aumentan, lo que provoca un mayor número de choques efectivos y a su vez, la velocidad de reacción incrementa, por cada 10ºC, la velocidad se duplica (Atkins & Jones, 2006), por lo que el experimento que se mantuvo a 45ºC fue el que tuvo una reacción mucho más rápida, tomando como guía la coloración azul debido al yodo y al almidón. C. EFECTO DE LOS CATALIZADORES SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN.

Generalmente los catalizadores funcionan reduciendo la energía del estado de transición, así disminuyendo la energía de activación, y/o cambiando el mecanismo de la reacción. El sulfato ferroso, en este caso actúa como catalizador, aumentando la frecuencia de los choques entre las moléculas de la sustancia, formando un complejo activo que requiere poca energía. Esto significa que necesitará menos energía de activación, es por eso que tarda menos tiempo en reaccionar, ya que la energía de activación que se le aplica es agitar el tubo, por lo tanto su velocidad de reacción será mucho mas rapida. En cambio el tubo que no contiene sulfato ferroso, necesita mayor energía de activación, es decir, necesitar se agitado por mayor tiempo para que reaccione y se torne azul. CONCLUSIÓN En cuanto a la concentración, se concluyó que conforme disminuye la concentración de los reactivos, la velocidad aumenta; por lo tanto la de menor velocidad es la reacción con mayor concentración de reactivos. En cambio, conforme la temperatura en una reacción aumenta, el tiempo que tarda en reaccionar es menor, por lo que la reacción con mayor velocidad, es aquella con la temperatura más alta. Finalmente, un catalizador es aquel que aumenta la velocidad de una reacción, por ende la reacción con sulfato ferroso, tardó menos tiempo en reaccionar. En resumen, la concentración, la temperatura y la presencia de un catalizador influyen sobre el tiempo de una reacción química, llegando a aumentar o disminuir su velocidad. CUESTIONARIO 1. ¿Qué generalizaciones pueden hacerse con respecto al efecto de la

variación de la concentración sobre el tiempo de reacción? ¿Cómo se explica desde la perspectiva de la teoría de las colisiones? La cantidad de sustancia transformada por unidad de tiempo es conocida como velocidad de reacción. La velocidad de reacción depende de la frecuencia de choques moleculares, es decir, la cantidad de transformación

química que sufre un compuesto es proporcional al número de choques eficaces y que éstos al mismo tiempo, a cierta temperatura dada, son proporcionales a la concentración de dicha sustancia. Por lo cual, podemos decir que la concentración de una sustancia, al cabo de un tiempo determinado,

es

proporcional

a

la

concentración

inicial y decrece

exponencialmente con el tiempo, la fracción de sustancia destruida en un segundo se expresa mediante una constante (K). 2. ¿Qué generalizaciones pueden hacerse con respecto al efecto de la variación de la temperatura sobre el tiempo de reacción? ¿Cómo se explica desde la perspectiva de la teoría cinético-molecular? Cuando se modifica la temperatura de una muestra, cambia también el perfil de velocidades de las moléculas (A. Garritz & A. J. Chamizo,1998). Según la teoría cinética molecular dice que si la temperatura de un líquido disminuye, también decrece la velocidad promedio con la que se mueven sus moléculas y conforme la temperatura en una reacción aumenta, el tiempo que tarda en reaccionar es menor. A una temperatura lo suficientemente baja, las moléculas ya no tienen la energía suficiente para moverse, y sólo pueden vibrar(J.B.Umland & J.M. Bellama, 2000). 3. Explique ¿qué es la energía de activación? Suplemento de energía que hay que comunicar a las moléculas de un cuerpo reaccionante para desencadenar la reacción (J. Vargas & J. Macarulla, 1981). Es cuando los reactantes deben alcanzar un nivel energético mínimo para poder transformarse en productos (S. Fontana & M. Norbis, 1983). 4. Considere una reacción que se lleva a cabo entre los gases A y B. Se colocan éstos en un recipiente a temperatura ambiente. ¿Qué efecto tendrán los siguientes cambios sobre la velocidad de reacción entre ambos gases? a) La presión se duplica Al aumentarse la presión, de manera equivalente sucede un cambio en la concentración, es decir que aumenta de la misma manera,

generando que el número de choques moleculares se incremente y, por ende, causa también que la velocidad de reacción aumente. b) Se duplica el número de moléculas de gas A A medida que haya más moléculas, ocurrirá un mayor número de colisiones entre las moléculas de ambos gases, y por tanto habrá un aumento en la velocidad de reacción. c) A volumen constante la temperatura disminuye Al disminuir la temperatura del sistema, provoca también la disminución del número de moléculas rápidas, es decir que la velocidad de reacción se hará mucho más lenta y la velocidad media molecular se desplazará hacia valores más bajos. 5. Explique cómo actúa un catalizador para afectar la velocidad de una reacción química desde la perspectiva de la teoría de las colisiones La función de los catalizadores es incrementar la velocidad de reacción, aunque no participen en ella. Llegan a aumentar la eficacia de los choques entre las sustancias reaccionantes, debido a que labilizan los enlaces intramoleculares, o forman un complejo activado que requiere poca energía (J. Vargas & J. Macarulla, 1981). Es decir, proporcionan un camino de reacción con menor energía de activación de forma que una mayor número de partículas colisionará de una manera eficaz (J.B.Umland & J.M. Bellama, 2000).

BIBLIOGRAFÍA Umland B. J. & Bellama M. J. 2000. Química General . Thomson Learning. México. Garritz A. & Chamizo A. J. 1998. Química . Pearson Educación. Edo. de México.

Vargas J. J. & Macarulla M. J. 1982. Fisicoquímica fisiológica . Interamericana. México. Fontana S. & Norbis M.1983. Química general universitaria.  Interamericano.México. Atkins, P., Jones, L. 2006. Principios de química: Los caminos del descubrimiento. Editorial Médica Panamericana. España. Avery, H. E. 1982. Cinética química básica y mecanismos de reacción . Reverté. España....