informe 2 - velocidad de las reacciones químicas

Práctica N°02 Velocidad de las reacciones químicas

1.- INTRODUCCIÓN

A nuestro alrededor, podemos observar diversos cambios químicos que ocurren con diferente velocidad, así por ejemplo, el resquebrajamiento y peladura de pintura expuesta al sol, la corrosión de la capota de un automóvil, de puestas y ventanas metálicas y la descomposición de los alimentos dentro de la refrigeradora; son reacciones que ocurren con mucha lentitud y deseamos que no se lleven a cabo, ¿Cómo lograrlo? Por otro lado deseamos que procesos como el crecimiento de las plantas, fermentación de la glucosa, la curación de las heridas, la cocción de los alimentos y la descomposición de la basura se den con mayor rapidez, ¿será posible eso?

En el presente informe que tiene por título velocidad de reacciones químicas, se definirá que es una velocidad de reacción. Gran parte del estudio de las reacciones químicas se ocupa de la formación de nuevas sustancias a partir de un conjunto dado de reactivos. Por lo tanto es necesario entender la rapidez con que pueden ocurrir las reacciones químicas.Experimentalmente se podrá determinar cuantitativamente la velocidad de una reacción química, el orden de la reacción, del mismo modo se podrá saber si una reacción es de primer, segundo o tercer orden con solo graficar correctamente de acuerdo a las concentraciones halladas experimentalmente en el laboratorio.

Laboratorio de Química General AII Página 1


2.- FUNDAMENTO TEÓRICO

La termodinámica nos permite saber si una reacción es espontánea o no según factores termodinámicos como entalpía, entropía y energía libre, pero no informa acerca de la rapidez con que se produce el cambio químico. La Cinética Química determinará si una reacción es lenta o rápida al estudiar los factores que determinan la velocidad y el mecanismo, es decir, la etapa o serie de etapas en las que ocurre el cambio.

La velocidad de reacción corresponderá a la rapidez con que tiene lugar una reacción; durante el cambio, la concentración de los reactantes disminuirá, mientras que la concentración de los productos aumentará. La velocidad media, entonces, se medirá a través del cambio de concentración en un periodo determinado de tiempo.

A partir de una reacción A è B, donde A está representado por las esferas rojas y B por las esferas azules, en la figura se ilustra cómo cambian las concentraciones a medida que transcurre el tiempo.

En el tiempo cero, en el primer tiesto de capacidad de un litro, se considera que hay un mol de A.

Transcurridos 20 segundos, la cantidad de moles de A disminuyó a 0,54 y la cantidad de moles formada de B es 0,46.

A los 40 segundos, la cantidad de moles de A es 0,3 y los moles de B son 0,7.

La siguiente tabla lustra las concentraciones de A y B en diferentes tiempos.

Tiempo (s) [ A ] M [ B ] M0 1 020 0,54 0,4640 0,30 0,70



Este gráfico ilustra el cambio de la concentración de A.

Este gráfico ilustra el cambio de la concentración de B.

La velocidad de consumo de A:

En el primer periodo de tiempo: VA = - (0,54 – 1,0) / (20 – 0)

VA = 0,023 M / s

En el segundo periodo de tiempo: VA = - (0,3 – 0,54) / (40 – 20)



VA = 0,012 M / s

Es posible determinar que la velocidad de consumo de A disminuye, pues disminuye la concentración de A a medida que transcurre el tiempo.

El signo menos (-) alude a la disminución de la concentración de A por unidad de tiempo y se debe multiplicar por (-1), ya que las velocidades son positivas.La velocidad de formación de B:

En el primer periodo de tiempo: VB = - (0,46 – 0) / (20 – 0)

VB = 0,023 M / s

En el segundo periodo de tiempo: VB = - (0,7 – 0,46) / (40 – 20)

VB = 0,012 M / s

La velocidad de formación de B disminuye a medida que transcurre el tiempo.

Para esta reacción: VA = VB

Expresión general de la velocidad de reacción en función de reactantes y productos y la relación entre ellos:

Para la reacción:

a A + b B ￫ c C + d D

Se puede expresar la velocidad en función de los reactantes y/o de los productos y la relación entre ellas de la siguiente manera:

V media dereacción=−1a

∆ [A ]∆ t

=−1b

∆ [B ]∆ t

=1c∆ [C ]∆ t

=1d∆ [D ]∆ t


Velocidad de disminución de los reactivos

Velocidad de aumento de los productos


3.- PARTE EXPERIMENTAL

3.1.- MATERIALES Y REACTIVOS

3.1.1.- Materiales

Vaso de precipitado de 100mL Bureta de 50mL 2 matraz erlenmeyer de 250mL Pipeta de 2mL y de 5mL Probeta de 50mL Soporte universal Pinzas para bureta Cronómetro Bombilla

3.1.2.- Reactivos

Solución “A”: HCrO4- + HCl (K2Cr2O4 0,0037M en HCl 3,5M)

Solución “B”: KI al 3% Solución “C”: Na2S2O3 0,022M Alcohol etílico Solución de almidón



3.2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A) Determinación de ¿¿

Enjuagar la bureta con la solución “C” y enrasar en 50mL. Colocar en el matraz erlenmeyer 5mL de solución “A” y enseguida adicionar

2mL de solución “B”. Agregar el indicador de almidón el cual revelaría la presencia de yodo.

Reacción N°1 :

2HCrO4 (ac )−¿+14 H (ac )

+¿+6 I(ac)

−¿→ 3 I(ac) +2Cr (ac )

3+¿+8H2O ( l) ¿ ¿

¿ ¿

Titular hasta cambio de coloración de azul oscuro a verde claro.

Reacción N°2 :

I 2 (ac )+Na2S2O3(ac )→2NaI (ac )+Na2S4O6 (ac )

Anotar el volumen gastado de Na2S2O3 en la tabla N°1



B) Determinación de ¿¿

Dentro del erlenmeyer colocar 50mL de solución “A” y adicionar 1mL de etanol, a partir de este momento se contabiliza el tiempo de reacción.

Transcurrido 10 minutos trasvasar un alícuota de 5mL de la mezcla a otro erlenmeyer, luego adicionar uniformemente 2mL de solución “B”. Antes de realizar la titulación con la solución “C”, agregar 10 gotas de solución de almidón, para observar el viraje de color de azul a verde.

Anotar el volumen gastado de solución “C” en la tabla N°1 repetir las mediciones cada 10 minutos hasta completar la tabla.

Tabla N°1



Tiempo(min)

Solución“C” ( mL)

¿ (M)

0 5 0.0073410 3.9 0.0057220 3 0.004430 2.3 0.003840 1.8 0.0026450 1.3 0.00190660 1.0 0.001466

3.2.1.- Cálculos:

A) Determinación de ¿¿

* Hallando las moles de Na2S2O3 :

V gatadoNa2S 2O 3=5mL [Na2S2O3 ]=0,022M

nNa2S 2O 3=5mL×0,022mol

L×

1L

103mL=1,1×10−4mol

* Hallando las moles de HCrO4−¿¿

, teniendo en cuenta las reacciones N°1 y

N°2 :

1,1×10−4mol Na2S2O3×1mol I 2

2mol Na2S2O3

×2molHCrO4

−¿

3mol I 2=3,67×10−5mol HCrO4

−¿ ¿¿

* Hallando la ¿

¿

B) Determinación de ¿¿

En cada caso se tomará en cuenta las reacciones N°1 y N°2

Para t = 10’* Hallando las moles de Na2S2O3 :

V gastado Na2S2O3=3,9mL [Na2S2O3 ]=0,022M



nNa2S 2O 3=3,9mL×0,022mol

L×

1L

103mL=8,58×10−5mol


8,58×10−5mol Na2S2O 3×1mol I 2

2mol Na2S2O3

×2molHCrO4

−¿


−¿¿ ¿

* Hallando la ¿

¿


V Na2S2O3=2,3mL [Na2S2O3 ]=0,022M

nNa2S 2O 3=3mL×0,022mol

L×

1L

103mL=6,6×10−5mol


:

6,6×10−5mol Na2S2O3×1mol I 2

2mol Na2S2O3

×2molHCrO4

−¿


−¿¿¿

* Hallando la ¿:

¿


V gastado Na2S2O3=2,3mL [Na2S2O3 ]=0,022M


L×

1L

103mL=5,06×10−5mol


:

5,06×10−5mol Na2S2O3×1mol I 2

2mol Na2S2O3

×2molHCrO4

−¿


−¿¿¿



* Hallando la ¿ :

¿

Para t=40’* Hallando las moles de Na2S2O3 :

V Na2S2O3=1,8mL [Na2S2O3 ]=0,022M


L×

1L

103mL=3,96×10−5mol


:

3,96×10−5mol Na2S2O3×1mol I 2

2mol Na2S2O3

×2molHCrO4

−¿


−¿¿¿

* Hallando la ¿ :

¿


V Na2S2O3=1,3mL [Na2S2O3 ]=0,022M


L×

1L

103mL=2,86×10−5mol


:

2,86×10−5mol Na2S2O 3×1mol I 2

2mol Na2S2O3

×2molHCrO4

−¿


−¿ ¿¿

* Hallando la ¿ :

¿




V Na2S2O3=1,0mL [Na2S2O3 ]=0,022M


L×

1L

103mL=2,2×10−5mol


:

2,2×10−5mol Na2S2O3×1mol I2

2molNa2S2O3

×2molHCrO4

−¿

3mol I2=7,33×10−6mol HCrO4

−¿¿¿

* Hallando la ¿ :

¿

Mediante una gráfica se determina que la reacción es de 1er orden, ya que la gráfica tiempo vs ln [HCrO4

-] se aproxima a una recta.

Tabla N°2

Tiempo (min) 0 10 20 30 40 50 60ln[HCrO4

-] -4.914 -5.164 -5.426 -5.573 -5.937 -6.263 -6.525

Gráfico N°1

0 10 20 30 40 50 60 70

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

f(x) = − 0.0269357142857143 x − 4.87792857142857R² = 0.991606126178594

Reacción de 1er Orden

Tiempo (min)

ln [H

CrO

4-]



4.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En la parte A, notamos que hallando la medida de la variación del volumen del Na2S2O3 y conociendo previamente su concentración molar, podemos encontrar el número de moles presentes en la solución necesarios para titular la mezcla de las otras 2 soluciones; es así que teniendo el número de moles de la solución “C” podemos hallar el número de moles del Ión bicromato por estequiometría y por ende al ya conocer el volumen; podemos hallar la concentración de dicho Ión.

En esta parte B notamos que conforme pasa el tiempo el volumen necesario para hacer virar la solución mezcla que se encuentra en el erlenmeyer va disminuyendo, debido a esto la concentración del Ión bicromato también disminuye.

En nuestra experiencia la solución “C” es la solución valorante, está solución que se adiciona gota a gota que reaccionará con todo el analito.

En el momento donde vira (cambio de color de la mezcla la que se encuentra en el matraz de erlenmeyer), se debe a que la cantidad de equivalentes del valorante es igual a la del analito, en ese instante se dice que la solución a llegado al punto de equivalencia.

Se verificó que con el aumento de la concentración se consigue incrementar la velocidad de la reacción, ya que aumenta la velocidad de las colisiones moleculares. Si la concentración disminuye la VRx también.



5.- CUESTIONARIO

1) ¿Cuáles son los factores que afectan la velocidad de reacción? Explique brevemente cada una de ellas.

a) Naturaleza de los reactivos:Como se tienen que romper los enlaces de los reactivos, la velocidad va a depender precisamente del tipo de enlace que existe entre los reactivos. Así, las reacciones entre iones son reacciones muy rápidas, mientras que entre sólidos son más lentas.

b) Concentración de los reactivos:Cuando se tenga mayor concentración se tendrá mayor número de moléculas, esto hace que el número de choques aumente y haya mayor posibilidad de los reactivos hace que la velocidad de la reacción sea mayor.

c) Temperatura:Un aumento de la temperatura produce un aumento en la velocidad de reacción. Al aumentar la temperatura se aumenta la energía cinética de las partículas y así, se tendrá más partículas con energía suficiente para alcanzar la energía de activación.

d) Catalizadores:El catalizador interviene en el proceso llevando a la reacción por un camino distinto que tiene una energía de activación menor, esto hace que aumente la velocidad de reacción. También existen catalizadores negativos, éstos disminuyen la velocidad de reacción.

e) Presión:La presión tiene un efecto directo sobre la velocidad de reacción en los sistemas gaseosos, debido a que es directamente proporcional a las concentraciones de las sustancias de la reacción.

f) Superficie de contacto de los reactivos:Cuanto más divididos están los reactivos, más rápida es la reacción. Esto es así porque se aumenta la superficie expuesta a la misma.

g) Frecuencia de colisión:



A mayor frecuencia de colisión, más alta las velocidades relativas de las moléculas y por consiguiente, más alta la temperatura.

2) En la descomposición del NO2 a 383°C se dan los siguientes datos:

Tiempo (s) 0 5 10 15Concentració

n (NO2)0,10 0,01

70,0090 0,0062

a) Demuestre que la reacción es de segundo orden.

Tiempo (s) 0 5 10 151/[ NO2 ] 10 58.82 111.11 161.29

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

f(x) = NaN x + NaNR² = 0 REACCIÓN DE 2do ORDEN

TIEMPO (s)

1/[

NO

2]

M

3) Una muestra de agua contaminada se oxidó. El porcentaje de la materia orgánica que se oxidó varió con el tiempo de la manera siguiente:

Tiempo (días) 1 3 5 7 10Materia

orgánica oxidada (%)

21 50 68 80 99

a) Determinar si el proceso es de 1er ó 2do ordenEn este problema se asume que la concentración inicial es 100%. Luego se trabaja con la concentración que queda.



Tiempo (días) 1 3 5 7 10Materia orgánica

restante79 50 32 2

01



b) Determine el tiempo de vida media

Hallando la constante de velocidad:

ln ( 20100 )=K ×7

K=−0.22=−2.2×10−1

Hallando el tiempo de vida media:

T 1/2=0.693

2.2×10−1=3.15



6.- BIBLIOGRAFÍA

Fundamentos de química analítica básica (Análisis cuantitativo) – Néstor Riaño Cabrera(Págs. 43 – 53)

Fundamentos de la química general e inorgánica – H.R. Christen (alemán)(Págs. 347 – 350)

Principios de química, los caminos del descubrimiento – 3ra Edición – Atkins Jones(Págs. 483 – 494)


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