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CINÉTICA QUÍMICA


                                                       Velocidad de Reacción

               INTRODUCCIÓN

              Cuando se busca saber qué tan rápido procede una reacción, es decir, cuánto tiempo necesita una mezcla de reacción determinada para alcanzar el estado de equilibrio. Es necesario definir los factores que influyen en la velocidad de la misma, tales como:

  1. La naturaleza de los reactivos.

  2. La concentración de los reactivos.

  3. La temperatura.

  4. Catalizadores.

Al seleccionar para su estudio una reacción química específica a una temperatura determinada, los factores (1), (2), y (4) se mantienen constantes; así, la velocidad de la reacción puede y debe estudiarse experimentalmente midiendo los cambios de concentración que ocurren en un intervalo de tiempo dado. Para ello se dispone de una variedad de técnicas para encontrar los cambios de concentración que se representan en un intervalo de tiempo. Así, para un reactivo dado, en el caso de una reacción específica a una temperatura determinada,

 

aA + bB + ... → cC + dD + ...

 

puede encontrarse la ecuación de la velocidad de reacción partiendo de una serie de experimentos en los que se varía sistemáticamente la concentración del reactivo determinado, mientras que las de los otros se mantienen constantes. La ecuación de la velocidad de  la reacción es una ecuación algebraica que relaciona la rapidez de la reacción con la concentración de uno de los reactivos en función del tiempo.

donde [A] indica el empleo de la concentración molar del componente determinado "A", y "dt" el intervalo de tiempo.

OBJETIVO 

El objetivo principal que se pretende lograr en éste experimento es que el alumno determine la ecuación empírica que relaciona la velocidad de reacción entre el KIO3 y el Na2SO3 en medio ácido variando la concentración de KIO3.

Para ello se introducirá al alumno en el manejo e interpretación de gráficas así como en la linearización de los resultados a fin de obtener la ecuación empírica, determinando para ello los valores de la pendiente y de la ordenada al origen de dicha recta empleando para este fin distintos métodos incluido el método de los mínimos cuadrados. 

 JUSTIFICACIÓN 

Este proyecto experimental tiene como finalidad que el alumno aplique los conocimientos adquiridos en Matemáticas, en lo referente a gráficas lineales, potenciales, etc. A series de valores reales obtenidos experimentalmente por ellos mismos. De igual forma se pretende que el alumno sea capaz de linealizar las curvas obtenidas y determinar la ecuación empírica que represente dicho fenómeno real empleado para tal fin.

                PROYECTO EXPERIMENTAL

               Determinación de la Ecuación empírica del efecto del cambio en la concentración del Yodato de potasio, o del cambio de la temperatura en la velocidad de la reacción.

5 Na2SO3 + 2 KIO3 + H2SO4     5 Na2SO4 + K2SO4  + I2  + H2O

en presencia de almidón como indicador.

DISEÑO EXPERIMENTAL

MATERIALES                                        REACTIVOS

Cronómetro

Agua destilada

Etiquetas

Solución 0.02 M de KIO3  (250 mL.)

Matraces Erlenmeyer

Solución 0.008 M de Na2SO3  (250 mL.)

Vasos de precipitados

Ácido sulfúrico concentrado  (5.0 mL.)

Buretas

Almidón soluble  (3.0 g.)

Soportes universales

 

Pinzas para buretas

 

Placa de agitación

 

Agitador magnético

 

Termómetro

 

METODOLOGÍA: Para la determinación de la ecuación empírica del efecto delCAMBIO  en  la  CONCENTRACIÓN  del Yodato de potasio.

El material debe estar limpio y seco.

Actividades a desarrollar por el alumno: Agregar 3.0 g de almidón soluble a 5 mL. de agua destilada y agitar hasta conseguir una suspensión homogénea, mezclar con 30 mL. de agua destilada hirviendo. ESTA  SOLUCIÓN  DEBE  SER  PREPARADA  AL MOMENTO  DE  HACER  LA  DETERMINACIÓN.

Enjuagar una de las buretas con 5.0 mL. de solución 0.02 M. de Yodato de potasio, aforar la bureta y sujetarla por medio de una pinza de tres dedos con nuez a un soporte universal. Etiquetar la bureta.

Enjuagar la otra bureta con 5.0 ml. de solución 0.008 M. de sulfito de sodio, aforar la bureta y sujetarla por medio de una pinza de tres dedos con nuez a un soporte universal. Etiquetar la bureta.

La ultima bureta se afora con agua destilada, se sujeta con las pinzas de tres dedos y se etiqueta.

Se depositan en los matraces  y vasos de precipitados correspondientes los volúmenes de cada solución de acuerdo a la siguiente tabla, etiquetando cada matraz o vaso.

Vaso de precipitados “A”

Matraz “B”

 

Sol. 0.02 M. KIO3 (ml.) Agua

Sol.

0.008 M. Na2SO3 (ml.)

agua Sol. de almidón H2SO4
5 45 10 38.5 0.5 1.0
10 40 10 38.5 0.5 1.0
15 35 10 38.5 0.5 1.0
20 30 10 38.5 0.5 1.0
25 25 10 38.5 0.5 1.0

Colocar el vaso de precipitados “A” conteniendo el agitador magnético sobre la placa de agitación  e iniciar la agitación.

Verter el contenido del matraz “B” lo más rápidamente posible en el vaso de precipitados “A” e iniciar  el cronometraje, registrando los resultados.

 METODOLOGÍA: Para la determinación de la ecuación empírica del efecto delCAMBIO  en  la  TEMPERATURA   en la velocidad de la reacción.

El material debe estar limpio y seco.

Agregar 3.0 g de almidón soluble a 5 mL. de agua destilada y agitar hasta conseguir una suspensión homogénea, mezclar con 30 mL. de agua destilada hirviendo. ESTA  SOLUCIÓN  DEBE  SER  PREPARADA  AL MOMENTO  DE  HACER  LA  DETERMINACIÓN  Y  SE  DEBE  DE  EMPLEAR  FRÍA.

Enjuagar una bureta con 5.0 ml. de solución 0.02 M. de KIO3 , aforarla y sujetarla por medio de una pinza de tres dedos con nuez a un soporte universal. Etiquetar la bureta.

Enjuagar otra bureta con 5.0 ml. de solución 0.008 M. de Na2SO3 , aforarla y sujetarla por medio de una pinza de tres dedos con nuez a un soporte universal. Etiquetar la bureta.

La ultima bureta se afora con agua destilada, se sujeta con las pinzas y se etiqueta.

Se depositan en cada uno de los  vasos de precipitados“A”, 5 mL. de solución 0. 02 M. de Yodato de potasio y 45 mL. de agua destilada.

Se depositan en cada uno de matraces “B”, 10 mL. de solución 0. 008 M. de sulfito de sodio, se agregan 38. 5 mL. de agua destilada, 1. 0 mL. de ácido sulfúrico y 0. 5 mL. de solución de almidón.

Colocar  un vaso de precipitados  “A” y un matraz “B” en un baño de agua a 2 °C por 3 a 5 minutos o hasta que alcance el equilibrio térmico con el baño; vaciar el contenido del matraz “A” al vaso de precipitados “B”, midiendo el tiempo desde el momento de mezclado hasta la aparición del color azul intenso. Se procede de la misma manera con baños de 8 °C, 23 °C, 31 °C y 34 °C.

 PRECAUCIONES

Varios son los factores que afectan la estabilidad y concentración de las soluciones de yodo, entre las más importantes se encuentran las siguientes:.

1.- La volatilidad del yodo, la cual se puede evitar guardando las soluciones en recipientes bien tapados y de color ámbar así como en un lugar fresco ya que el CALOR AUMENTA LA VOLATILIDAD DEL IODO.

2.- La oxidación del ioduro a iodo en contacto con el oxígeno atmosférico, por lo cual se debe evitar la exposición al aire en cuanto sea posible. (8) y (9).

El almidón que se usa como indicador de la reacción forma un complejo con el yodo, pero la reacción general es más rápida que la del complejo almidón – yodo y por lo tanto se produce yodo hasta que el sulfito se agota y en ese momento se inicia la formación del complejo almidón – yodo (7).

Cuando se usa almidón como indicador para yodo es preciso observar varias precauciones generales: grandes cantidades de yodo causan coagulación de la suspensión de almidón y promueven así mismo su descomposición. El almidón deberá emplearse a temperatura ambiente pues la sensibilidad del punto final almidón – yodo disminuye marcadamente en soluciones a temperaturas más altas (10).

La reacción:

5 Na2SO3 + 2 KIO3 + H2SO4  → 5 Na2SO4 + K2SO4  + I2  + H2O

se lleva a cabo entre reactivos poco riesgosos, de fácil manejo y adquisición, así como de pureza conocida, los tiempos de reacción son muy pequeños y dado que es una reacción de las llamadas reloj, los tiempos son prácticamente iguales para reacciones realizadas en las mismas condiciones de temperatura, presión y concentración lo que hace que las curvas obtenidas a partir de estos datos sean muy similares. Por otro lado el cambio de concentración que se usa como indicador de la reacción se da repentina, intensa y uniformemente en el sistema, con lo que se eliminan  errores de observación y de apreciación.

El experimento no requiere de material o equipo sofisticado. Se puede utilizar placa de agitación magnética. Es muy importante que la medición de los tiempos de reacción sean registrados con cronómetro que mida hasta centésimas de segundo ya que ellos pueden variar de una concentración a otra hasta en fracciones de segundo, diferencias que de no poderse detectar dará lugar a errores en la medición. 

REFERENCIAS 

“Casi todas las reacciones son complejas y se cree que consisten en una serie de reacciones elementales que constituyen  la reacción general, estas reacciones elementales es lo que llamamos MECANISMO DE  REACCIÓN, pero los mecanismos de las reacciones no se conocen hasta que son deducidos a partir de estudios EXPERIMENTALES de la reacción general. Se obtienen indicios sobre el mecanismo para una reacción dada a partir del ESTUDIO EXPERIMENTAL de la VELOCIDAD DE dicha REACCIÓN y otras analogías a ellas” (1)

La reacción considerada en este experimento se emplea porque entre sus productos aparece el yodo molecular el cual es fácilmente detectable usando almidón como indicador, con el que forma un complejo colorido ALMIDÓN – I. Esta reacción pertenece al  tipo de las llamadas reacciones reloj debido a que es fácilmente reproducible y presenta un cambio de color repentino y uniforme, de manera semejante a como se presenta la alarma de un reloj despertador.

Por las ventajas antes citadas la reacción llevada a cabo entre el sulfito de sodio y el yodato de potasio ha sido estudiada desde hace ya varios años, encontrando referencias específicas que datan desde 1968 (Química Moderna, P.R. Frey, 1968), y otras más recientes que se refieren a la misma reacción (The word of chemirtry. Jones, Johnston, Netterville, 1990, Revista Educación Química, Vol. 5 No. 2. Abril 1994). 

Bibliografía básica:

 

1.     P. W. Atkins. Química, moléculas, materia, cambio, Edit. Omega. Barcelona, 1998, pp. 910

2.     R. Chang, Química, McGraw-Hill. 4ª Edición. México, 1992, pp. 1052.

3.     T.L. Brown, H.E. Le Way y B.E. Bursten. Química La ciencia central, 5ª. Edición, Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana S.A., México, 1992, pp. 1159.

4.     Revista de Educación química, Vol. 5 No. 2, Abril de 1994. http://www.fquim.unam.mx/sitio/edquim/index.html

5.     Keith J. Lander, Cinética de Reacciones, Ed. Alambra, S.A., España, 1977.

6.     Zarco, R. E. Seguridad en laboratorios, Ed. Trillas, México, 1990, pp. 146.

7.     "The Merck Index", 8a. Stecher, P.G., Merck Co., Inc., Rahway, N.J., U.S.A., 198, 1968.

8.     J.W. Dawson, Manual de Laboratorio de Química, Ed. Interamericana, México, 1980.

9.     Paul Ander y Anthony J.  Sonnessa, Principios de Química, Ed. Limusa, México, 1980.

10.   George Hess, Química General Experimental, Ed. CECSA, España, 1982.

11.   P. R. Frey, Química Moderna, Ed. Montaner y Simón, Barcelona, 1968.

12.   Jones, Johnston y otros, The World of Chemistry, 1980

13.   Skoog Douglas, Fundamentos de Química Analítica, Ed. Reverté, S.A., México 1993.

14.   Fisher Robert, Compendio de Análisis Químico Cuantitativo, Ed. Interamericana, México, 1981.

15.   Kenth Connors, Curso de Análisis Farmacéutico, Ed. Reverté, Barcelona, 1981.

Bibliografía complementaria :

 
  1. Fogler, H. S., Elements of Chemical Reaction Engineering , Prentice-Hall International Editions, 1992.

  2. Boudart, M., Kinetics of Chemical Processes., Prentice HAll, Englewood Cliffs, ( Traducción al castellano): Alhambra, Col. Exedra, Madrid, 1974 ).

  3. Jesús Blanco-Ricardo Linarte , Catálisis. Fundamentos y aplicaciones industriales. Ed. Trillas 1976.

 

Web Bibliografía básica:

 
  1. La Seguridad en los Laboratorios de Prácticas, Universidad de Alcalá, 1995, Comisión de Seguridad y Salud Laboral

      http://www2.uah.es/edejesus/seguridad.htm

  1. Hemos comprobado que la teoría de las colisiones produce resultados que concuerdan bien con datos experimentales para diversas reacciones bimoleculares... http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00313.htm

 

 

 

 

 

 

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Última modificación:  19 de Abril de 2017