Guía de La Práctica 5. Cinética Química

 

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PRÁCTICA 5 CINÉTICA QUÍMICA ESTUDIO CINÉTICO DE LA REACCIÓN ENTRE EL YODATO POTÁSICO Y EL SULFITO DE SODIO 1. IN INT TROD ODUC UCCI CIÓN ÓN 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 diversi div ersidad dad de reaccio reacciones nes espont espontáne áneas as y ocurren ocurren a diferen diferentes tes rapide rapideces. ces. Alguno Algunoss  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 gra fito en diaman diamante, te, necesit necesitan an millon millones es de años años para para comple completars tarse. e. En un nivel nivel  práctico, el conocimiento de la rapidez de las reacciones es de gran utilidad para el diseño de fármacos, el control control de la contaminación contaminación y el procesamiento procesamiento de alimentos, alimentos, entre otros.

2. OBJETIVOS Los estudiantes al término de la sesión serán capaces de: ● Estu Estudi diar ar la ve velo loci cida dad d de la reacció reacción n entre entre el yodat yodato o de po pota tasio sio (KIO (KIO3) y el sulfito de sodio (Na2SO3). ● Medir Medir el tiem tiempo po en que que ocurr ocurree una reac reacció ción n quími química. ca. ● Medir el el efecto efecto de dos dos factores: factores: tempera temperatura tura y concentració concentración n de un reactivo reactivo en en la velocidad de reacción. ● Elab labor orar ar un info inform rmee es escr crit ito o de la ex expe peri rien enci cia, a, sigu siguie ien ndo el fo form rmat ato o establecido, estable cido, en el que señalará, señalará, el procedimien procedimiento to seguido, las observacion observaciones, es, los resultados obtenidos, la discusión de los resultados y las conclusiones finales.

3. PR PRIN INCI CIPI PIOS OS TE TEÓR ÓRIC ICOS OS 3.1 Velocidad de reacción: De acuerdo a la teoría de colisiones de las velocidades de reacció reacc ión n pa para ra qu quee se ge gene nere re un unaa reacc reacció ión n en entr tree át átom omos os,, io ione ness o moléc molécul ulas, as, es necesario necesar io que estas especies especies químicas químicas experimenten experimenten en primer primer lugar colisiones colisiones entre las partíc partícula ulass (choqu (choques). es). Cuand Cuando o presen presentan tan mayor mayor concen concentrac tración ión de reactan reactantes tes se  produce mayor número de colisiones por unidad de tiempo. Para que la colisión sea efic eficaz az es nece necesa sari rio o que que la es espe peci ciee reac reacci cion onan ante te,, cu cump mpla la co con n la lass sigu siguie ient ntes es características: Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

 

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● Deben Deben tener tener la mínima mínima energ energía ía necesari necesariaa para el reorde reordenam namien iento to de los electrones de valencia, para la ruptura y formación de enlaces químicos. ● Tener Tener las orienta orientacio ciones nes adecua adecuadas das entre entre sí de las partícu partículas las cuando cuando se efectúa efectúa la colisión. ● La energía energía cinética cinética promedi promedio o de un conjunto conjunto de partículas partículas es propo proporciona rcionall 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 acuerd acuerdo o a la teoría del del estado estado de transic transición ión,, en las reaccio reacciones nes quími químicas cas 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 rompan y se formen formen algunos algunos enlaces enlaces covalen covalentes tes al mismo mismo tie tiempo mpo.. Lo indica ind icado do sólo sólo ocurre ocurre cuando cuando las molécu moléculas las chocan chocan con sufici suficient entee energí energíaa cinética para vencer estabilidad energética potencial de los electrones.

3.2 Factores que afectan la velocidad de reacción a.

Nat atu urale ralezza de los los rea reacta tant ntees: La na natu tura rale leza za de lo loss re reac acta tant ntes es es está tá caracterizado por el estado de agregación de las sustancias caracterizado sustancias que reaccionan, reaccionan, el nivel de subdivisión de los reactantes sólidos, la naturaleza química, el tipo de elem elemen ento to o co comp mpue uesto sto,, y el medi medio o do dond ndee oc ocur urre re la re reacc acció ión n af afect ectan an la velocidad de una reacción química.

 b.

Concentración Concentrac ión 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.

 La velocidad de la mayor parte de las reacciones químicas se Temperatura: incr increm emen enta ta a medi medida da que que se aume aument ntaa la te temp mper erat atur ura. a. Dich Dicho o ef efec ecto to 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.

Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

 

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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 vivo enzimas son una familia de sustancias 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. activa do. Esta relación relación indica indica que la velocidad velocidad de reacción 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 similar al efecto de la temperatura temperatura sobre la velocidad velocidad de reacció reacción n cataliza catalizada da por enzimas. enzimas. Los valores valores de pH extrem extremos os pueden 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 ópti óptimo mo.. Por Por ejem ejempl plo o el pH ópti óptimo mo pa para ra la lass en enzi zima mass hu huma mana nass va varí ríaa notablement notab lemente, e, alcanzando alcanzando incluso valores extremos extremos de pH óptimo óptimo = 2 para la  pepsina (una enzima gástrica).

Expr presa esa la relac relació ión n de la rapid rapidez ez de un unaa reacc reacció ión n co con n la 3.3 3.3 Ley Ley de rapi rapide dez: z: Ex 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. Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

 

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Los exponentes  x  e  e  y especifican las relaciones entre las concentraciones de lo loss react reactiv ivos os A y B, y la rapide rapidezz de la reacc reacció ión. n. El va valo lorr de  x   y el valo valorr 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 Reacció Reacción n entre entre el yod yodato ato de potas potasio io y el sulfi sulfito to de sodi sodio: o: El efecto de la co conc ncen entra tració ción n de dell react reactiv ivo o sobr sobree la ve velo loci cida dad d de un unaa re reacc acció ión n qu quím ímica ica pu pued edee 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 iones sulfito sulfito reacciona reaccionan n con el yodato yodato de potasi potasio o produc producien iendo do iones 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 veloci dad de reacción reacción disminuye. disminuye. Por el contrario, contrario, aumentando aumentando la concentració concentración n del reactivo, aumenta la velocidad de reacción. Los sigu Los siguie ient ntes es gr gráf áfic icos os mues muestr tran an que que la ve velo loci cida dad d de la re reac acci ción ón de depe pend ndee directamente de la concentración de yodato de potasio.

Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

 

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4. PR PROC OCED EDIM IMIE IENT NTO O 4.1 Procedimiento de laboratorio real ● Tome cuatro matraces matraces cónicos cónicos de de 250 ml y etiquételos etiquételos como A, B, C y D. ● Agregu Agreguee 2 ml, 4 ml, ml, 6 ml y 8 ml ml de soluci solución ón de yoda yodato to de pota potasio sio (KIO (KIO3) 0.01 M a los matraces A, B, C y D. Agregue 10 10 ml ml d dee H2SO4 1M a cada matraz. Agregue Agregue agua agua para llevar llevar el volumen volumen de la solución solución a 100 100 ml en cada cada matraz. matraz. Agregu Agreguee 5 ml de de soluci solución ón de de almidó almidón n a cada cada matra matraz. z. Agregu Agreguee 10 ml ml de solu solució ción n de sulfit sulfito o de sodi sodio o (Na2SO3) 0.005 M a cada matraz y comience el cronómetro inmediatamente. ● Tenga Tenga en cuen cuenta ta el mome momento nto en en que que aparec aparecee el color color azul. azul. ● Repi Repita ta los 2 paso pasoss ante anteri rior ores es con las soluc solucio ione ness de los los matr matrac aces es 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

4.3 Experimentos [KIO3] vs tiempo El profesor indica la tabla de resultados que utilizará cada grupo para los cálculos correspondientes:

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Tabla 1. Datos para la elaboración de los gráficos correspondientes del experimento 1. Experimento 1

[KIO3] M

Tiempo (seg)

A

0,002

86

B

0,004

41

C

0,008

26

D

0,012

19

Tabla 2. Datos para la elaboración de los gráficos correspondientes del experimento 2. Experimento 2

[KIO3] M

Tiempo (seg)

A

0,002

87

B

0,004

41

C

0,008

26

D

0,012

18

Tabla 3. Datos para la elaboración de los gráficos correspondientes del experimento 3. Experimento 3

[KIO3] M

Tiempo (seg)

A

0,002

87

B

0,004

42

C

0,008

27

D

0,012

19

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

[KIO3] M

Tiempo (seg)

A

0,002

87

B

0,004

42

C

0,008

27

D

0,012

20

Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

 

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Tabla 5.  Datos Datos para para la elabor elaboraci ación ón de los gráficos gráficos corresp correspond ondien ientes tes del experimento 5. Experimento 5

[KIO3] M

Tiempo (seg)

A

0,002

86

B

0,004

41

C

0,008

26

D

0,012

20

Tabla 6. Datos para la elaboración de los gráficos correspondientes del experimento 6. Experimento 6

[KIO3] M

Tiempo (seg)

A

0,002

85

B

0,004

42

C D

0,008 0,012

27 20

4.4 Simulación del efecto de la temperatura Entrar al siguiente link: http://introchem.che http://introchem.chem.okstate.edu m.okstate.edu/DCICLA/iodi /DCICLA/iodine_clock.html ne_clock.html Aparece la siguiente pantalla:

Solo se modifica la variable temperatura.

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Para el primer primer experi experimen mento to empeza empezarr con 5°C. 5°C. Luego Luego darle darle click click a “START”, “START”, 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.

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:

 

5. RESULTADOS ● Graficar la concentración KIO3 vs el tiempo de reacción según los datos asignados por  ● ● ●

el profesor. Graficarr el ln[KIO3] frente al tiempo de reacción (segundos). Determinar el valor de Grafica la constante de rapidez. Grafica Graf icarr la inversa inversa de la concen concentrac tración ión,, 1/[KIO 1/[KIO3], fren frente te al tiem tiempo po de re reac acció ción n (segundos). Determinar en cada gráfica el R 2 (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). Tabla 7. Tiempo de reacción de las diferentes concentraciones del yodato de potasio KIO 3(ac). Matraz

0.01 M KIO3 (ml)

 A

2

1/vol de KIO3

1M H2SO4

Agua

Solución 0.005 M de  Na2SO3 almidón (ml)

Tiempo (t) para la aparición del color azul (s)

10

88

5

 

10

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B

4

10

86

5

10

 

C

6

10

84

5

10

 

D

8

10

82

5

10

 

Tabla 8. Determinar el efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción. Experimento  N°

V KI (mL)

V Na2SO3 y almidón (mL)

V(NH4) O3(S4O3 (mL)

1

5

2

5

2

5

2

5

25°C

3

5

2

5

45°C

Temperatura (°C)

 

Tiempo Rx. (s)

5°C

6. CUEST CUESTIONA IONARIO RIO PARA EL INFOR INFORME ME D DE E PR PRÁCTI ÁCTICAS CAS ¿Cuá uáll es el ef efect ecto o de la co conc ncen entr traci ación ón y la te temp mper erat atura ura sobr sobree la ve velo loci cida dad d de ● ¿C

● ● ● ●

●

●

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: a) El valor valor de la constante constante de de rapidez rapidez de primer primer orden orden para la desinte desintegració gración n del 240 Pu.  b) ¿Qué cantidad de muestra queda después de 100 años?. 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 Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

 

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1. Palma, J. et et al. (2015). (2015). Guía Guía de Práctica Práctica de Laboratori Laboratorio o Química Química General. General. Lima, Perú; Perú; Fondo editorial de la UNALM. 2. Unive University rsity of Oregon. Oregon. (2020). (2020). Iodine Iodine Clock Kinetics Computer Computer Simulation Simulation.. Oregon, 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. Chang, Chang, R., R., y Goldsb Goldsby, y, K. (2013). (2013). Química Química.. Ciudad Ciudad de México México,, México: México: Mc Graw Hill. Undécima Edición.

Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.