Sesion11_CINETICA

LQII Sesión 11: Cinética Cristal Violeta

SESIÓN 11. “ESTUDIO CINÉTICO DE LA DECOLORACIÓN DE UN COLORANTE ORGÁNICO UTILIZANDO UNA TÉCNICA ESPECTROFOTOMÉTRI ESPECTROFOTOMÉTRICA: CA: CINÉTICA DE LA DECOLORACIÓN DEL CRISTAL VIOLETA” Elaboración: Iolanda Porcar Boix (Dpto. Química Física)

1.- INTRODUCCIÓN  El estudio de la reacción entre los colorantes del trifenilmetano e iones hidroxilo goza de un especial interés dentro de la Medicina, Biología, Farmacia y Química. Así, se les ha estudiado como reactivo de análisis, agentes precipitantes, formadores de complejos indicadores de bases débiles en disolventes no acuosos, y en procesos de adsorción. Esta práctica se centra en el colorante clorhidrato de hexametil pararosanilina, vulgarmente conocido como Cristal Violeta. Se trata de un conocido agente antiséptico y antifúngico, principal colorante utilizado en la tinción de Gram, y quizás el más importante agente identificador de bacterias en uso hoy en día. También se utiliza en los hospitales para el tratamiento de graves quemaduras y otras lesiones de la piel y las encías.

2.- OBJETIVO DE LA PRÁCTICA Los objetivos de esta sesión son múltiples: 1. Determinar la ecuación de velocidad de la decoloración del Cristal Violeta en medio básico mediante espectroscopia de absorción. 2. Analizar la influencia de la concentración inicial de los reactivos sobre la velocidad de reacción. 3. Obtener el espectro de la disolución del colorante orgánico Cristal Violeta.

3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS  El Cristal Violeta es un compuesto orgánico soluble en agua que contiene un catión violeta. La adición de hidróxido sódico convierte el catión en la base carbinol incolora en un periodo de varios minutos. La reacción entre el cristal violeta y los iones hidroxilo, puede representarse como: N(CH3)2

N(CH3)2

-

OH (CH3)2 N

(CH3)2 N

N(CH3)2

k 1 (VIOLETA)

N(CH3)2 OH

(INCOLORA)

de manera que, al mezclar los reactivos se observará una disminución de color de la disolución a medida que transcurre el tiempo. 1

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La ecuación de velocidad puede expresarse como: v = k 1[CV ] n [OH − ]m

(1)

y como se sabe que la velocidad de reacción es de orden uno respecto al Cristal Violeta: v = k 1[CV ][OH − ] m

(2)

Si la mezcla inicial de la reacción es una disolución fuertemente básica, la concentración de OH- es mucho mayor que la de Cristal Violeta, podremos considerar que la concentración de OH –  permanece constante a lo largo de las medidas ([OH– ] = cte) y la ley de velocidad se podrá expresar: v = k [CV ]

(3)

k  = k 1[OH − ] m

donde k es una constante aparente de velocidad:

(4)

Si tenemos valores de “k” a diferentes [OH -], podremos obtener el orden parcial respecto del OH (m) y la constante absoluta de velocidad (k 1), sin más que tomar logaritmos en la ecuación (4) para obtener la ecuación de una recta: ln k  = ln k 1 + mln[OH − ]

(5)

Al representar “ln k” frente a “ln [OH– ]” para i series y ajustar, se obtiene “m” y “k 1”. Ya se ha comentado que la reacción es de pseudoprimer orden respecto al cristal violeta, y su ecuación diferencial se escribe:

v=

d[CV ] dt

e integrando entre t=0 y t=t, y reordenando, queda:

=

k [CV ] ln[CV ] t = ln[CV ]0 − k t

(6) (7)

Debido a la disminución del color violeta de la disolución del Cristal Violeta en presencia de iones hidroxilo con el tiempo, la conversión puede seguirse midiendo los cambios en la absorbancia. Esta magnitud está relacionada con la concentración a través de la ley de Lambert-Beer: A = ε l[c] = cte[CV ]

(8)

donde ε es el coeficiente de extinción molar (propio de la sustancia y cte a una λ ); ℓ es el camino óptico o longitud de la cubeta y [c] es la concentración molar de la disolución. Si aplicamos la ley de Lambert-Beer a la ec.(7), la ecuación de velocidad se podrá expresar en función de las absorbancias como:

lnA t = lnA 0 − k t

(9)

donde At es la absorbancia del Cristal Violeta en el tiempo t. Por tanto, una representación de ln A t frente al tiempo debe dar una línea recta (si la reacción es de pseudoprimer orden) con una pendiente = -k, que nos permite determinar la constante aparente de velocidad, k.

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4.- MATERIAL Y REACTIVOS 

Material Espectrofotómetro Dos cubetas/células Gradilla con tubos de ensayo 3 pipetas de 5 mL 2 aforados de 25 mL Parafilm Pipeta automática

Espátula pesasustancias cronómetro Vaso de 50 mL Varilla Cuentagotas Tijeras Bureta

Reactivos NaOH

Cristal Violeta (C25H30ClN3) Ftalato ácido de potasio Fenolftaleína

5.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

5.1. Preparación de disoluciones acuosas. Preparar 25 mL de NaOH 0.015M a partir del sólido. Preparar 25 mL de Cristal Violeta (CV) 2×10-5M a partir de una disolución de CV 0.1%.

5.2. Valoración de la disolución de NaOH. Valorar la disolución de NaOH preparada con ftalato ácido de potasio, usando fenolftaleína como indicador. Repetir tres veces la valoración

5.3. Medida de Absorbancias (seguimiento de la cinética). El método empleado para seguir la cinética de la reacción consiste en el registro de la absorbancia del Cristal Violeta en función del tiempo, para disoluciones fuertemente básicas. Seguiremos la reacción partiendo de cuatro series con concentraciones diferentes de reactivos para tener 4 series diferentes de absorbancia. Trabajaremos a longitud de onda = 590 nm.

Se conecta el espectrofotómetro al comenzar la sesión de prácticas. Se deja transcurrir entre 15 y 20 minutos para que se caliente. Se ajusta el cero del aparato y se selecciona la longitud de onda a 590 nm. Se realizarán cuatro series de medidas y en cada serie se preparará el blanco y la disolución problema. El blanco se preparará igual que la disolución problema a diferencia de que sustituiremos la disolución de Cristal Violeta por agua.

SERIE 1: Blanco: Se añaden en un tubo de ensayo 2 mL de NaOH y 2 mL de H 2O. Se agita, se introduce en la cubeta y se ajusta el espectrofotómetro al cero de absorbancia (o al 100% de transmitancia). Muestra: Se mezclan en un tubo de ensayo 2 mL de NaOH con 2 mL de la disolución de cristal violeta, poniendo inmediatamente en marcha el cronómetro. A continuación, tras homogeneizar, se introduce una muestra de la mezcla de reacción en la cubeta del espectrofotómetro tomando lecturas de Absorbancia a la λmax (sin sacar la cubeta) cada 2 minutos durante 12 minutos.

SERIEs 2, 3 y 4: Procedemos de idéntica forma a la Serie 1, variando los volúmenes de los reactivos de la forma que se muestra a continuación:

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BLANCO

MUESTRA

ml H2O

ml NaOH

ml CV

ml H2O

ml NaOH

SERIE 2

4

2

3

1

2

SERIE 3

6

2

4

2

2

SERIE 4

8

2

5

3

2

6.- TRATAMIENTO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES 

6.1. Determinación de la concentración de sosa a partir de los volúmenes de las valoraciones. 6.2. Comprobación del orden parcial (pseudoprimer orden) respecto del Cristal Violeta r epresentando ln A en función del tiempo para las cuatro series

6.3. Cálculo de la constante aparente k de cada serie

a partir de las pendientes de las

representaciones anteriores

6.4. Determinación del orden parcial respecto de los iones hidroxilo y la constante de velocidad absoluta k 1. Haciendo uso de la ecuación (5), representamos ln k frente a ln[OH]; la pendiente nos dará el orden parcial y de la ordenada en el origen determinamos la constante absoluta.

7.- CUESTIONES 

7.1. Cuestiones previas 1. ¿Por qué se registra la variación de la absorbancia en función del tiempo? 2. ¿Por qué se registra la variación de la absorbancia a 590 nm? 3. ¿Por qué se utilizan 4 concentraciones de reactivos diferentes? 4. En la valoración de la disolución de sosa con ftalato ácido de potasio dos alumnos pesan las siguientes masas (en gramos) de ftalato ácido de potasio: Alumno 1

0.22

0.22

0.22

Alumno 2

0.220

0.225

0.243

Alumno 3

0.227

0.205

2.05

¿Qué alumno(s) cree que actúa(n) más correctamente?

5. Para hacer la lectura de la absorbancia de cada serie se indica que previamente se ajuste, con el blanco, el espectrofotómetro al cero de absorbancia a la longitud de onda de 590 nm. ¿Es realmente necesario hacerlo para cada serie? 6. ¿Por qué en la preparación del blanco se sustituye la disolución Cristal Violeta por el mismo volumen pero de agua?

7.2. Cuestiones post-laboratorio 1. ¿Por qué la concentración de sosa es mucho mayor que la del Cristal Violeta? 2. ¿Podríamos trabajar con concentraciones de Cristal Violeta mucho mayores que las de sosa? 3. ¿Por qué se valora la sosa?

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4. Si no hubiésemos valorado la sosa, ¿podrías determinar el orden respecto de la sosa? ¿y respecto del Cristal Violeta? 5. En el guión se indica a que longitud de onda se debe registrar la absorbancia. Si no se indicase este dato, ¿cómo seleccionarías una longitud de onda apropiada? 6. Se indica que debe ponerse el cronómetro en marcha cuando se mezclan ambos reactivos, pero un alumno no lo recuerda y conecta el cronómetro al poner la muestra en el espectrofotómetro. ¿Esto repercutirá en sus resultados?

8.- BIBLIOGRAFÍA 1. Cannon, J. F.; Gammon, S. D.; Hunsberger, L. R. . KineticsLab: The Crystal Violet/Sodium Hydroxide Reaction J. Chem. Educ. Software Volume 7B Number 1, 1994.

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