Laboratorio de cinética química y biológica


Instituto Tecnológico de Morelia


INTRODUCCION

Una reacción química es producida por las colisiones eficaces entre las moléculas de los reactivos, al existir mayor número de factores que aumenten las colisiones, habrá una mayor velocidad de reacción. La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo.

La velocidad de las reacciones dependen de la concentración y la naturaleza de los reactivos, esto se puede apreciar ya que la velocidad crece cuando lo hacen las concentraciones de las especies reaccionantes, al haber un mayor número de choques y por ello mayor velocidad de reacción.
La temperatura también es un factor influyente en la velocidad de reacción, a una mayor temperatura habrá mayor cantidad de colisiones por lo tanto la velocidad de reacción será mayor.

La expresión de la ley de velocidad es aquella ecuación que relaciona la velocidad de una reacción con las concentraciones de reactivos y las constantes de velocidad específica
V=k
El aumento de la concentración de los reactivos hace más probable el choque entre dos moléculas de los reactivos, con lo que aumenta la probabilidad de que entre estos reactivos se dé la reacción.

En el caso de reacciones en estadogaseoso el aumento de la concentración de los reactivos se logra aumentando la presión, con lo que disminuye el volumen.
Si la reacción se lleva a cabo en disolución, para cambiar la concentración, lo que se hace es variar la relación entre el soluto y el disolvente.

MATERIALES
2 pipetas 5 y 10 ml
10 microtubos
Mechero, soporte,anillo y tela de asbesto
Baño maria
Hielo en cubitos
Cronometro
Termómetro


reactivos
KI: llamado yoduro de potasio, es una sal cristalina de fórmula KI, contiene un PM de 166 g/mol, densidad de 3130 kg/m3, punto de fusión de 680°C, punto de ebullición de 1327°C y una solubilidad en agua de 128 g/100 ml de agua. Se porta como una sal simple. El ion yoduro, al ser un reductor débil, es fácilmente oxidado por otros elementos como el cloro para transformarse en yodo. Tiene un pH neutro (pH = 7) ya que el catión potasio y el anión yoduro son iones espectadores, por lo que no reaccionan con el agua, manteniéndose inalterado el pH.

KBrO3: El bromato de potasio es un sal iónica que está formada por los iones bromato y potasio y tiene el aspecto de cristales o polvo de color blanco. Su peso molecular es de 167 g/mol, tiene una densidad de 3270 kg/m3, punto de fusión de 350°C, punto de ebullición de 370°C, su solubilidad en agua es de 6.91 g/100 ml (20°C) o 13.3 gr/100 ml (40°C), además de ques ligeramente soluble en alcohol e insoluble en acetona.
ALMIDÓN: un polisacárido de reserva energética predominante en las plantas, constituido por la unión de grandes cantidades de monómeros de glucosa.El almidón se encuentra en los amiloplastos de las células vegetales, sobre todo en las semillas, las raíces y los tallos, incluidos los tubérculos. También aparece en algunos protoctistas. Está formado por dos compuestos de diferente estructura
Amilosa: Está formada por α-D-glucopiranosas (normalmente de 300 a 3000 unidades de glucosa) mediante enlaces α-(1 4) en una cadena sin ramificar, o muy escasamente ramificada mediante enlaces α-(1 6) . Esta cadena adopta una disposición helicoidal y tiene seis monómeros por cada vuelta de hélice. Suele constituir del 25 al 30 % del almidón.
Amilopectina: Constituye el 70-75 % restante. También está formada por α-D-glucopiranosas, aunque en este caso conforma una cadena altamente ramificada en la que hay uniones α-(1 4), como se indicó en el caso anterior, y muchos enlaces α-(1 6) que originan lugares de ramificación cada doce monómeros. Su peso molecular es muy elevado, ya que cada molécula suele reunir de 2.000 a 200.000 unidades de glucosa.
Na2S2O3: conocido como tiosulfato de sodio, tienden a ser granos solidos de color blanco e inodoro. Tiene un peso molecular de 248.18 gr/mol cuando se encuentra pentahidratado. Tiene un pundo de fusion de 48°C, solubilidad de 680 g/l en agua a 20°C.
HCL : conocido como acido clorhidrico, contiene un PM de 36.46 g/mol, con una composicion de 97.23 %(Cl) y 2.76 % (H).Es una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno. Es un líquido de color amarillo (por presencia de trazas de fierro, cloro o materia orgánica) o incoloro con un olor penetrante.Su punto de fusiones de -26°C, su punto de ebullicion es de 48°C, viscosidad de 1.9.
H2O destilada: es aquella cuya composición se basa en la unidad de moléculas de H2O. Es aquella a la que se le han eliminado las impurezas e iones mediante destilación. La destilación es un método en desuso para la producción de agua pura a nivel industrial. Esta consiste en separar los componentes líquidos de una mezcla.



I.DETERMINACION DE LA LEY DE VELOCIDAD Y DE LA CONSTANTE DE VELOCIDAD



PROCEDIMIENTO Y OBSERVACIONES:
1. Primeramente se prepararon 10 microtubos a temperatura ambiente con las siguientes concentraciones:
PRIMERAS MUESTRAS
Mezcla de reacción
KI 0.010 M
Na2S2O3 0.001 M
H2O
A
5 gotas
5 gotas
5 gotas
B
10 gotas
5 gotas
0
C
5 gotas
5 gotas
0
D
5 gotas
5 gotas
0
E
4 gotas
5 gotas
6 gotas

SEGUNDAS MUESTRAS
Mezcla de reacción
KBrO3 0.040 M
HCl 0.10 M
Almidón al 2%
A’
5 gotas
5 gotas
3 gotas
B’
5 gotas
5 gotas
3 gotas
C’
10 gotas
5 gotas
3 gotas
D’
5 gotas
10 gotas
3 gotas
E’
2 gotas
8 gotas
3 gotas

2. Se procederá a mezclar el contenido de los microtubos de la siguiente manera
A’+A
B’+B
C’+C
D’+D
E’+E
Se agitara perfectamente e iniciara cronometraje del tiempo de reacción a partir del mezclado y hasta observar el viraje del color (azul obscuro). Se obtuvieron los siguientes resultados:
EXPERIMENTO
Tiempo promedio (s)
Temperatura
(°C)
Concentraciones iniciales (M)

-aˆ†[BrO3]
Velocidad de reacción (M/s)



[I]
[BrO3]
[H]+


1
1410
22
0.020
0.8
0.2
-1.0616x10-3
7.529x10-72
1516
22
0.040
0.8
0.2
-1.0616x10-3
7.0026 x10-7
3
1219
22
0.020
0.16
0.2
-1.0616x10-3
8.7087 x10-7
4
660
22
0.020
0.8
0.4
-1.0616x10-3
1.6084x10-6
5
1983.6
22
0.016
0.32
0.32
-1.0616x10-3
5.3518 x10-7

Al momento de realizar las mezclas en uno de los microtubos quedo de un color blanco debido a la precipitación del almidón.
Al adicionar al primer microtubo el reactivo KBrO3 tomo aproximadamente 80 segundos llevarse a cabo la reacción observándose en forma del viraje de color hacia un color obscuro y dándose una precipitación con gránulos negros.
Por lo que al realizar el mismo procedimiento en los microtubos siguientes pudimos apreciar la diferencia de tiempo en la cual se llevo a cabo el viraje de color.
Al realizar el cálculo del promedio del tiempo se obtuvo el valor de tiempo de 80 segundos

Según la estequiometria de la reacción, por cada mol de KBrO3 reaccionan 6 moles de Na2S2O3. Como en todos los experimentos se agregan 5 gotas de tiosulfato, el número de moles de tiosulfato en todos los experimentos es la misma . Para calcular el número de moles de bromato que reaccionan:


-7
Los datos de moles de S2O3 en una gota se obtuvieron e la práctica anterior

En todos los experimentos , el número total de la mezcla de reacción es de 25 mL =0.025L
Para calcular la , como el número de moles que reaccionan siempre es el mismo y el volumen total de los experimentos también es el mismo, es constante y es:



Para calcular las concentraciones iniciales en la solución de cada uno de los reactivos:La ley de velocidad tiene la forma:

Realizando los respectivos cálculos se obtuvieron el orden de reacción parcial
X=1 Y=3 Z=2
Orden total de reacción = 6





II.DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
METODOLOGIA

Observaciones y Resultados
Temperatra sC
Temperatura K
Promedio de tiempo de reacción(seg)
Velocidad de reacción (M/s)
Constante de velocidad (k)
1/T
ln k
40
314,15
918
 1,156x10^-6
1,411132x10^-3
0,003183193
-6.56336
22
295,15
1516.8
 6,9989x10^-7
8,5435x10^-4
0,003388108
 -7.06516
10
283,15
NO REACCIONO
0,003531697
 
0
273,15
3159.2
 3,3656x10^-7
4,1083x10^-4
0,003660992
 -7.797307




El microtubo a una temperatura de 10°C no reacciono por lo que no se tomo en cuenta para el grafico siguiente:


Según la ecuación de la recta tenemos que la pendiente es de -2641.5 por lo cual podemos calcular la energía de activación de la siguiente manera.



EVALUACION
1) Comente acerca de concordancia o no de los valores de las velocidades de reacción experimental y calculada, para el experimento 5 (E + E’). Explique las razones de la diferencia y su similitud.
EXPERIMENTO
tiempo
temperatura
[I]
[BrO3]
[H]
-aˆ†[BrO3]
Velocidad de reacción
5
1983.6
22
0.016
0.32
0.32
-1.06x10-3
5.351 x10-7

El resultado si es similar por lo que se puede deducir que la práctica se llevó a cabo con éxito y la velocidad de reacción si es coherente.
2) Explique brevemente sPor qué k debe tener casi los mismos valores para cada una de las reacciones a temperatura ambiente?
Laconstante de equilibrio k debe tener casi los mismos valores para cada una de las reacciones a temperatura ambiente debido a que el valor de esta constante en una reacción química es específica para cada temperatura. Si la temperatura varía, también lo hace la k sin embargo al tener una temperatura fija (temperatura ambiente) no se presenta un cambio significativo.
3) Compare los resultados obtenidos para la ley de velocidad, la constante de velocidad y la energía de activación, en las prácticas 2 y 4. Concluye acerca de lo obtenido.
PRACTICA
LEY DE VELOCIDAD
CONSTANTE DE VELOCIDAD
ENERGIA DE ACTIVACION
2


No se calculó energía de activación.
3


5.961x10-4 cal/molK
4


21.96275175𝐟𝐜𝑚𝑜𝑙K






Se puede observar la variación que existe entre la constante de equilibrio, ley de la velocidad y la energía de activación dependiendo de las distintas condiciones en las que se realizaron los experimentos, siendo estas condiciones variaciones en: temperatura y concentración. Estos experimentos han permitido el relacionar los conocimientos adquiridos en clases con las prácticas, dando resultados satisfactorios.
4) Describe las ventajas y desventajas de realizar un experimento con cantidades micro y con cantidades macro, sCuál de las dos metodologías es más confiable y reproducible?
TIPO DE CANTIDAD
VENTAJAS
DESVENTAJAS







MICRO
-Reduce los costos por alumno en cada experimento.
-Posibilita el aumento del número y repertorio de experimentos.
-Permite realizar experimentos que implican la utilización de reactivos máscostosos.
-Reduce la exposición a sustancias potencialmente tóxicas y los riesgos de explosión o incendio.
-Reduce en forma significativa la cantidad de reactivos usados y consecuentemente los residuos generados.
-Supone un menor tiempo de reacción y de experimentación, por lo que se puede dedicar más tiempo al análisis de los resultados.

-Requieren equipo más preciso y especializado.
-Algunos fenómenos no se pueden apreciar tan claramente como por ejemplo la liberación de calor de una reacción exotérmica.
-Obtención de un bajo rendimiento debido a pérdidas que aunque sean pequeñas serían más significativas que en una macro escala.
- Requiere reactivos más puros.
-Es más fácil la contaminación de la muestra.
MACRO
-A nivel industrial son más utilizadas.
-Algunos resultados son más visibles con esta escala.
-No requieren reactivos con un alto grado de pureza.
-No requiere de instrumentos tan precisos como la micro escala.

-Requieren mayor espacio para almacenarse.
-Requieren de mucha cantidad de reactivo.
-Al requerir mayor cantidad del reactivo que se está analizando se tiene menor reproducibilidad en las pruebas.

En conclusión la micro escala es más precisa ya que con una menor cantidad de producto se puede tener una reacción más rápida y al tener una mayor posibilidad de reproducir el experimento es más confiable.

CONCLUSIONES
Mediante esta práctica logramos nuevamente reafirmar que tanto los procedimientos experimentales como los teóricos coincidieron al momento de calcular la ley de velocidad y energía de activación de dichareacción, donde se pudo corroborar que la temperatura interviene como un factor importante en la velocidad de una reacción.
Donde a mayor temperatura menor tiempo sin embargo en esta ocasión se notó que la reacción tomo bastante tiempo en llevarse a cabo. Al igual que se pudo comprobar gráficamente la relación que la ecuación de Arrhenius establece.

Se utilizó la ley de la velocidad para calcular el orden de reacción de cada compuesto así como el orden de reacción global


Obteniéndose un orden de reacción parcial de X=1,Y=3, Z=2 y el Orden de reacción global= 6
Se obtuvo un constante, ya que el número total de moles así como el volumen en todas las reacciones siempre es el mismo.
Se observaron velocidades de reacción rápidos en cada experimento, dependientes de las respectivas temperaturas, así como de la concentración de reactivos ya que a medida que éstas aumentan, se incrementa el número de colisiones, ya que las partículas se moverán más rápido y por ello será mayor la velocidad de reacción.

No logramos completamente la comparación de la técnica macrotécnica y microtécnica planteada al inicio de esta práctica ya que ambas se realizaron en microtubos y se obtuvieron resultados similares.
Por último se puede mencionar que se retomó el cálculo de Molaridad, orden de reacción así como la constante de velocidad a partir de datos experimentales donde nos fue muy útil el análisis de datos; y una vez mas pudimos observar que tanto los datos experimentales como los teóricos son útiles para llevar a cabo estudios de reacciones químicas