Cinética Química

Guía para el docente
Cinética química
Teorías: Complejo Activado y de Colisiones
Guía para el docente
Descripción curricular:
- Nivel: 3º Medio
- Subsector: Ciencias químicas
- Unidad temática: Cinética
- Palabras claves: Cinética, velocidad de reacción, mecanismo de reacción.
- Contenidos curriculares: Cinética
- Medición de la velocidad de una reacción simple, a lo
menos a dos temperaturas y a dos concentraciones iniciales de
reactantes; determinación del orden de reacción; cálculo de las
constantes de velocidad; estimación de la Energía de activación.
- Introducción a los mecanismos de reacción; reacciones
químicas reversibles, y equilibrio químico
- Composición
química
y
características
físicas
de
catalizadores de uso en la vida cotidiana.
- Contenidos relacionados:
- 1° Medio
ƒ El aire
ƒ Los procesos químicos
- 2° Medio
ƒ Modelo atómico de la materia
ƒ Disoluciones químicas
- 3° Medio
ƒ Reactividad y equilibrio químico
ƒ Reactividad en química orgánica
- 4° Medio
ƒ Procesos químicos industriales
- Aprendizajes esperados:
- identifican el concepto de velocidad de reacción;
- reconocen que la velocidad con que ocurre una reacción
determinada
- depende principalmente de dos factores: concentraciones y
temperatura;
- reconocen el concepto de mecanismo para explicar la
cinética de una reacción simple;
- asocian a una reacción una determinada energía de
activación;
- distinguen entre los conceptos de catalizador e inhibidor;
- valoran la importancia de los catalizadores,
particularmente en la catálisis enzimática de procesos de
importancia bioquímica, y en los convertidores catalíticos
de motores de combustión interna.
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Cinética química
Teorías: Complejo Activado y de Colisiones
Aprendizajes esperados de esta actividad:
- Comprender y relacionar las teorías acerca de mecanismos de reacción.
- Comprender qué es la velocidad de una reacción.
- Comprender cuáles son y cómo afectan los factores que influyen en la
velocidad de una reacción química.
- Desarrollar competencias de trabajo de investigación y rescate de ideas
principales para generar autoaprendizaje.
- Desarrollar competencias de trabajo de laboratorio, observación y
descripción de fenómenos.
Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl:
- Ficha 21: Teorías: Complejo activado y de colisiones
- Juego: “¿Quién sabe más?”.
- Animación: “Choques”.
- Diapositivas digitales (ppt): “Cinética química”.
Actividades propuestas para este tema:
En este documento encontrará dos actividades asociadas al tema de cinética
química.
-
-
La actividad “¿Cómo ocurren las reacciones químicas?” es un trabajo de
investigación que pretende que los estudiantes comprendan qué es la
cinética de una reacción y se cuestionen cómo ocurren las reacciones
químicas.
La actividad “¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de una
reacción química?” es de carácter experimental. En ella se utiliza
lavalozas líquido concentrado para observar cómo difunde de acuerdo
con la temperatura del medio de difusión. Esta actividad se puede
realizar tanto en un laboratorio como en la sala de clases o bien en la
cocina de una casa.
Sugerimos realizar las actividades en grupos de tres o cuatro estudiantes.
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Cinética química
Teorías: Complejo Activado y de Colisiones
ACTIVIDAD: ¿Cómo ocurren las reacciones químicas?
Duración: dos horas pedagógicas
1. Mapa de contenidos tratados
¿Cómo ocurren las reacciones
químicas?
Energía de activación
Complejo activado
Endergónicas
(Endotérmicas
Exergónicas
(Exotérmicas
Figura 1: Diagrama de energía para una
reacción exotérmica
Colisiones
Efectivas
Inefectivas
Hay
Reacción
No hay
reacción
Figura 2: Diagrama de energía para una
reacción endotérmica
2. Desarrollo de la actividad ¿Cómo ocurren las reacciones químicas?
Paso 1
Esta actividad tiene por objetivo que los estudiantes realicen un trabajo de
investigación acerca de ambas teorías de mecanismo de reacción. Antes de
comenzar esta actividad, asegúrese de que sus estudiantes dispongan de la
bibliografía adecuada.
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Cinética química
Teorías: Complejo Activado y de Colisiones
Para comenzar la actividad puede realizar las siguientes preguntas:
- ¿Cómo ocurren las reacciones químicas?
- ¿Cómo es que los reactivos se juntan, reaccionan, se mezclan, se unen
o se separan para formar un producto distinto al inicial?
- ¿Qué tiene que ocurrir? ¿Un reactivo cualquiera pasa por varias etapas
para formar un producto o sólo se transforma “mágicamente” en un
producto nuevo?
- ¿Cómo lo hace? ¿Qué necesita?
Recoja las opiniones de los estudiantes, puede anotarlas en la pizarra.
Las respuestas a estas preguntas se encuentran en las teorías de colisiones y
complejo activado, las que intentan explicar cómo ocurren las reacciones
químicas.
Paso 2
Entregue la Guía para el estudiante que se encuentra disponible en el portal
educarchile. Lean la guía en conjunto o pueden acceder a ella en línea.
La primera parte de la actividad cuenta con una pequeña introducción acerca
de Teoría de colisiones y Teoría del complejo activado.
Sin embargo, los estudiantes deben buscar información acerca de ambos
temas. Pueden acceder a la información en las fichas temáticas disponibles en
el portal educarchile, en otros medios como Internet o bien en libros y textos
para el estudiante. Este tema cuenta también con una animación llamada
“Choques”, que pretende ilustrar choques eficaces e ineficaces entre partículas
(Teoría de colisiones).
Paso 3
Una vez que dispongan del material adecuado, contesten las preguntas de la
actividad. Comiencen por la Teoría de colisiones, cuyas respuestas se
encuentran a continuación.
I. Teoría de colisiones
1) ¿En que consiste la Teoría de colisiones?
La Teoría de colisiones indica que para que una reacción química comience
es necesario que se produzca un choque entre partículas de reactivo. Las
colisiones deben cumplir las siguientes condiciones:
- Las moléculas de reactantes deben poseer la energía suficiente para
que pueda ocurrir el rompimiento de enlaces, reordenamiento de los
átomos y posteriormente la formación de los productos. Si no se
dispone de la energía suficiente, las moléculas rebotan sin formar los
productos.
- Los choques entre las moléculas deben efectuarse con la debida
orientación en los reactantes.
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Teorías: Complejo Activado y de Colisiones
2) ¿Qué es un choque ineficaz y uno eficaz?
Las colisiones ineficaces son aquellas que no cumplen con las condiciones
necesarias y, por tanto, no se da origen a un producto distinto en la
reacción. Mientras que las colisiones eficaces inician una reacción química
para generar un producto nuevo y distinto al reactivo inicial.
3) ¿Cómo afectaría el aumento de presión y temperatura sobre el número
de colisiones entre partículas de reactivo?
Imaginemos que las partículas de gas que se encuentran en un
determinado volumen se mueven sin parar. Si aumentamos la presión
sobre este gas, lo que estamos haciendo es disminuir el volumen disponible
para las partículas de gas que se encuentran en movimiento, haciendo que
la probabilidad de que choquen entre ellas aumenta. Lo mismo ocurre si
aumentamos la concentración en una solución en estado líquido. Si las
partículas de líquido se encuentran en movimiento y aumentamos la
cantidad de partículas por unidad de volumen, incrementamos la posibilidad
de que estas partículas se encuentren y choquen, iniciando una reacción
química.
Por otra parte, si elevamos la temperatura de una solución en cualquier
estado, lo que estamos haciendo es entregarles a las partículas energía
cinética (energía de movimiento), lo que aumenta el número de choques
entre ellas, haciendo más probable la reacción entre partículas de reactivo.
Paso 4
Antes de que los estudiantes escriban las conclusiones que describen esta
teoría, vean la animación vinculada a esta actividad (“Choques”). Con ella
podrán imaginar una colisión efectiva y otra inefectiva y, por lo tanto,
comprender de mejor manera esta teoría.
Paso 5
Desarrollen las preguntas sobre la Teoría del complejo activado. Las respuestas
se encuentran a continuación.
II. Teoría del complejo activado
1) ¿En qué consiste la Teoría del complejo activado?
La Teoría del complejo activado indica que para que se produzca una
reacción química los reactivos deben adquirir una cantidad determinada de
energía hasta alcanzar un estado de transición, el que tiene más energía
que los productos. La cantidad necesaria para alcanzar un complejo de
reactivo activado determinará la velocidad de reacción. Si esta energía
(energía de activación) es muy alta, a los reactivos les tomará más tiempo
alcanzarla, y más lenta será la reacción. Por otro lado, si la energía de
activación es pequeña, será más fácil alcanzar el estado de transición,
haciendo más rápida la reacción.
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2) ¿Qué es la energía de activación?
La energía de activación es la energía que necesitan los reactivos para
alcanzar el estado de transición o complejo activado.
3) ¿Qué ocurre con la velocidad de una reacción si ésta requiere de poca
energía de activación?
Si una reacción requiere de poca energía de activación es más fácil que el
reactivo se transforme en un complejo activado y, por lo tanto, la reacción
es más rápida (aumenta la velocidad de reacción).
4) ¿Qué ocurre con la velocidad de una reacción si ésta requiere de mucha
energía de activación?
Si una reacción requiere de alta energía de activación, los reactivos
demoran más en adquirir esta energía, disminuyendo la velocidad de la
reacción.
5) ¿Qué es complejo activado?
El complejo activado es el reactivo que ya adquirió toda la energía de
activación. Es un complejo de alta energía (mayor que los productos),
inestable, que decae rápidamente a productos.
6) ¿Qué es una reacción exotérmica?
Según el cambio neto de energía entre productos y reactantes, las
reacciones requieren (absorben) o producen energía. Si esta energía se
manifiesta como calor, entonces las reacciones son endotérmicas si
absorben calor, y exotérmicas si liberan calor.
7) ¿Qué es una reacción endotérmica?
Una reacción endotérmica es aquella que requiere calor para que la
reacción comience. Sin esta energía la reacción no se produce.
8) Para una reacción cualquiera:
A+ B⎯
⎯→ C + D
a) Dibuja un diagrama de energía si la reacción es exotérmica.
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b) Dibuja un diagrama de energía si la reacción es endotérmica.
Paso 5
Para concluir la actividad, pídales a sus estudiantes que describan en pocas
palabras la Teoría del complejo activado y la Teoría de colisiones.
Puede utilizar como actividad de autoevaluación el juego asociado a este tema:
“Quién sabe más”.
ACTIVIDAD: ¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de una
reacción química?
Duración: dos horas pedagógicas
1. Mapa de contenidos tratados
V para una reacción:
Velocidad de
reacción
A⎯
⎯→ B
− ∆[ A] ∆[ B ]
V =
=
t
t
Naturaleza de los
reactivos
Temperatura
Estado físico de
los reactivos
Concentración
Catalizadores e
inhibidores
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Teorías: Complejo Activado y de Colisiones
2. Desarrollo de la actividad: ¿Cómo afecta la temperatura a la
velocidad de una reacción química?
Paso 1
Esta actividad es de carácter experimental en la que se observa la disolución a
distintas temperatura de detergente líquido. Se puede realizar tanto en un
laboratorio como dentro de una sala de clases.
Entregue la Guía para el estudiante que se encuentra disponible en el portal
educarchile.
Lean juntos la introducción a la actividad para recordar los conceptos de
cinética de reacciones químicas.
- Cinética de reacción química
- Velocidad de reacción.
- Factores que modifican la velocidad de una reacción.
Paso 2
Indique que algunos de estos factores se pueden comprobar fácilmente en un
laboratorio. Invite a sus estudiantes a comprobar el efecto de la temperatura
sobre la velocidad de una reacción de solubilización.
Asegúrese de contar al inicio de la actividad con agua caliente.
Reparta los materiales por grupo o por estudiante e indique el procedimiento
de este trabajo práctico.
Materiales:
- Taza o vaso
- Agua fría y agua caliente
- Lavalozas líquido concentrado (de color).
Procedimiento:
1. Agrega un poco de agua fría a una taza de té.
2. Calienta agua y agrega un poco en una taza de té.
3. Agrega una gota de lavalozas líquido concentrado a la taza con agua fría.
Observa lo que sucede con la gota de lavalozas líquido en la taza.
4. Agrega una gota de lavalozas líquido concentrado a la taza con agua
caliente. Observa lo que sucede con la gota de lavalozas líquido en la
taza.
Paso 3
Comiencen la actividad.
Los efectos de la temperatura en una reacción de solubilización se pueden
observar inmediatamente. La gota de lavalozas líquido concentrado difundirá
inmediatamente en la taza con agua caliente, mientras que en la taza con agua
fría, este proceso demorará unos minutos.
Por lo tanto, esta parte de la actividad debiera desarrollarse en pocos minutos.
Si es necesario, pueden repetir la actividad en tazas con agua limpia.
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Teorías: Complejo Activado y de Colisiones
Paso 4
A medida que los estudiantes vayan terminando la actividad, que contesten las
siguientes preguntas de descripción, explicación, análisis y aplicación de esta
experiencia. Las respuestas a estas preguntas se encuentran a continuación.
1. Describe lo que sucede con la gota de lavalozas en la taza con agua fría.
El lavalozas líquido agregado a la taza con agua fría difunde lentamente en
la taza.
2. Describe lo que sucede con la gota de lavalozas en la taza con agua
caliente.
El lavalozas líquido agregado a la taza con agua caliente difunde más rápido
que en el caso anterior. Es casi inmediata su solubilización en agua. En
cambio, en la taza con agua fría este proceso tarda un poco más.
3. ¿Por qué crees tú que ocurrió esto?
En agua caliente la difusión ocurre más rápido comparándola con la difusión
en agua fría. Por lo tanto, la temperatura del agua afectó la reacción que se
produce entre el lavalozas y el agua.
4. ¿Cómo afectó la temperatura en la reacción del detergente con el agua?
El aumento de temperatura, incrementa la velocidad de la reacción que
ocurre entre el agua y lavalozas.
5. ¿Por qué la temperatura afecta de este modo a esta reacción?
Esto ocurre debido a que el aumento de temperatura implica la entrega de
energía cinética a las partículas dentro de la taza, haciendo que éstas se
muevan y choquen más con otras partículas, incrementando la velocidad de
la reacción.
Paso 5
Para finalizar la actividad pídales a sus estudiantes que escriban una conclusión
que explique de qué manera afecta la temperatura en la reacción que involucra
la disolución de detergente.
Recomiende a sus estudiantes observar la animación “Choques”, disponible
para esta actividad. Puede, también utilizarla como recurso durante la
actividad.
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