LABORATORIO DE MECANICA TEMA: CINÉTICA QUÍMICA DOCENTE: INTEGRANTES: FREDDY VÁSQUEZ MONDRAGÓN CICLO: II TURNO: NOCHE AULA: B 208 2014 INDICE Pág Introducción ------------------------Objetivo --------------------------Marco Teórico --- - -- ------------------Materiales -------------------------Procedimiento --------------------------Resultado Experimental -------------------------Cuestionario ---------------------------Recomendaciones --------------------------Conclusiones ----------------------------- 01 02 03 07 13 15 17 19 20 INTRODUCCIÓN : La cinética química es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de reacción, cómo cambia la rapidez de reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan mediante la reacción general (Difusión, ciencia de superficies, catálisis). La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; la química cuántica permite indagar en las mecánicas de reacción. El objeto de la cinética química es medir las velocidades de las reacciones químicas y encontrar ecuaciones que relacionen la velocidad de una reacción con variables experimentales. Se encuentra experimentalmente que la velocidad de una reacción depende mayormente de la temperatura y las concentraciones de las especies involucradas en la reacción. En las reacciones simples, sólo la concentración de los reactivos afecta la velocidad de reacción junto con la temperatura, pero en reacciones más complejas la velocidad también puede depender de la concentración de uno o más productos. La presencia de un catalizador también afecta la velocidad de reacción; en este caso puede aumentar su velocidad. Del estudio de la velocidad de una reacción y su dependencia con todos estos factores se puede saber mucho acerca de los pasos en detalle para ir de reactivos a productos. Esto último es el mecanismo de reacción. Las reacciones se pueden clasificar cinéticamente en homogéneas y heterogéneas. La primera ocurre en una fase y la segunda en más de una fase. La reacción heterogénea depende del área de una superficie ya sea la de las paredes del vaso o de un catalizador sólido OBJETIVOS * Aprender experimentalmente la velocidad de una reacción química. * Explicar cualitativa y cuantitativamente la velocidad de una reacción. * Aprender a graficar con mayor precisión los vs de cada reacción. * Interpretar y explicar la velocidad de una reacción química en un sistema homogéneo. * Comprobar que existen factores que modifican la velocidad de una reacción. * Formular las soluciones de problemas y ejercicios relacionados con la velocidad de las reacciones químicas. MARCO TEORICO Este campo estudia la velocidad de reacción de los procesos químicos en función de la concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción, de los catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la temperatura, y de todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción. Cuando algunas sustancias reaccionan lo hacen en forma lenta, por ejemplo el hierro en presencia de aire; otras reaccionan rápidamente, como por ejemplo el sodio también en presencia de aire; y hay sustancias como el papel en presencia de aire que no reaccionarían jamás sin el auxilio del fuego, pero una vez comenzada la reacción ésta se desarrolla rápidamente. Entonces, tanto para que una reacción ocurra, como para modificar su velocidad, se deberán tener en cuenta varios factores. VELOCIDAD DE REACCIÓN La cinética química busca la relación entre la forma precisa en que varía la velocidad de reacción con el tiempo, y la naturaleza de las colisiones intermoleculares (que controlan la velocidad) implicadas en la generación de los productos de reacción. FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LA REACCION Para que dos sustancias reaccionen, sus moléculas, átomos o iones deben chocar. Estos choques producen un nuevo ordenamiento electrónico y, por consiguiente un nuevo ordenamiento entre sus enlaces químicos, originando nuevas sustancias. 1. Temperatura Según la Teoría Cinética, la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas o iones y por consiguiente el movimiento de estos, con lo cual, aumenta la posibilidad de choques entre las moléculas o iones de los reactivos, aumentando la posibilidad de que ocurra la reacción o acelerando una reacción en desarrollo. 2. Superficie de contacto Cuando una o todas las sustancias que se combinan se hallan en estado sólido, la velocidad de reacción depende de la superficie expuesta en la reacción. Cuando los sólidos están molidos o en granos, aumenta la superficie de contacto y por consiguiente, aumenta la posibilidad de choque y la reacción es más veloz. 3. Agitación La agitación es una variante del punto anterior, lo que se logra agitando las sustancias reaccionantes, es mezclar íntimamente los reactivo aumentando la superficie de contacto entre ellos. 4. Luz Hay reacciones que en la oscuridad son muy lentas, como por ejemplo, la combinación del hidrógeno con el cloro. La luz solar acelera la reacción de modo tal, que a la luz solar directa, la reacción se hace explosiva: H2 + Cl2 ® 2.HCl 5. Concentración La velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración en moles por litro (moles/litro), de las sustancias reaccionantes. 6. Catalizadores Se llaman catalizadores a las sustancias que intervienen en las reacciones, acelerándolas o retardándolas y que siguen presentes al finalizar la reacción, es decir que no se consumen en esta, no son parte de los productos reaccionantes. Las sustancias que retardan la velocidad de reacción se denominan inhibidores. Son características de los catalizadores: a) Gran desproporción entre la masa de las sustancias que reaccionan y la pequeña masa del catalizador. b) El catalizador se halla igual al final del proceso, que al comienzo de él. c) Un catalizador no produce una reacción que sin él no se realiza, solo modifica la velocidad de la misma. d) Los catalizadores son específicos de cada reacción o de un cierto grupo de reacciones. La absorción de las impurezas que acompañan a las sustancias reaccionantes, pueden disminuir o detener la acción del catalizador. Estas sustancias que retardan la acción de los catalizadores se denominan venenos del catalizador. Ejemplo: Suponiendo que la velocidad de reacción de la primera reacción elemental tiene una dependencia cuadrática con la concentración del reactivo A, esto significa que esta reacción es de segundo orden con respecto al reactivo A. El orden total de esta reacción es también segundo, pues no hay otros reactivos. Suponiendo que la velocidad de reacción de la segunda reacción elemental tenga una dependencia lineal con la concentración del reactivo A2, lineal con la concentración del reactivo B y ninguna dependencia con C. Entonces es la reacción de primer orden en relación a A2, de primer orden en relación a B y de cero orden en relación al componente C. El orden total es segundo. Suponiendo que la velocidad de reacción de la tercera reacción elemental tenga una dependencia lineal con la concentración de A2BC, pero ninguna con la concentración de D, entonces es la reacción de primer orden en relación a A2BC y de orden cero en relación a D. El orden total de la reacción es primero. Para una reacción hipotética de la forma: La velocidad de reacción se define como la siguiente expresión en caso de que sea una reacción simple molecular, como la del caso anterior: v=k [A]α[B]β Las concentraciones de reactivos están elevadas a su correspondiente Coeficiente cinético sólo en el caso en el que la reacción sea elemental). Donde los corchetes denotan la concentración de cada una de las especies; “r” denota la rapidez de reacción y “k” es la constante cinética. La velocidad de las reacciones químicas abarca escalas de tiempo muy amplias. Por ejemplo, una explosión puede ocurrir en menos de un segundo; la cocción de un alimento puede tardar minutos u horas PARTE EXPERIMENTAL MATERIALES Tubos de ensayo 1 gradilla 2 pipetas de 5 ml 1 vaso de 50 ml 1 propipeta cronometro REACTIVOS Solución de yodato de potasio 0,2 M (A) Solución de Bisulfito de sodio 0,01 M(B) Solución de almidón Acido sulfúrico Agua destilada PROCEDIMIENTO EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN Para investigar el efecto de la concentración de uno de los reactantes sobre la velocidad de reacción, se hará disolución de la solución A para variar la concentración del ión IO3-. En cada caso la concentración del ión HSO3-, se mantendrá constante y la temperatura de todas las soluciones será la temperatura ambiente. a) Con una pipeta limpia mida 5 ml. de solución A y con un gotero agregue unas 5 gotas de solución de almidón y 2 gotas de acido sulfúrico concentrado luego viértala en un tubo de ensayo limpio. Lave la pipeta y mida 5 ml. De la solución B y viértala en otro tubo de ensayo limpio. b) Vierta la solución A sobre la solución B agitando rápidamente para conseguir la uniformización del sistema. Mediante un cronómetro empiece a controlar desde el instante en que ambas soluciones entran en contacto. c) Observe cuidadosamente la mezcla en el tubo e interrumpa el control del tiempo en el instante que aparece el color azul del almidón o el amarillo del yodo. d) Repita las operaciones desde a) hasta e) empleando las siguientes diluciones de solución A: KIO3 4ml 3ml 2ml 1ml H2O 1ml 2ml 3ml 4ml RESULTADO EFECTO DE LA CONCENTRACION (TEMPERATURA AMBIENTE) Prueba 1 2 3 4 5 KIO3(ml) 5ml 4ml +(1mlH2O) 3ml +(2ml H2o) 2ml +(3ml H2o) 1ml +(4ml H2o) [ K IO3] 0,2 m 0,016m 0,012m 0,008m 0,004m Tiempo(seg) 32 seg. 36 seg. 57 seg. 75 seg. 1.20 seg. Construya una grafica de concentración de KIO3 sobre el eje vertical y el inverso del tiempo de reacción (correspondiente a la velocidad de reacción) sobre el eje horizontal. CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN V1 X C1= V2 X C2 1) Si 0,2 m X 5ml 4ml X = 0,016 m 2) Si 0,2 m 5ml X 3ml X = 0,012 m 3) Si 0,2 m X 5ml 2ml X = 0,008 m 4) Si 0,2 m X 5ml 1 ml X = 0,004 m` []· 0,2 -------------- 0,016 0,012 0,008 0,004 0 32 36 57 75 1.20 (seg) CUESTIONARIO: ELABORADO POR EL GRUPO 1.-Defina o explique. a) Cinética La cinética química se define como aquella ciencia que se encarga del estudio de la Velocidad de reacción, las condiciones a su alrededor y las interacciones dentro de la reacción. Esta ciencia trata en particular dos cosas: todo el proceso del mecanismo de reacción y plantear una ley de velocidad. El mecanismo de reacción se refiere a lo que Sucede al pasar del estado inicial al final, como por ejemplo si se produce algún Cambio en la energía (espontánea o no espontánea) (Chang, 2010). b) Catalizador Un catalizador es una sustancia que no participa en la reacción, sin embargo ayuda a que esta se lleve a cabo pues la puede inducir acelerar o inhibir. Un ejemplo de Catalizador es el trihidruro de aluminio, el cual hace posible que algunas reacciones Inorgánicas se lleven a cabo, es decir las induce (Baeza, 1997). Si a 25°C dicho vi} volumen gaseoso se desprende en 4 minutos, a 35°C por duplicares la velocidad se concretará en la mitad del tiempo: 2 minutos; y a 45°C por duplicarse nuevamente la velocidad de reacción, el tiempo necesario se reduce a la mitad del anterior.: 1 minuto. 2.- ¿Qué es un catalizador homogéneo? Un catalizador homogéneo es aquel que se encuentra formando una mezcla homogénea con los reactivos (no nada más en el mismo estado de agregación, el agua y el aceite tienen el mismo estado pero no forman mezclas homogéneas), este tipo de catalizadores es el mas común, dentro de esto el más utilizado es el H+ (ácidos), sin embargo es el menos útil para la industria. Un catalizador no acelera una reacción, un catalizador lleva al los reactivos por otra reacción con menor energía de activación que da como resultado el mismo producto que la reacción sin catalizador (esto es muy importante que lo entiendas). Catalizadores homogéneos hay de todos tipos, óxidos metálicos, compuestos organometalicos, ácidos, bases y los clásicos en sistemas biológicos, las enzimas. 4.- ¿Cómo se calcula la velocidad de reacción? Se determina midiendo la cantidad de moles de reactivos que se convierten a productos relacionándolos con el tiempo. Por ejemplo: Si mides que 2 moles de H2 y 1 mol de O2 reaccionan para producir 2moles de H2O y lo hacen en 5 segundos entonces tienes una velocidad de 0.4moles por segundo ó 0.4mol s-1 RECOMENDACIONES * Calcular bien el tiempo de reacción con mucha precaución. * Lavar bien los tubos de ensayo. * En la velocidad de reacción estar bien atentos cuando cambia de color. * Se recomienda cuidar los materiales de laboratorio usados en la práctica de laboratorio puesto que son de vidrios. * Tener mucho cuidado con los ácidos utilizados en esta práctica. Correctamente los pasos de los ensayos a realizarse en cada experimentación. Los pasos no realizados correctamente nos ocasionaría errores gráficos y otros por ello realizar correctamente los pasos de los ensayos a realizarse en cada experimentación. Conclusiones * Cuando las gráficas son negativas entonces diremos que la pendiente es negativo y cuando la pendiente es positiva entonces diremos que es positiva. * Se entendió que la cinética química se encarga del estudio de la velocidad de reacción. * Cuando la concentración es menor la velocidad de reacción es rápida * También se puedo entender el Cambio de concentración de la dilución * Se entendió que con la cinética química se puede realizar una reacción o no se puede realizar una reacción. * Se entendió las velocidades de la reacción gracias a l a cinética química
