0 Práctica cinética Determinación de la velocidad media, los órdenes y la energía de activación de la reacción: 2KM nO4 + 5H 2 C 2 O4 + 3H 2 SO4 → 2M nSO4 + K 2 SO4 + 10CO2 + 8H 2 O Trabajo realizado por Pablo Watson 2º BI NS Realizado entre el 10 de octubre y el 30 de octubre ÍNDICE 1 Introducción………………………………………..2 - Resumen……………………………………………………...2 Palabras clave………………………………………………..2 Fundamento teórico………………………………………….2 Pregunta de investigación…………………………………..3 Hipótesis………………………………………………………3 Objetivos ……………………………………………………..3 Variables……………………………………………………...3 2 Metodología………………………………………..4 - Método………………………………………………………...4 Materiales……………………………………………………..6 Reactivos……………………………………………………...7 Medidas de seguridad……………………………………….7 3 Cálculos…………………………………………….9 - Tabla de datos brutos………………………………...……...9 Cálculos………………………………………………………..9 Gráficas…………………………………………………...….11 Tabla de datos elaborados…………………………………13 4 Conclusión………………………………………..13 - Conclusión…………………………………………………..13 - Evaluación…………………………………………………..13 - Límites y mejoras…………………………………………...14 5 Bibliografía………………………………………..15 1 1 Introducción - Resumen Esta práctica se usará para calcular diversos valores cinéticos de la reacción de permanganato potásico con ácido oxálico en un medio ácido( ácido sulfúrico). Para ello se fabrican las distintas disoluciones a distintas concentraciones, y se hace que reaccionen en distintas temperaturas, para calcular lo que se ha propuesto. Para ello, se obtendrán los compuestos necesarios, y se vertirán en dos tubos de ensayo, para después verterlos en uno mismo, y observar como desaparece el color rosáceo del permanganato potásico. - Palabras clave Órdenes de reacción, velocidad media de reacción, energía de activación - Fundamento teórico A la hora de comprender esta práctica, serán necesarios una serie de conocimientos. Uno de ellos es el concepto de velocidad media “Podemos definir la velocidad de reacción media vm como la variación de la concentración de los reactivos (o de los productos) que se da en un determinado tiempo”1 Partiendo de esta definición, conociendo la concentración inicial del K M nO4 , se puede obtener la expresión. Vm = ΔC ΔT (1) También será necesario conocer el concepto de órdenes de reacción. “En cinética química, el orden de reacción con respecto a cierto reactivo, es definido como la potencia (exponencial) a la cual su término de concentración en la ecuación de tasa es elevado.”2 Para hacer esto, es necesario realizar experimentos a distintas concentraciones. Otro concepto que debe de ser conocido es el de energía de activación. “La Energía de activación en química y biología es la energía que necesita un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso. La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada.”3 En este caso, se calculará la energía de activación mediante el siguiente método. Ea = −R ( T11 − T12 ) V × ln V 1 2 (2) El concepto de catalizador también será necesario conocerlo. “ Un catalizador es una sustancia que puede aumentar o disminuir la velocidad de una reacción aunque permanece 1 https://proyectodescartes.org/ingenieria/materiales_didacticos/cinetica_quimica_descartes-JS/veloci dad_media.html Consultado el 13/11/20 2 https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/orden-de-reaccion Consultado el 13/11/20 3 https://www.ecured.cu/Energ%C3%ADa_de_activaci%C3%B3n Consultado el 13/11/20 2 invariable desde el punto de vista químico al final de la reacción. (Esto es debido a )el hecho de proporcionar una nueva ruta cuya energía( de activación) es menor (o mayor) que la no catalizada”4 . El catalizador empleado en este caso será uno que aumenta la velocidad media, es decir, reduce la energía de activación. También es necesario conocer lo que sucede en la reacción, que da la casualidad que es una reacción de reducción. “La reducción es toda aquella reacción química donde los átomos de uno de los reactivos termina ganando electrones; lo que también puede verse de esta manera: se reduce su vacancia o “incomodidad” electrónica. Un átomo gana electrones cuando una especie los dona; es decir, se oxida.”5 En este caso, el permanganato se oxida, y el ácido oxálico se reduce. M nO4 − + C 2 O4 2− + H + → M n2+ + C O2 + H 2 O (3) - Pregunta de investigación La pregunta de investigación de la práctica es, ¿cuáles serán los órdenes de reacción, la energía de activación y la velocidad media de la reacción? Para ellos nos tendremos que referir a los datos obtenidos - Hipótesis La hipótesis inicial es que la energía de activación será elevada, la velocidad media de reacción será bajita, y los órdenes 2 para el oxálico, y 1 para el permanganato - Objetivo El objetivo de esta práctica es obtener la energía de activación, la velocidad media de la reacción, y la energía de activación - Variables Variable independiente La temperatura, concentración de reactivos la Variables que se modifican los en el experimento para obtener unos resultados Variable dependiente La velocidad media de la reacción Variables que cambian según como se cambien las variables independientes Variable controlada La temperatura Variables que afectan de alguna manera al experimento Tabla 1: Variables VV.AA, Química , 2017, Vicens Vives https://www.lifeder.com/reduccion-quimica/#:~:text=La%20reducci%C3%B3n%20es%20toda%20aqu ella%20reacci%C3%B3n%20qu%C3%ADmica%20donde,una%20especie%20los%20dona%3B%20e s%20decir%2C%20se%20oxida. Consultado el 13/11/20. 4 5 3 2 Metodología - Método A la hora de llevar a cabo este experimento, hubo una gran serie de problemas, pero finalmente, después de muchas modificaciones, conseguimos obtener los datos deseados. Inicialmente, decidimos fabricar 3 disoluciones distintas, para probar la eficacia del experimento, y si se podía cambiar algo. Fabricamos H 2 SO4 de una concentración de 0,25 M en un matraz aforado de 100 mL(necesarios 1,4 mL), 100 mL de H 2 C 2 O4 de una concentración 1, 5 × 10−3 M( necesarios unos 13,5 mg), 100 ml de K M nO4 de una concentración 5 × 10−4 M( necesarios 8 mg). Inicialmente, en la prueba, cuando tratamos de comprobar como había transcurrido la reacción, pensábamos que no se había dado. Sin embargo, dejamos la reacción media hora de reposo, volvimos, y pudimos observar que la reacción se había dado, pero había formado un precipitado marrón el cual imposibilitaba la visión, por lo que era imposible determinar cuando había concluido la reacción. Inicialmente, pensamos que esto era debido al hecho de que el medio ácido en el que se realizaba la reacción era insuficiente Sin embargo, volvimos a realizar el experimento con 2 mL de H 2 SO4 puro, y sin embargo no nos funcionaba, y tardaba varios días en ponerse transparente, lo cual no concordaba con los datos que habíamos investigado que deberían de salirnos. Finalmente, encontramos una página web que explicaba que la reacción se podría realizar con un catalizador, lo cual haría que aumentase la velocidad de la reacción.En el caso de nuestro experimento, se usó el sulfato de manganeso( M nSO4 ). Sin embargo, seguía formándose el precipitado marrón( aunque de manera más rápida), y no podíamos determinar cuando finalizaba la reacción. Finalmente llegamos a la conclusión de que debíamos usar mayor cantidad de ácido oxálico, por lo que duplicamos su concentración a 3 × 10−3 M, para ver si esto cambiaba en algo, y no se formaba el precipitado marrón. Esta práctica la realizamos a temperatura ambiental( 19,5ºC), y finalmente produjo resultados sin que estuviese ningún precipitado marrón. Decidimos en ese momento que debíamos usar 2 mL de H 2 SO4 puro,3 mL del permanganato 5 × 10−4 M , y 2 mL del oxálico 3 × 10−3 M. Para calcular la velocidad de reacción, es necesario grabar como transcurre la reacción con un móvil, para poder determinar cuando finaliza la reacción. Para ello, cuando se vaya a introducir el líquido de uno de los dos tubos de ensayo en el otro, una de las dos personas que realiza la práctica debe de haber empezado a grabar, para así poder determinar posteriormente cuando ha finalizado la reacción. Seguidamente, fuimos variando la concentración de ácido oxálico( de 3 × 10−3 M a 6 × 10−3 M) y la del permanganato( de 5 × 10−4 M a 1 × 10−3 M), para tratar de determinar los órdenes de reacción de estos compuestos, y fuimos cambiando la temperatura de la reacción( usamos 45ºC, 35ºC y 25ºC), para tratar de obtener la energía de activación, aunque fuese 4 la energía de activación con un catalizador( que como ya vimos en la introducción, es menor debido al uso del catalizador). Imagen 1: momento anterior a la finalización de la reacción Imagen 2: de izquierda a derecha: permanganato sin reaccionar, dos disoluciones fallidas, y dos reacciones una vez acabada la reacción Imagen 3: imagen cercana de la reacción completada 5 - Materiales Material Descripción Error Balanza de precisión Metal. Mide con precisión la masa Micropipeta Plástico. Sirve para enrasar una disolución Pipeta Vidrio. Se usa para extraer líquidos, y verterlos en otro sitio Tubo de ensayos Vidrio. Se usa para almacenar líquidos de volumen pequeño Gradilla Metal. Lugar donde se meten los tubos de ensayo. Campana de gases Lugar donde se extraen sustancias que pueden producir gases peligrosos Termómetro Metálico. Sirve para medir la temperatura de un compuesto ± 0, 1 ºC Matraz aforado Vidrio. En él se pueden crear disoluciones. ± 0, 38 mL Frasco lavador Plástico. En él contiene agua destilada, y sirve para diluir Vidrio de reloj Vidrio. Lámina cóncava que sirve para pesar compuestos Varilla Vidrio. Sirve para mezclar mediante la agitación algunas sustancias Cucharilla Metal. Tiene una agarradera para coger sustancias sólidas Móvil Metal. Sirve para grabar la reacción. Placa calefactora Metálico. Sirve para calentar sustancias gran ± 0, 0001 g ± 0, 08 mL Tabla 2: Materiales 6 - Reactivos H 2 SO4 K M nO4 “El ácido sulfúrico o sulfato de hidrógeno, es un líquido incoloro, viscoso y un ácido inorgánico fuerte”6 “Compuesto químico formado por una combinación de iones de potasio y permanganato, (...), de color violeta o morado oscurodebido principalmente al permanganato.”7 H 2 C 2 O4 “El ácido oxálico, también llamado etanodioico, es un ácido dicarboxílico alifático, con dos átomos de carbono.(..)Es sólido, incoloro y cristalino, su forma dihidratada traslúcida (polvo blanco)”8 M nSO4 “El sulfato de manganeso (II) es un sólido inorgánico. Su forma anhidra (sin agua en su estructura) es un sólido blanco.”9 Tabla 3: Reactivos - Medidas de seguridad Los productos empleados en esta práctica son extremadamente peligrosos. El más peligros de ellos es el ácido sulfúrico. “ Al ser un ácido fuerte, oxidante, agente corrosivo y deshidratante, es más peligroso que los otros ácidos minerales. Causa quemaduras químicas severas al contacto con la piel. El contacto con los ojos puede causar daño permanente y ceguera.Respirar el gas liberado por las reacciones con otras sustancias puede causar dificultad para respirar y una sensación de ardor en el sistema respiratorio.”10 Como hemos citado, este ácido es extremadamente peligroso, por lo que a la hora de trabajar con él, se usaron batas de laboratorio y guantes, para que no pueda entrar en contacto con nuestra piel. A su vez, también usamos una campana de gases y gafas protectoras, para que los gases que este emite, no nos puedan afectar. Otro compuesto que también podría ser peligroso es el permanganato.”Un compuesto muy peligroso si no se utiliza con la precaución que merece. (...)Incluso corrosivo, con lo que no https://www.acidosulfurico.org/ Consultado el 13/11/20 https://psicologiaymente.com/miscelanea/permanganato-potasio Consultado el 14/11/20 8 https://www.acidooxalico.org/ Consultado el 14/11/20 9 https://www.lifeder.com/sulfato-de-manganeso/ Consultado el 14/11/20 10 https://www.acidosulfurico.org/ Consultado el 14/11/20 6 7 7 debería manejarse con la piel desnuda.(...)En lo que respecta a la versión diluida, puede llegar a provocar irritaciones, quemaduras”.11 Debido a esto, cuando estábamos tratando este compuesto, siempre usamos guantes y batas, para que no entre en contacto con nuestra piel desnuda, y se usará una cucharilla a la hora de sacarlo del bote e introducirlo en la balanza de precisión. También será necesario tener cuidado a la hora de operar con el ácido oxálico. “Es evidente que el ácido oxálico en su forma pura y cristalizada no debe ser ingerido por ningún motivo, ni tampoco debe tocar ninguna de las superficies de la piel porque puede ser irritante y causar quemaduras.”12 Por lo previamente citado, se debe de tener bastante cuidado con este compuesto, empleando siempre guantes y batas para que no entre en contacto con nuestra piel y usando cucharillas para transportarlo del bote a la balanza. Por último, hablaremos de los peligros del sulfato de manganeso.”La exposición prolongada o repetida a este compuesto en cantidades apreciables puede causar daño.Produce irritación en los ojos y membranas mucosas del tracto respiratorio, anorexia, dolor de cabeza, pérdida del equilibrio, neumonía e infecciones respiratorias.”13 Por todo lo previamente explicado, cuando se maneja este compuesto se debe de tener bastante cuidado, por lo que será siempre necesario el uso de guantes y batas de laboratorio a la hora de manejarlo. https://psicologiaymente.com/miscelanea/permanganato-potasio. Consultado el 14/11/19 https://www.acidooxalico.org/ Consultado el 14/11/20 13 https://www.lifeder.com/sulfato-de-manganeso/ Consultado el 14/11/20 11 12 8 3 Cálculos - Tabla de datos brutos Medida Concentración H 2 SO4 (± 1, 227 × 10−5 ) Concentración H 2 C 2 O4 () Temperatura (± 0, 1ºC) Tiempo (± 1 s) 1 3 × 10−3 M 5 × 10−4 M 19, 5ºC 60s 2 3 × 10−3 M 5 × 10−4 M 55º C 15s 3 6 × 10−3 M 5 × 10−4 M 19,5 ºC 29s 4 6 × 10−3 M 5 × 10−4 M 55ºC 8s 5 3 × 10−3 M 1 × 10−3 M 19,5ºC 18s 6 3 × 10−3 M 1 × 10−3 M 55ºC 6s Tabla 4: Datos brutos - Cálculos Los cálculos necesarios para calcular la velocidad media es la describida en el fundamento teórico. Inicialmente habrá que calcular los gramos necesarios para fabricar las disoluciones que hemos propuesto. Vamos a describir cómo se fabrica una disolución 3 × 10−3 M, de 100 mL de ácido oxálico. M= ns V → ns = 3 × 10−3 × 0, 1 = 3 × 10−4 moles de oxálico m n = mm → m = 3 × 10−4 × 90 = 0, 027 gramos de oxálico El mismo proceso es repetido para obtener los gramos del permanganato potásico. Para calcular la velocidad media, nos referiremos a (1) Vm = ΔC ΔT (1) Vamos a describir un ejemplo de como se haría, usando ma medida 1. Para media la velocidad media, hay que tener en cuenta como desaparece el permanganato. Vm = ΔC ΔT → 5×10−4 60 = 8, 333 × 10−6 mol L×s También para calcular la Energía de activación, será necesario comprobar 2 velocidades distintas, y usar la ecuación (2) 9 Ea = Ea = −R V ( T11 − T12 ) × ln V 1 −R ( T11 − T12 ) × ln V 1 → E a = 2 V −8,31 1 1 ( 328 − 292,5 ) 2 × ln (2) 2,5×10−5 8,33×10−6 = 24, 67 kJ Debido al hecho de que la Energía de activación no cambia, es decir, es constante, se puede hacer la media de los 3 datos obtenidos,para conseguir una mayor seguridad a la hora de conseguir los datos, y el resultado es de una energía de 26,092kJ. Esto es, como ya se ha indicado previamente, mediante el uso de un catalizador, por lo que la energía de activación real de la reacción es superior a la calculada. Ahora se procederá a describir el cálculo de errores. En este caso, como va variando la velocidad, y va variando la concentración, será necesario calcular el error de cada uno, pero aquí solo se mostrará cómo calcular el error de un ejemplo, tomando la medida número 1 para realizar los cálculos. Error en las disoluciones Error moles oxálico 0,0001×100 0,00047×100 △m×100 + Δmm×100 = 0,027 + m mm 90 −4 0,371×3×10 = 1, 11 × 10−6 mol de oxálico 100 Error en la concentración de oxálico 1,1×10−6 ×100 Δn×100 ΔV ×100 + V = 3×10−4 n 0,409×3×10−3 = 1, 227 × 10−5 M 100 + =± 0, 371% de moles oxálico 0,000038×100 0,1 =± 0, 409% de concentración de oxálico de oxálico Error moles permanganato 0,0001×100 △m×100 + Δmm×100 = 0,0079 m mm 1,2661×5×10−5 = 6, 33 × 10−7 100 + 0,00047×100 158 =± 1, 2661% moles permanganato Error en concentración permanganato 6,33×10−7 ×100 0,000038×100 Δn×100 ΔV ×100 + = + =± 1, 304% −5 n V 0,1 5×10 1,304×5×10−4 =± 6, 52 × 10−6 M de permanganato 100 concentración permanganato Esto se realiza con las distintas disoluciones, en el caso que sea conveniente. 10 Error en la velocidad ΔM ×100 M + Δt×100 t 2,971×8,33×10−6 100 = 6,52×10−6 ×100 + 1×100 60 5×10−4 2, 476 × 10−7 mol L×s = =± 2, 971 mol L×s Error relativo de la velocidad 2,476×10−7 8,333×10−6 = 0, 0297 , por lo que el error obtenido es extremadamente pequeño comparado con el valor obtenido. Si se hace la media de todos los valores relativos, obtenemos un valor de 0,089 Error en la energía de activación Como se han realizado menos de 6 mediciones, se puede considerar que el error de la valor máximo energía− valor mínimo energía 28,922−24,672 energía es = =± 2, 125kJ 2 2 Error relativo de la energía de activación 2,125 26,092 = 0, 081 . Este es el valor relativo obtenido con la media de la energía de activación que se había calculado en el apartado de cálculos. - Gráficas Imagen 1: Relación entre el la concentración de permanganato y velocidad 11 Como se puede observar en la gráfica, la recta de mejor ajuste es una línea recta, ya que solamente se han tomado 2 valores. En esta gráfica, lo que se pretendía calcular era el orden de la reacción del permanganato, el cual se ha podido demostrar que tiene un orden de 3, por lo que conforme aumenta su concentración, está aumenta linealmente. También es preciso indicar que el error de la pendiente de esta reacción es la diferencia entre la pendiente máxima y pendiente mínima, y dividirlo entre 2 4,1357−1,3583 = 1, 38865 . Esto significa que el orden de la reacción está entre 2 y 4 2 Imagen 2: representación de la concentración del oxálico frente a la velocidad. En esta gráfica se ha tratado de calcular el orden de la reacción del permanganato, el cuál es la pendiente de la reacción , que como se puede observar, es extremadamente próximo a 2, por lo que se puede prácticamente considerar que es 2. También se puede calcular el error de esta pendiente, de la misma manera que la del permanganato. 3,3795−0,6234 2 =± 1, 378 De aquí podemos sacar la ecuación de la velocidad de la reacción. v = k × [KM nO4 ] α × [H 2 C 2 O4 ] β → k × [KM nO4 ] 3 × [H 2 C 2 O4 ] 2 12 - Tabla de datos elaborados Medida Velocidad media ( mol L×s ) 1 8, 333 × 10−6 (± 2, 476 × 10−7 ) 2 3, 333 × 10−5 (± 2, 657 × 10−6 ) 3 1, 724 × 10−5 (± 8, 1930 × 10−7 ) 4 6, 250 × 10−5 (± 8, 628 × 10−6 ) 5 5, 555 × 10−5 (± 3, 459 × 10−6 ) 6 1, 666 × 10−4 (± 2.994 × 10−5 ) Tabla 5: Datos elaborados velocidad media Medidas Energía de activación (± 2, 125kJ) Medidas 1 y 2 24,677 Medidas 3 y 4 28,922 Medidas 5 y 6 24,672 Media 26,092 Tabla 6: Datos elaborados de la energía de activación 4 Conclusión - Conclusión Después de haber realizado la práctica, se ha podido determinar que el valor de la energía de activación( con un catalizador) es de 26,092 kJ, por lo que es una energía elevada.Sin embargo, esto es la energía usando catalizador, por lo que la energía real de la reacción debe de ser incluso mayor. También se ha podido determinar experimentalmente que los órdenes de la reacción son de 2 respecto al oxálico, y de 3 respecto al permanganato potásico. A su vez, se ha podido obtener las velocidades medias de todas las reacciones. - Evaluación El error obtenido de la velocidad media es extremadamente bajo, con un error relativo muy bajo, por lo que se puede considerar que la práctica tiene unos errores prácticamente irrelevantes en lo referente a la velocidad. A su vez con la energía de activación, también su error ha tenido un valor extremadamente bajo, por lo que el valor obtenido es extremadamente cercano al real. También se ha podido determinar cuál era la ecuación de la velocidad de la reacción v = k × [KM nO4 ] 3 × [H 2 C 2 O4 ] 2 , y a su vez los órdenes de la reacción. Sin embargo, el error de estos si que es mayor, y se podría decir que los órdenes son una unidad por debajo o por encima de los determinados 13 La práctica tiene una precisión buena, puesto que los valores obtenidos de los órdenes de reacción están dentro de los parámetros iniciales. El método para determinar lo que se quería calcular fue un proceso dificultoso, que después de mucho investigar y de tratar de conseguir la reacción de diversas maneras, se pudo conseguir. - Límites y mejoras Límites Mejoras Se trataba de una reacción complicada, en la cuál era posible que se formasen otros productos distintos a los que se deberían formar. También , no se ha podido calcular la energía de activación real, sino la catalizada. También se han realizado insuficientes medidas, por lo que no está claro la precisión de los datos Se debe de documentar previamente antes de realizar la reacción. También, se pueden usar unas concentraciones mayores de los reactivos, para no trabajar con pequeñas cantidades de masa. Tabla 6: Límites y mejoras 14 5 Bibliografía https://proyectodescartes.org/ingenieria/materiales_didacticos/cinetica_quimica_descartes-JS/velocid ad_media.html https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/orden-de-reaccion https://www.ecured.cu/Energ%C3%ADa_de_activaci%C3%B3n https://www.lifeder.com/reduccion-quimica/#:~:text=La%20reducci%C3%B3n%20es%20toda%20aqu ella%20reacci%C3%B3n%20qu%C3%ADmica%20donde,una%20especie%20los%20dona%3B%20e s%20decir%2C%20se%20oxida VV.AA, Química , 2017, Vicens Vives https://www.acidosulfurico.org/ https://psicologiaymente.com/miscelanea/permanganato-potasio https://www.acidooxalico.org/ https://www.lifeder.com/sulfato-de-manganeso/ 15
