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Qumica FI UNPSJB 2015 Pgina 159

CTEDRA: QUMICA GUA DE LABORATORIO N 5

PARTE A: CINTICA QUMICA PARTE B: TERMOQUMICA: CALOR DE NEUTRALIZACIN

OBJETIVOS 1. Estudiar la cintica de una reaccin qumica por el mtodo de las velocidades iniciales. 2. Determinar los rdenes parciales de reaccin 3. Determinar el valor de la constante especfica de la velocidad de reaccin 4. Escribir la expresin de la ecuacin de velocidad de una reaccin qumica.

INTRODUCCIN TERICA Una reaccin reloj es una reaccin qumica en la que un cambio de color sbito marca el final de la transformacin de los reactivos en productos. El tiempo que transcurre hasta el final de la reaccin depende de la concentracin de las especies qumicas implicadas en la misma. Si las concentraciones de los reactivos pueden ajustarse de modo que haya cambios de color de manera peridica, se les denomina reacciones oscilantes. Este tipo de reacciones son muy utilizadas en el estudio de la cintica de las reacciones qumicas, para conocer a qu velocidad tiene lugar una transformacin qumica.

Uno de los factores que afecta la velocidad de reaccin es la concentracin de los reactivos. Para una reaccin del tipo: A + B productos; v = k [A]a [B]b donde v es la velocidad de reaccin, k es la constante de velocidad, y [A] y [B] son las concentraciones molares de los reactivos. El exponente a se llama orden de la reaccin con respecto al reactivo A y el exponente b, orden de la reaccin con respecto al reactivo B. La suma a + b se conoce como orden total de la reaccin. Estos exponentes se determinan experimentalmente.

En este experimento, se va a estudiar la cintica de la reaccin del in ioduro (I-1) con el in bromato (BrO3-1) en medio cido, que es una reaccin lenta a temperatura ambiente.

6I +BrO

+ 6H 3I +Br

+ 3HO(1)

La ecuacin de velocidad es de la forma: z1y1x13 ]H[]I[]BrO[kvelocidad += debemos encontrar los valores de x, y, z; para ello realizaremos varias experiencias variando en cada ocasin la concentracin de uno de los reactivos y manteniendo constante la de los otros dos reactivos. Para conocer la velocidad de reaccin, hay que registrar el tiempo de aparicin de un producto o la desaparicin de un reactivo. Nosotros emplearemos para seguir la reaccin, otra reaccin simultnea en el mismo tubo:

I + 2SO

2I +SO

(2)

PARTE A: CINTICA QUMICA


sta reaccin comparada con la reaccin (1) es instantnea. La reaccin (2) consume el yodo molecular (I2) formado en la reaccin (1) tan pronto como ste se produce, por lo que la concentracin de I2 se mantiene muy baja a lo largo del tiempo. Cuando todo el in tiosulfato (S2O3-2) se ha consumido en la reaccin (2), la concentracin de I2 aumenta considerablemente en la solucin y se forma un compuesto de yodo con almidn que marca el final de la reaccin qumica (reaccin 3)

I2 + almidn complejo de color azul intenso (3)

Una de las caractersticas del almidn es que forma un complejo de color azul oscuro en presencia de yodo, casi de forma instantnea, reaccin que se utiliza para su reconocimiento. En nuestro caso preparamos las soluciones con la concentracin adecuada para producir un retraso en la reaccin del yodo con el almidn.

Emplearemos el denominado mtodo de las velocidades iniciales para la determinacin de rdenes de reaccin que consiste en medir la velocidad al comienzo de la misma, cuando los reactivos se han consumido menos del 5-10%. En este caso, las concentraciones de los reactivos pueden considerarse constantes y aproximadamente iguales al valor de las concentraciones iniciales. Para conseguir este objetivo pondremos siempre la misma y pequea cantidad del in S2O3-2 en nuestros experimentos. La determinacin de la velocidad de reaccin se realiza midiendo el tiempo, t, necesario para la formacin de una cantidad fija de I2 que produce la desaparicin completa del S2O3-2. Para encontrar la constante de velocidad y los rdenes de reaccin del proceso mantendremos constante la concentracin de dos de los reactivos en un grupo de experimentos y en otro la del tercer reactivo.

Entonces, tomaremos una pareja de pruebas en las que se mantengan constantes las concentraciones del H+1 y I-1, y se vare la de BrO3-. Analizando como vara la velocidad de la reaccin con respecto a sta concentracin para esta pareja de pruebas seleccionada, deduciremos el valor del exponente x en la ecuacin de velocidad de la siguiente manera:

velocidad = k!BrO

"

#!I"$!H"%

velocidad = k!BrO

"

#!I"$!H"%

velocidad

velocidad=

k!BrO

"

#!I"$!H"%

k!BrO

"

#!I"$!H"%=

!BrO

"

#

!BrO

"

#

Conociendo la ][ 3BrO , se obtiene el valor de x y se procede de manera similar para determinar y y z. Una vez hecho esto se determina el valor de la constante de velocidad.

MATERIALES NECESARIOS Tubos de ensayo REACTIVOS pipetas de 2 y 5 mL Na2S2O3 0,001 M en H2SO4 0,04M pisetas HCl 0,1 M.

cronmetro KI 0,01 M propipetas KBrO3 0,04 M gradillas solucin de almidn recin preparada


PROCEDIMIENTO 1. Combinar los reactivos de acuerdo a la tabla 1, colocar las cantidades requeridas de cada reactivo en cada tubo de ensayo identificado como A y B. Rotular los tubos. 2. Agregar el contenido del tubo A en el tubo B y comenzar a tomar el tiempo con el cronmetro cuando la solucin contenida en el tubo A toque la solucin contenida en el tubo B. 3. Anotar el tiempo en el que la coloracin azul llega al fondo del tubo. No agitar 4. Realizar por lo menos dos mediciones del tiempo por prueba 5. Para cada prueba tomar el valor promedio del tiempo, el inverso de ste tiempo nos dar la velocidad relativa en s-1. 5. Calcular la concentracin inicial de cada uno de los reactivos en cada prueba y completar los valores en la tabla del informe.

Tabla 1: Mezclas de reaccin TUBO A TUBO B

Solucin KI 0,01 M Na2S2O3 0,001 M H2O

KBrO3 0,04 M

HCl 0,1 M almidn H2O

In Reaccionante I-1 S2O3-2 BrO3-1 H+1 N PRUEBA

1 2 mL 2 mL 6 mL 2 mL 2 mL 5 gotas 6 mL 2 4 mL 2 mL 4 mL 2 mL 2 mL 5gotas 6 mL 3 2 mL 2 mL 6 mL 4 mL 2 mL 5gotas 4 mL 4 2 mL 2 mL 6 mL 2 mL 4 mL 5gotas 4 mL 5 1,6 mL 2 mL 6,4 mL 1 mL 3 mL 5gotas 6 mL

Preguntas 1- Nombrar los reactivos necesarios para la experiencia de cintica qumica 2- Escribir la expresin de la ecuacin de velocidad 3- A partir de qu momento comienza a tomar el tiempo en la experiencia?

PARTE B: DETERMINACIN DEL CALOR DE NEUTRALIZACIN DE HCl Y NaOH

OBJETIVOS 1. Inferir el comportamiento de las mezclas de cidos y bases fuertes en una experiencia de neutralizacin 2. Utilizar un calormetro para la determinacin del calor de neutralizacin 3. Aplicar los principios de calorimetra en la experiencia a realizar

PRERREQUISITOS Conocer los principios bsicos de calorimetra.


INTRODUCCIN TERICA La termoqumica es el estudio de los cambios de calor en las reacciones qumicas. La variacin de entalpia (H) representa el flujo de calor en cambios qumicos que se efectan a presin constante. Si en una reaccin se libera calor, se dice que el proceso es exotrmico (H < 0) y si se absorbe calor el proceso es endotrmico (H > 0).

Calor de reaccin: calor involucrado en una reaccin y representa la diferencia entre la entalpa de los productos a P y T y las entalpas de los reactivos a P y T. El estado tipo o estndar de una sustancia es su forma pura a 1 atm de presin. La entalpa estndar de una reaccin es el cambio de entalpa para la cual tanto reactivos como productos estn en estado estndar y la variacin de entalpa se indica como H

.

Calor de neutralizacin: Es el calor (H) correspondiente a una reaccin de un cido con una base. El H298 de neutralizacin de un cido fuerte con una base fuerte es -55,9 kJ por mol de agua formada y es esencialmente constante e independiente de la naturaleza del cido fuerte o base fuerte.

Experimentalmente se puede determinar el flujo de calor asociado a una reaccin qumica midiendo los cambios de temperatura que sta produce. La medida del flujo de calor se denomina calorimetra y el aparato en el cual se mide la cantidad de calor es un calormetro. Los calores de reaccin de un conjunto muy variado de procesos qumicos comunes en el laboratorio, se pueden determinar en un calormetro a presin constante. Al no estar hermticamente cerrado el recipiente, el desprendimiento de calor que se produce qreacc, es igual a H.

Al producirse la reaccin de neutralizacin entre el cido y la base, se desprende calor que es absorbido por todas y cada una de las partes componentes del calormetro. Midiendo la temperatura en el sistema con la mxima precisin posible, antes y despus de la reaccin, cuando se ha alcanzado el equilibrio trmico, se puede conocer la cantidad de calor que se ha desprendido en la reaccin que, puesto que se trata de una reaccin exotrmica:

tmcqreacc = = Hreacc

Donde m: masa; c: calor especfico y t = tf ti, siendo 221 ii

itt

t+

=

Como la solucin y el vaso absorben el calor liberado por la reaccin, el calor total ser:

tcmcmq vvssreacc += )(

siendo: Calor especfico de la solucin: cs = 3,6 J/g C Calor especfico del vidrio Pyrex: cv = 0,84 J/ g C

Lo convencional es expresar los calores de neutralizacin por mol de agua que se forma o, lo que es lo mismo, por mol de cido que se neutraliza por mol de base. Para obtener el resultado de la forma deseada debemos considerar la cantidad de cido y base que reaccionan.


formada agua demolqH neutrcinneutraliza =

MATERIALES NECESARIOS:

Dos vasos de precipitado 100 mL Calormetro termmetro Balanza granataria Probeta 25 mL varilla de vidrio HCl 4 M NaOH 4 M

PROCEDIMIENTO

1. Haciendo uso de la balanza determinar la masa de un vaso de precipitados seco (mv) 2. Colocarlo en el calormetro. 3. Con una probeta medir 25 mL de solucin de HCl 4 M, 4. Colocar la solucin en el vaso y leer su temperatura inicial (ti1) 5. Con una probeta medir 25 mL de solucin de NaOH 4 M, determinar su temperatura inicial (ti2) 6. Agregar rpidamente y de golpe sobre la solucin de HCl contenida en el calormetro. 7. Leer la temperatura final (tf) que ser la mxima que se haya alcanzado. 8. Sacar el vaso del calormetro una vez que se haya enfriado y pesar nuevamente para determinar la masa final (mf). 9. Utilizando las ecuaciones anteriores, realizar los clculos necesarios para completar el informe de laboratorio.

PREGUNTAS 1.- Definir calor de neutralizacin 2.- En la experiencia de laboratorio se mezclan 50 mL de HCl 4M con 50 mL de NaOH 3,8M. a) Escribir la reaccin de neutralizacin b) Calcular el nmero de moles de agua formados 3.- a) Escribir la frmula para calcular el calor de neutralizacin, indicando el significado de cada trmino b) Cmo espera que sea la temperatura final luego de mezclar el HCl con el NaOH: >, = o < que la temperatura inicial de las soluciones? 4.- Qu signo tiene el calor de la reaccin de neutralizacin? Es endotrmica o exotrmica la reaccin?


CTEDRA: QUMICA INFORME DE LABORATORIO N 5 TEMA: PARTE A y B: CINTICA QUMICA Y TERMOQUMICA APELLIDO Y NOMBRE : .......................................................... COMISIN: ....................... FECHA ....../....../..... RESULTADO:....................

CINETICA QUIMICA 1. Determinar los valores de las concentraciones iniciales de cada reactivo y completar la siguiente tabla

PRUEBA [BrO3-], M [I-], M [H+], M tprom (s) V relativa (s-1) 1

2

3

4

5

2. Clculos necesarios para determinar el orden de reaccin con respecto a cada reactivo

3. Determinar el valor de la constante de velocidad.

4. Escribir la expresin de la ley de velocidad para la reaccin.


..

DETERMINACIN DEL CALOR DE NEUTRALIZACIN DE HCl Y NaOH

1.- Realizar el esquema del calormetro empleado

2. Escriba la reaccin de neutralizacin: ____________________________________

3.- Completar la tabla siguiente:

Molaridad de la solucin de HCl ..

Molaridad de la solucin de NaOH .

Volumen medido Moles que reaccionan.

Hneutralizacin = J/mol

medidas clculos

mv g msolucin g

mf g

ti1 C 2

21 iii

ttt

+=

C

ti2 C

tf C t C

qreacc J

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