practica 9 de fisicoquimica

INTEGRANTES:

Oscar Efraín Fernández Delgado

Juan Emmanuel Ramírez Urtiz

Yvan Arroyo Ganem

Carranco Ramírez Guadalupe Virginia

FISICOQUÍMICA

21/11/2012

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIAS

CAMPUS GUANAJUATO

Laboratorio de Fisicoquímica

OBJETIVOS

Evaluar el concepto de cinética química mediante las reacciones de un reloj de formaldehido, y observar la influencia que ejerce la concentración del reactivo y la temperatura en la velocidad de la reacción, elucidando el orden de regimiento en la misma y demostrando sus efectos.

INTRODUCCION

La cinética química representa la rama de la Fisicoquímica encargada de estudiar la rapidez de una reacción y sus factores determinantes en la misma, tales como la temperatura y concentración del reactivo. Por la naturaleza con la que ocurre la misma, representa un estudio empírico y experimental gracias al cual podemos evaluar las velocidades de las reacciones químicas y encontrar ecuaciones que las relacionen. [1-3]

Principales Factores que afectan la velocidad de una reacción [1-4]:

Concentración de reactivos

Temperatura

Catalizador

Área Superficial

En una reacción química participan dos componentes, reactivos y productos, donde los primeros van desapareciendo conforme transcurre el tiempo en la cinética mientras van apareciendo lo productos. [1-4]

Imagen 1.- Representación grafica de una velocidad de reacción en una relación de concentración con respecto al tiempo

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Existen diversas formas de representar matemáticamente una velocidad de reacción conforme al orden de la misma, donde los factores influyentes serán determinantes a la hora de elucidar el modelo matemático más adecuado para evaluar con mayor precisión la reacción. La reacciones químicas se diferencian por un orden de reacción, donde el mismo nos indicara que tanta influyo la concentración de un reactivo y la temperatura en la velocidad de la misma, las reacciones de orden cero nos señalan que la velocidad con la que se efectúa la misma resulta independiente de la concentración del reactivo y un catalizador mientras que las reacciones de primer y segundo orden se tornan afectadas por la concentración del reactivo que variara conforme la naturaleza de la reacción química. [1-4]

La ecuación general por la que se rige la velocidad de una reacción es [3]:

Tenemos la siguiente reacción:

A + B → C

En una reacción existen dos eventos representativos, la desaparición de reactivos y aparición de productos, ambos dependientes por un transcurso de tiempo determinado, por lo tanto

V= - d[A]alfa[B]beta/dt (desaparición del reactivo) = d[C]gamma/dt (aparición del producto)

de la ecuación V = -d[A]alfa[B]beta/dt separamos el término que describe a las concentraciones de los reactivos y tenemos:

v = [A]alfa[B]beta (- d/dt) diferencial que describe a una constante (k) con respecto al tiempo, sustituyendo k tenemos:

Dónde:

V= Velocidad de la reacción

k = Constante que rige la velocidad en la reacción

[A][B]= concentración de los reactivo

alfa y beta = exponentes que señalan el orden de reacción

En toda cinética química las reacciones se pueden clasificar tanto en homogéneas como en heterogéneas, donde las primeras ocurren en una fase, y las segundas en más de una fase donde van a depender del área de una superficie, ya sea la de las paredes del vaso o de un catalizador sólido. [2,4]

Reacciones Experimentales

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Las reacciones de reloj representan aquellas reacciones químicas que se producen de manera instantánea y permiten detectar visualmente el tiempo necesario para consumir la cantidad del reactivo dependiente de su concentración, otros factores que también influyen sobre la misma son: temperatura y catalizadores. Vía la reacción experimental entre sulfito de sodio y formaldehído se determinan experimentalmente los tiempos menesteres para el desarrollo de la misma, empleando distintos volúmenes de reactivos con sus respectivas concentraciones, estos tiempos a su vez nos sirven para calcular los órdenes de reacción de acuerdo a los reactivos y el orden de reacción global. [5]

DESARROLLO EXPERIMENTAL

a) MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS

Equipo o material Reactivos

1 termómetro de 0 a 100°C 85 mL de Solución A: solución de formaldehído 0.30 M

1 cronómetro 100 mL de Solución B: solución de bisulfito de sodio( NaHSO3) 0.1M + sulfito de sodio ( Na2SO3) 0.05M

2 probetas graduadas de 10 mL Solución de formaldehído 0.15M

15 tubos de ensayo de 20 x 200 mm con tapón

Solución de fenolftaleína 0.1%

2 pipetas milimétricas de 10 mL 200 g de Hielo

1 piceta

2 pipetadores Insumos que debe traer el alumno

1 vaso de precipitados de 50 mL Hielo

1 vaso de 500 mL Marcador de tinta permanente

Parrilla eléctrica

1 gradilla para tubos de 20 x200 mm

b) DIAGRAMAS DE FLUJO Y METODOLOGIA

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1) EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DEL REACTIVO EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Tabla 1. Volumen de la solución A

y del agua para los 9 ensayos.

2) EFECTO DE LA TEMPERATURA

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Mida 10.0 mL de solución A

Vertir la solución en

Agregar 3 gotas de fenolftaleína

C

1

2Mida 10.0 mL de solución B C

Vertir la solución en

3Vierta la

solución B sobre la

solución A.c c

A la primera señal de reacción

c c

4Repita las operaciones

del 1 al 3 empleando las siguientes diluciones de

la solución A

ensayo Vol. A en ml Vol. H2O en ml1 4.5 0.52 4 13 3.5 1.54 3 25 2.5 2.56 2 37 1.5 3.58 1 49 0.5 4.5


CALCULOS Y RESULTADOS

Tabla 2. Efecto de la concentración

Ensayo Volumen A (mL)

Volumen H20 (mL)

[A] antes de mezclar (M)

Volumende B (mL)

[A] después de (M)

tiempo (seg)

Temperatura de la reacción (°C)

5 0 0.3 5 0.15 22 25

1 4.5 0.5 0.27 5 0.135 31 22

2 4 1 0.24 5 0.12 35 26

3 3.5 1.5 0.21 5 0.105 43 24

4 3 2 0.18 5 0.09 56 22

5 2.5 2.5 0.15 5 0.075 77 23

6 2 3 0.12 5 0.06 144 23

Variables calculadas para una reacción de primer orden.

ln [A]0 ln [A] k (1/seg) V (mol/L Seg)

-1.2039728 -1.89711998 0.03150669 0.004726

-1.30933332 -2.0024805 0.02235959 0.00301854

-1.42711636 -2.12026354 0.01980421 0.0023765

-1.56064775 -2.25379493 0.0161197 0.00169257

-1.71479843 -2.40794561 0.01237763 0.00111399

-1.89711998 -2.59026717 0.00900191 0.00067514

-2.12026354 -2.81341072 0.00481352 0.00028881

Variables calculadas para cotejar el orden de reacción.

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Agrega 10 mL solución de

formaldehído 0.15M

En otro tubo de ensayo

Agrega 10 mL de la solución B original.1

2Calentar a temperatura asignada

Introducir los tubos de ensayo 5 minutos

Una vez alcanzada la temperatura continuar con el experimento como en la parte A


t 1/[Ä] t 1/[A]2 t 1/[A]3

22 6.6666667 22 44.444444 22 296.2963

31 7.4074074 31 54.869684 31 406.44211

35 8.3333333 35 69.444444 35 578.7037

43 9.5238095 43 90.702948 43 863.8376

56 11.111111 56 123.45679 56 1371.7421

77 13.333333 77 177.77778 77 2370.3704

144 16.666667 144 277.77778 144 4629.6296

Reacción de Orden Cero

y = -0.0007x + 0.1447R² = 0.7775

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 50 100 150 200

[A]

Tiempo (segundos)

Reaccion de Orden Cero

[A]

Lineal ([A])

Grafica 1.- comportamiento de la reacción para orden cero

Reacción de Primer Orden

y = -0.0073x - 1.8731R² = 0.8685

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

00 50 100 150 200

ln [A

]

Tiempo (segundo)

Reaccion Primer Orden

ln [A]

Lineal (ln [A])

Grafica 2.- Grafica del comportamiento de la reacción para primer orden

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Reacción de Segundo Orden

y = 0.0825x + 5.6285R² = 0.9391

02468

101214161820

0 50 100 150 200

1/[A

]

Tiempo Segundo

Reaccion Segundo Orden

1/[Ä]

Lineal (1/[Ä])

Grafica 3.- Grafica del comportamiento de la reacción para segundo orden

Reacción de Tercer Orden

y = 1.9679x + 5.0793R² = 0.981

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200

1/[A

] * 1

/[A]

Tiempo Segundo

Reaccion Tercer Orden

1/[A]cuadrado

Lineal (1/[A]cuadrado)

Grafica 4.- Grafica del comportamiento de la reacción para tercer orden

Reacción de cuarto Orden

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0 20 40 60 80 1001201401600

1000

2000

3000

4000

5000f(x) = 36.9591655006628 x − 651.759672264825R² = 0.995151096794871

Reaccion de cuarto orden

1/[A] cuboLinear (1/[A] cubo)

Tiempo (segundo)

1/[A

] * 1

/[A]

* 1

/[A]

Grafica 5.- Grafica del comportamiento de la reacción para un orden cuaternario

Las reacciones de la tabla 1 se acoplan más a un sistema cuaternario de orden, debido a que la concentración del reactivo formaldehido es bastante deficiente en concentración.

Tabla 3. Efecto de la temperatura

ensayo Vol. de A en ml

Concentración de A

Vol. de B en ml

temperatura tiempos

1 5 0.15 5 50 12.72 5 0.15 5 45 14.23 5 0.15 5 40 27.14 5 0.15 5 35 39.415 5 0.15 5 30 54.156 5 0.15 5 25 98.61

y = -0.2697x + 48.566R² = 0.8657

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150

tiempo vs temperatura


Lineal (tiempo vstemperatura)

Grafica 6. Gráfica del comportamiento del tiempo de reacción con relación a la temperatura

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y = -0.4402x + 52.992R² = 0.9518

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60



Lineal (tiempo vstemperatura)

Grafica 7. Gráfica del comportamiento del tiempo de reacción con relación a la temperatura quitando un dato.

DISCUSION

Las temperaturas de la tabla uno no dieron las esperadas, ya que la técnica por la cual se tomaron las primeras temperaturas fue la incorrecta y por ende el resultado nos varió según elucida la literatura. A pesar de la adversidad con las temperaturas, los demás dato calculados fueron lo correcto conforme a la literatura; cabe señalar que el experimento se realizó correctamente.

Las reacciones para la tabla 1 fueron las esperadas conforme al orden de reacción descrito, ya que trabajamos con la mitad de los volúmenes señalados en la práctica y diluimos al doble de su capacidad original indicada, lo cual afecto las concentraciones en los reactivos y por ende la velocidad de las reacciones. Según dilucida la literatura a menor concentración del reactivo mayor será la energía de activación necesaria para llevar acabo la reacción, por consecuencia el orden de reacción será mayor.

Cabe decir también que en los últimos resultados de la parte 1 los tiempos de reacción no se pudieron tomar debido a que tardaba mucho tiempo en reaccionar.

OBSERVACIONES

Al momento de elaborar las reacciones de la primera parte experimental, notamos como al añadir el indicador, se evaluaba la alteración en la velocidad de reacción debida a la concentración del reactivo, este fenómeno se apreció gracias al tiempo que tomo en dar el color rosa esperado.

CONCLUSIONES

Se revisó y comprobó sobre los factores que afectan la velocidad de una reacción, y la

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alteración originada tanto en su mecanismo como orden de reacción; donde a menor concentración del reactivo mayor es el orden de la reacción debido a la energía de activación necesaria para llevar acabo la reacción y descomponer el reactivo.

Gracias a esta práctica pudimos comprobar que entre menos concentración el teimpo de reacción es mayor " Si la concentración disminuye el tiempo aumenta "

También cuando la reacción se lleva a cabo con una temperatura mayor, la velocidad de reacción aumenta y el tiempo disminuye.

CUESTIONARIO

1. En los estudios de tiempo-concentración del paso 1. ¿por qué era esencial conservar todo el volumen a 10 mL durante las diluciones de la solución A?

Para tener un marco de referencia respecto a la sustancia B y así disminuyera la concentración al agregar menos mL de la solución A y así variara el tiempo de reacción.

2. Sugiera razones de por qué una solución de formaldehído que tiene la mitad de concentración de solución A es la que se emplea en los estudios de tiempo-temperatura del paso 3. A mayor concentración como la se hizo a una mayor temperatura la reacción sería tan rápido que no se tomaría el tiempo adecuadamente.

Para hacer un poco más lenta la reacción.

3. Si la sal bisulfito se hubiera omitido inadvertidamente cuando la solución B se preparaba, ¿qué se hubiera observado cuando se mezclaban las soluciones A y B? Explique su respuesta.

Si no se hubiera agregado la sal bisulfito la solución de B quedaría un poco mas básica y a la hora mezclarla con la sustancia a la coloración no se hubiera dado o hubiera sido una reacción muy lenta.

4. ¿Por qué se puede llamar a la relación estudiada aquí “reacción de reloj”?

5. ¿Qué diferencia hay entre "velocidad de reacción" y "tiempo de reacción"?

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Velocidad de reacción.- representa la velocidad con la que van desapareciendo los reactivos (rapidez de descomposición) y apareciendo los productos (rapidez de formación) en una reacción.Tiempo de reacción.- representa el tiempo que tarda en efectuarse una reacción química [3]

6. ¿Qué diferencia hay entre "velocidad instantánea” y “velocidad media” ?

La velocidad media es el desplazamiento dividido por el tiempo empleado, en cambio, la velocidad instantánea es el límite de la velocidad media entre un intervalo de tiempo muy pequeño.

Por ejemplo: si la velocidad instantánea no aria de un instante a otro será igual a la velocidad media.

La velocidad instantánea esta dentro de la velocidad media, es como si se calculase la media de esta velocidad instantánea, el resultado será la velocidad media.

7. ¿Cómo actúa un catalizador? Explique en términos de energía de activación.

La forma en que actúa un catalizador es alterando la velocidad de una reacción química sin sufrir ningún cambio químico, combinándose con uno de los reactivos formando un compuesto intermedio que reacciona con el otro más fácilmente. El catalizador no influye en el equilibrio de la reacción, porque la descomposición de los productos en los reactivos es acelerada en un grado similar. Está relacionado con la energía de activación, ya que el catalizador hace que la misma se genere más rápidamente y así produzca la reacción química en menor tiempo, rompiendo así la barrera energética que tiene que ser sobrepasada para que la reacción tenga lugar.

8. ¿Qué importancia tiene desde el punto de vista industrial el conocer los factores que modifican la velocidad de un proceso de transformación química?

Pienso que es muy importante conocer la cinética química de una reacción porque hay reacciones que pueden tardar demasiado tiempo y eso en el campo industrial no es rentable lo que se busca generalmente es que la reacción sea a mayor velocidad .

BIBLIOGRAFIA

[1] Thomas Engel, Philip Reid. (2007). Introduccion a la Fisicoquimica: termodinamica. Editorial Pearson. 584 Paginas

[2] Gilbert W Castellan. (2003). Fisicoquimica. Editorial Pearson. 1082 paginas

[3] Ira N. Levine. (2004). Fisicoquimica "volumen 1". Editorial Mc Graw Hill Interamericana. 504 paginas

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[4] Raymond Chang. (2008). Fisicoquimica. Editorial Mc Graw Hill Interamericana. 1040 paginas

[5] Minerva Juarez, Pedro Miranda, Luis Martin Morin, Raquel Nava, Itzia Irene Padilla. (2007). Manual para laboratorio de Fisicoquimica. UPIIBI IPN

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