FISICO-QUÍMICA

INTRODUCCIÓN

El estudio de la velocidad de las reacciones

es uno de los problemas más antiguos de

la Fisicoquímica. Las reacciones químicas

convierten sustancias con propiedades bien

definidas en otros materiales con

propiedades diferentes. Gran parte del

estudio de las reacciones químicas se

ocupa de la formación de nuevas

sustancias a partir de un conjunto dado de

reactivos. Por lo tanto, es necesario entender la rapidez con que pueden ocurrir

las reacciones químicas.

La experiencia nos dice que hay reacciones más rápidas que otras, debido a

este fenómeno, debemos comprender los factores que controlan o influyen en

la velocidad, respondiendo preguntas como:

¿Que determina la rapidez con que se oxida el acero?

¿Que determina la rapidez con que se quema el combustible de un

motor de un automóvil?

Veremos que la velocidad de las reacciones químicas está afectada por varios

factores, es decir, factores que influyen en la velocidad de dichas reacciones.

El cobre es uno de los pocos metales que pueden encontrarse en la naturaleza

en estado "nativo", es decir, sin combinar con otros elementos. Por ello fue uno

de los primeros en ser utilizado por el ser humano. Es muy empleado en la

industria eléctrica, ya que es un excelente conductor y su precio es cómodo.

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OBJETIVOS:

Tener en cuenta los conocimientos adquiridos en el laboratorio anterior,

esto es, el correcto uso del colorímetro y la medición de la transmitancia.

Observar el efecto que tiene el ácido nítrico (HNO3) sobre la velocidad

de reacción del cobre.

Observar el comportamiento de cinética de reacción del cobre.

Calcular la concentración del cobre según va reaccionando con el ácido.

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FUNDAMENTO TEÓRICO:

Cinética de Reacción para el Cobre

Se llama mecánica química a la parte de la Fisicoquímica que estudia la

afinidad química en sus modos de actuar siguientes: estático (“Estática

Química”; equilibrios químicos) y dinámico (“Dinámica Química”; cinética

química).

I.-CINÉTICA QUÍMICA:

Tiene por objetivo predecir la velocidad de las reacciones

químicas y describir el curso de las mismas. Es aquella

rama de la físico-química que estudia la velocidad de las

reacciones y sus mecanismos. La cinética complementa a

la termodinámica al proporcionar información de la

velocidad y mecanismos de transformación de reactivos

en productos. La velocidad de una reacción depende de

la naturaleza de las sustancias, temperatura y concentración de los reactivos.

Un incremento de temperatura produce casi invariablemente un aumento de

velocidad; el aumento de la concentración inicial origina una aceleración en la

velocidad.

a) Velocidad de Reacción:

La velocidad de una reacción química es aquélla a la que las concentraciones

de las sustancias reaccionantes varían con el tiempo, es decir, -dC/dt, donde C

es la concentración del reactivo y t el tiempo. El signo menos usado indica que

la concentración disminuye con el tiempo. Esta dependencia viene dada por la

ley de acción de masas, que se expresa de la forma siguiente: la velocidad de

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una reacción en cada instante es proporcional a la concentración de los

reactivos con cada concentración elevada a una potencia igual al numero de

moléculas de cada especie participe en el proceso.

La velocidad de una reacción se suele expresar en términos del número de

moles de reactivo transformada en un volumen unitario y por unidad de tiempo.

También en función de la velocidad de formación de un producto.

Cuantitativamente la posición de equilibrio viene dada por la constante de

equilibrio:

b) Molecularidad de una Reacción:

Es el número de moléculas que intervienen en cada paso de una reacción

química.

Se llama reacción monomolecular cuando sólo una molécula

reacciona a un tiempo. Puede romperse en partes más pequeñas; o

puede sufrir una modificación en su estructura.

Se llama reacción bimolecular cuando dos moléculas reaccionan en un

instante. Pueden ser de una misma sustancia como de diferentes.

Se llama reacción trimolecular cuando se combinan tres moléculas

iguales o distintas. Son las mas escasas y complejas; en realidad

involucran una serie de etapas rápidas y lentas, cada una de las cuales

es generalmente una reacción mono o bimolecular.

c) Mecanismo de Reacción:

El mecanismo de reacción es el conjunto de las fases o estados que

constituyen una reacción química. Los mecanismos de reacción están ligados a

la cinética química.

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Conceptos básicos

Desde una vista termodinámico, una ecuación química, los reactivos son el

estado inicial y los productos el estado final, hay una variación de energía libre.

La energía libre debe ser negativa ya que será una reacción espontánea, es

decir, que la reacción podrá llevarse a cabo sin ningún impedimento

termodinámico. Para hacer más fácil la explicación será mejor hacerla con un

ejemplo:

Para hacer el enlace A-B, los reactivos se tienen que cortar las distancias, pero

esto aumenta la fuerza de repulsión de los electrones. Para evitar esta

repulsión, los reactivos tendrán que acercarse con suficiente energía cinética.

Por encima de esta energía, las moléculas A y B forman enlaces y a la vez, las

moléculas B y C están rompiendo el suyo. En este momento hay un complejo

formado por A, B y C, llamado complejo activado. Al final todos los enlaces del

B y C serán rotos y los enlaces A y B serán formados, es decir, los productos.

También hay que hacer mención de la energía de activación , que es la

diferencia entre la energía de los reactivos y la del complejo activado. Se puede

considerar como una barrera energética que debe pasar los reactivos para

pasar a ser productos.

Tipos

Hay dos tipos de mecanismo, dependiendo del número de etapas que

conlleven:

*Reacciones elementales o concertadas

Transcurre en solo una etapa. Esta reacción se produce con la formación de un

solo complejo activado y solo tiene que superar una barrera energética. Se

representa en una sola ecuación química.

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Mecanismo de reacción

Reacciones simples

R P d R dt k Rk [ ] [ ]

A B C D d A dt k A Bk [ ] [ ][ ]

Reacciones complejas

R I

I P

k

k

1

2

Mecanismo y estequiometría

O NO NO

NO SO NO SO

2 2

2 2 3

2 2

O SO SO2 2 32 2 estequiometría

mecanismo

Ea > 0

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*Reacciones complejas

Transcurre en 2 o más etapas, con formación de intermediarios. También

podemos decir que es un conjunto de reacciones elementales, donde hay más

de una formación de complejos activados diferentes y supera diferentes

barreras energéticas. Se expresa en varias ecuaciones químicas o una global.

En la ecuación química global, representa el estado inicial y el estado final del

global de las reacciones, pero no presenta como ha transcurrido la reacción.

Los intermediarios son moléculas que aparecen en el mecanismo de la

reacción, pero no en la ecuación inicial.

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d) Orden de una Reacción:

Esta dado por la suma de los exponentes de las concentraciones que figuran

en la expresión de la velocidad de la reacción directa. De acuerdo a ello, se

clasifican en:

*Reacciones de 1er Orden:

Son aquellas en las cuales se encuentran experimentalmente que, a una

temperatura dada, la velocidad de la reacción es directamente proporcional a la

concentración de la única sustancia reaccionante. Esto puede expresarse por

la relación matemática siguiente:

*Reacciones de 2do Orden:

Son aquellas cuya velocidad de reacción es proporcional al cuadrado de la

concentración de un único reactivo o al producto de las concentraciones de dos

especies de reaccionantes. Para estas situaciones, la ecuación es la siguiente:

*Reacciones de 3er Orden:

MATERIALES:

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Los materiales empleados en el presente laboratorio son los siguientes:

Balanza. 8 tubos de ensayo. Ácido Nítrico. Vasos de precipitado

Colorímetro 3 gr. de cobre. 1 pipeta. 1 cronómetro

1 gradilla. Agua destilada

PROCEDIMIENTO:

Pesar 3 gr. de cobre electrolítico en la balanza y colocarlo dentro de un

vaso de precipitado lleno con 100ml. de agua destilada.

Medir 120ml. de (HNO3) en otro vaso de precipitado.

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Luego verter ácido en el vaso que contiene al cobre, observar la

reacción que ocurre, tomando a partir de su inicio el tiempo en

determinados intervalos, hasta que el cobre se disuelva completamente.

Separar las muestras obtenidas para intervalos de tiempo diferentes y

colocarlas en un tubo de ensayo.

Se mide la transmitancia de las muestras obtenidas, haciendo uso del

colorímetro.

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Cálculos y Resultados:

Con los datos obtenidos en la experiencia; se procede a calcular el valor

de la absorbancia; para ello hacemos uso de la siguiente ecuación:

*Para 3 gr. de cobre:

*Para 3,5 gr. de cobre:

Luego de realizados los cálculos, se procede a rellenar el cuadro:

TIEMPO (s) TRANSMITANCIA (%) ABSORBANCIA3 gr. de 3,5 gr. de 3 gr. de 3,5 gr. de 3 gr. de 3,5 gr. de

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Cobre Cobre Cobre Cobre Cobre Cobre

6 5 99,8 75 8,69x10-4 0,128 10 89 69 5,06x10-2 0,1614 14 77 68 0,11 0,1717 23 67 32 0,17 0,4920 32 62 30 0,21 0,5224 40 47 27 0,33 0,5728 45 40 26 0,40 0,5832 48 36 20 0,44 0,7041 52 31 15 0,51 0,82

Finalmente se calcula la concentración, se calcula sabiendo que:

*Para 3 gr. de cobre: *Para 3,5 gr. de cobre:

Cuestionario

1.- Grafique C vs. A.

*Muestra de cobre (3 gr.):

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*Muestra de cobre (3,5 gr.):

2.- Grafique A vs. C.

*Muestra de cobre (3 gr.):

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*Muestra de cobre (3,5 gr.):

3.- Grafique T vs. C.

*Muestra de cobre (3 gr.):

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*Muestra de cobre (3,5 gr.):

RECOMENDACIONES:

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Antes de realizar cualquier experimento, se debe priorizar que los

instrumentos a emplear sean lo más exactos posibles para evitar el

margen de error.

Verificar que los instrumentos recibidos sean los necesarios para el

experimento.

Tener mucho cuidado con los materiales porque son muy frágiles y el

costo es muy alto.

A la hora de manipular las muestras, hay que tener mucho cuidado, ya

que la solución de ácido nítrico esta muy concentrada, lo que provocaría

leves quemaduras.

Tener presente que hay que ajustarla longitud de onda a 620nm., para

poder hallar la transmitancia.

Calibrar el colorímetro al 100% antes de empezar a utilizarlo; luego, tras

una limpieza constante, verificar que siga calibrado, para proceder a

medir las transmitancias de las siguientes muestras.

Evitar mover o golpear el colorímetro, ya que es muy sensible a cambios

bruscos.

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

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A pesar de seguir las recomendaciones (en especial la primera) el

margen de error prima en los experimentos, debido a deficiencias en los

materiales a disposición y/o errores cometidos por quienes experimentan

con ellos.

Se comprueba con los datos que a mayor concentración, menor es la

transmitancia.

Los diferentes procedimientos realizados sirven para hallar el porcentaje

de mineral en una muestra cualquiera dependiendo de los disolventes.

Se puede notar que la tendencia del gráfico es una función exponencial

correspondiente a la parte teórica que nos expresa que la velocidad de

la reacción varía en forma proporcional a la concentración.

BIBLIOGRAFÍA

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-¨ Física - Calor….Teoría y Práctica ¨ - Ing. Alejandro Vera Lázaro – Ed. Cuzcano

Pág. 57-99.

-¨ Química, análisis de principios y aplicaciones ¨- César Vallejo – 3ra Edición. Tomo 2

Pág. 199-221.

-¨ Química Física ¨ - Ediciones Grijalbo.

Pág. 320-370.

-¨ ¨ Fisicoquímica ¨-Gaston Pons Muzzo – 3ra Edición.

Pág. 501-518.

-Referencias en la Web:

http://www.monografias.com/trabajos14/cinetica-quimica/cinetica-quimica.shtml

http://es.wikipedia.org/wiki/Cin%C3%A9tica_qu%C3%ADmica

http://www.monografias.com/trabajos16/cinetica-quimica/cinetica-quimica.shtml

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