CINETICA QUÍMICA

I. OBJETIVOS

· Interpretar la velocidad de las reacciones químicas y los factores que afectan esta velocidad.· Comprobar que la variación de la concentración modifica la velocidad de una de una acción química.

II. PRINCIPIOS TEÓRICOS

La cinética química es la parte de la química que trata de la velocidad con que suceden las reacciones, de los factores que influyen en ella y del mecanismo a través del cual los reactivos se transforman en productos.

Velocidad de reacción: representa la rapidez con que tiene lugar la transformación química de unas sustancias, los reactivos, en otras distintas, los productos.

Velocidad media de una reacción se mide a partir de la disminución de la concentración de un reactivo o el aumento de la concentración de un producto en un intervalo de tiempo.

Las velocidades suelen medirse en moles por litro y segundo (mol.L-1.s-1.) Existen dos teorías que proporcionan explicaciones razonables acerca de cómo ocurrenlas reacciones químicas y qué condiciones se requieren para ello.

- Teoría de las colisiones. Para que tenga lugar una reacción química debe producirse el choque o colisión de las partículas de los reactivos, sean éstas átomos, moléculas ó iones. Para que el choque sea eficaz, las partículas deben: - Disponer de la energía cinética suficiente para que se realice el reordenamiento de los enlaces y la formación de una nueva sustancia. - Colisionar con la debida orientación. - Teoría del complejo activado o del estado de transición: Cuando las moléculas de los reactivos se aproximan, experimentan una deformación que, en el choque, da lugar a un estado intermedio de alta energía y corta duración: el complejo activado- La energía de activación es la energía adicional que deben absorber las moléculas de los reactivos para que, al colisionar, lleguen a formar el complejo activado.La ecuación de velocidad o ley de velocidad es una expresión matemática que relaciona la velocidad instantánea de una reacción en un momento dado con las concentraciones de los reactivos presentes en ese momento.

v = K.[A]x .[B]y ......... v = Velocidad instantánea de la reacción K = Constante de velocidad [A] , [B],.... = Concentraciones molares de los reactivos en un instante dado.

x, y,...= Exponentes calculados de forma experimental, se les denomina orden de reacción de esos reactivo. El orden de una reacción respecto de un reactivo es el exponente al que se eleva la concentración de éste en la ecuación de velocidad. El orden global de una reacción es la suma de los exponentes a los que están elevadas las concentraciones de los reactivos en la ecuación de velocidad.

Factores que influyen en la velocidad de reacción:

- Temperatura de reacción. Por regla general, la elevación de la temperatura produce un importante aumento de la velocidad de reacción. La ecuación de Arrhenius relaciona la constante de velocidad, K, con la temperatura:

K = A.e - Ea/RTA = Factor que tiene en cuenta la frecuencia de las colisiones en la reacción y cuyas unidades son las de la constante K. (cuando las moléculas son complejas, la orientación en que se produce la colisión también influye).

e = Número e, base de los logaritmos neperianos. (2,7182812....) Ea = Energía de activación (J.mol-1) Unidad 5- Cinética QuímicaR = Constante de los gases (8,314 J.K-1.mol-1) T = Temperatura absoluta (K).

- Concentración de los reactivos. Un aumento de la concentración de los reactivos favorece la velocidad de reacción. - Naturaleza química de las sustancias. - Estado físico. - Grado de división de los sólidos. - Uso de catalizador. Un catalizador es una sustancia que, estando presente en una reacción química, produce una variación en la energía de activación, y como consecuencia una variación de su velocidad, sin ser consumida durante el transcurso de aquella.Muchas reacciones suceden a través de etapas intermedias o reacciones elementalesque no constan en la ecuación estequiométrica y que configuran el llamado mecanismo de reacción. La molecularidad de una reacción elemental es el número de átomos o moléculas independientes que intervienen en ella. La etapa determinante de la velocidad en un mecanismo de reacción es la reacción elemental que, por ser suficientemente lenta, determina la velocidad de la reacción global.

La velocidad de reacción es el cambio de concentración que experimenta un reactante o un producto en función del tiempo.Por ejemplo para la reacción hipotética:

A + 3B ® 3CVelocidad = - d[A] = -d[B] = d[C]

dt 3dt 3dt

Los signos negativos indican que las concentraciones de A y B decrecen con el tiempo, y el signo positivo, que la concentración de C aumenta con el tiempo. Los

paréntesis cuadrados indican concentración en moles por litro. Según la definición de velocidadnos indica que B desaparece 3 veces más rápido que A, y C aparece 2 veces más rápido que aquella con la que A desaparece.

La velocidad de una reacción depende de varios factores, concentración de los reactantes y a veces, de los productos, de la temperatura y de los catalizadores. Por lo general la medición de la velocidad se efectúa en ciertas condiciones experimentalesespecíficas, de tal manera que todos los factores que afectan la velocidad permanezcan constantes, excepto uno. Este estudio se realiza en forma sistemática, hasta que se identifique, lo mejor posible, el comportamiento cinético de la reacción.

La expresión matemática que relaciona la velocidad de una reacción con las concentraciones de los reactivos se denomina “Ley de Velocidad”. La Ley de Velocidad se debe determinar experimentalmente, no se puede deducir de la ecuación estequiometria correspondiente a la reacción neta.

Para nuestra reacción hipotética, la Ley de Velocidad podemos representarla segun:

Velocidad = -d[A] = k[A]n[B]m

La velocidad, -d[A]/dt expresa la disminución de la concentración de A en función del tiempo, a una temperatura conocida t, k es una constante de proporcionalidad y se denomina “constante de velocidad”. El exponente de cada concentración (n y m en este caso) se denomina el orden de la reacción para esa especie química particular. Si los valores de n y m son 1 y 2 respectivamente, la ley de velocidad es:

Velocidad = -d[A] = k[A][B]2dt

Y se dice que la reacción es de primer orden respecto a la especie A y de segundo orden respecto a la especie B. Si los valores de n y m son 0 y 1 respectivamente, la ley de velocidad es:

Velocidad = - d[A] = k[A]0[B] = k‘ [B]Dt

En este caso se dice que es de orden cero respecto a A (o independiente de la concentración de A) y de primer orden respecto a B. En concentración el orden de reacción respecto a una especie es simplemente la potencia a la cual se eleva la concentración de dicha especie en la ley de velocidad. El orden total de la reacciónserá la suma de n+m.Se debe hacer presente que el orden de reacción se determina experimentalmente y no debe ser relacionada con los coeficientes de la ecuación estequiometrica, excepto si la reacción ocurre en una sola etapa.En este experimento se observara el efecto de la concentración y de la temperatura sobre la velocidad de una reacción química realizando algunos ensayos con la reacción llamada ”reacción reloj”.Dicha reacción se lleva a cabo mezclando una solución A de Tiosulfato de Sodio (Na2S2O3), con una solución B de HCl .En este momento se producirá la siguiente reacción Química.

HCl +Na2S2O3 →SO2 +S (coloidal) +NaCl +H2O

O en forma iónica según el criterio del profesor y los conocimientos de los alumnos.

H+ S2O3 -2 →SO2 +H2O +S(coloidal)

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

a) Materiales:

- Vaso de precipitado 150 mL- Cronometro- Bagueta- Papel con marca X- Tubos de ensayo- Probeta

b) Productos químicos

- Solución de tiosulfato de sodio, Na2S2O3 0,3 M- Solución de HCl 1 M- Agua destilada.

c) Procedimiento:

1. Mide en una probeta de 50 mL la solución de Na2S2O3 0,3 M y viértelo en un vaso de precipitado.2. Colecte 5 mL de HCl en un tubo de ensayo.3. Coloque un papel bond blanco en el cual se haya dibujado un aspa, ponga encima el vaso de precipitado con la solución de Na2S2O3.4. Inmediatamente vierta 5mL de HCl en el vaso del precipitado al mismo tiempo ponga en funcionamiento el cronometro para tomar el tiempo y agite constantemente con la bagueta.5. Mire verticalmente por encima del vaso de precipitado y anota el tiempo requerido hasta que desaparezca la marca hecha sobre el papel blanco.6. Realiza 4 ensayos más, utilizando las cantidades y proporciones indicadas en la tabla que a continuación se muestra.7. Anote los tiempos requeridos para cada experiencia, y recuerde tomar la temperatura.8. Determine el orden de reacción. Realice gráficas para comprobar si es de orden cero, uno o dos. Determina la constante de velocidad.

IV. TABLA DE RESULTADOS:

Datos:

TEMPERATURA AMBIENTAL = °C

Prueba V(Na2S2O3),

mLV (H2O)mL V(HCl) mL Tiempo, s

N°1 20 0 5 78N°2 15 5 5 108N°3 10 10 5 158N°4 5 15 5 458

Prueba Concentración

Corregida (Cc)

Tiempo(s)

Ln Cc 1/Cc

N°1 0.08 78 -2.52 12.5N°2 0.06 108 -2.81 16.7N°3 0.04 158 -3.22 25N°4 0.02 458 -3.91 50

Cálculos:Ccorregida= Cinicial x V inical/V total

- N°1

Cc = Ci X Vi/Vt = 0.1 x 20/25 = 0.08

- N°2

Cc = Ci X Vi/Vt = 0.1 x 15/25 = 0.06

- N°3

Cc = Ci X Vi/Vt = 0.1 x 10/25 = 0.04

- N°4

Cc = Ci X Vi/Vt = 0.1 x 5/25 = 0.02

Ln Cc Y 1/Cc

- N°1

LnCc = Ln 0.08 = - 2.52 1/Cc = 1/0.08 = 12.5

- N°2

LnCc = Ln 0.06 = - 2.81 1/Cc = 1/0.06 = 16.7

- N°3

LnCc = Ln 0.04 = - 3.22 1/Cc = 1/0.04 = 25

- N°4

LnCc = Ln 0.02 = - 3.91 1/Cc = 1/0.02 = 50

Con ayuda de la tabla anterior realice las siguientes graficas:

· Orden cero (Cc vs t)

50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

f(x) = − 0.000129806381238069 x + 0.0760261794382329R² = 0.772347968366512

Cc vs t

Series2

Linear (Series2)

Linear (Series2)

t

Cc

· Primer Orden (LnC vs t)

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

f(x) = − 0.00328715571311699 x − 2.45592527952004R² = 0.908709635948816

LnCc vs t

Series2Linear (Series2)

t

Ln

Cc

· Segundo orden (1/C vs t)

50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

10

20

30

40

50

60

f(x) = 0.0952986092173439 x + 6.94262885192255R² = 0.984446926829277

1/Cc vs t

Series2

Linear (Series2)

t

1/C

c

De las gráficas anteriores determine a que orden pertenece la reacción estudiada y los valores de los parámetros de la ecuación cinética.

- La reacción pertenece al orden 2.

V. CUESTIONARIO 1:

1. De las gráficas:a. Que conclusiones generales obtiene de ellas.

Las conclusiones son que la concentración disminuye al ir aumento el tiempo, además mediante estas graficas se puede ver que la reacción es de orden 2 ya que la inversa de la concentración aumenta conforme aumenta el tiempo y r cuadrado tiene un valor más cercano a la unidad, llegándose a la conclusión que la reacción es de orden 2.

b. Realice una predicción del tiempo de reacción para que la concentración del Na2S2O3 llegue a la mitad.

2. En el estudio de la reacción de descomposición se obtuvieron los siguientes datos:

Establece el orden de la reacción y calcula la constante de reacción.

t Cc LnCc 1/Cc0 1 0 15 0.63 -0.46 1.5910 0.46 -0.78 2.1715 0.36 -1.02 2.7825 0.25 -1.39 4

0 5 10 15 20 25 300

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

f(x) = − 0.0278378378378378 x + 0.846216216216216R² = 0.836922737097869

Cc vs t

Series2

Linear (Series2)

Linear (Series2)

0 5 10 15 20 25 30

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

f(x) = − 0.0540540540540541 x − 0.135405405405405R² = 0.958405213724363

1/Cc vs t

Series2

Linear (Series2)

0 5 10 15 20 25 300

0.51

1.52

2.53

3.54

4.5

f(x) = 0.120027027027027 x + 0.987702702702703R² = 0.999872496805576

LnCc vs t

Series2

Linear (Series2)

- La orden de reacción es 2 y el valor de la constante k = 12x10ˉ²

3. En la descomposición del amoniaco, se midieron los siguientesdatos.La línea superior indica el tiempo en segundos, y la línea inferior indica la concentración correspondiente de amoniaco, en moles/litro. 0 1 2 t1/2 2,000 1,993 1,987 1,000

Escriba una ecuación para la velocidad de reacción y la constante de velocidad K de esta reacción de primer orden, y calcúlese el tiempo de vida media, t1/2. (Usepapel milimetrado u hoja de cálculo).

v = K.[A] t1/2 = ln2/k lnC0/C= kt

- Ln(2.0/1.987) = k(2) K= 3.26 x 10ˉ³

T1/2 = ln2/3.26 x 10ˉ³ = 2.13 x 10ˉ4

0 0.5 1 1.5 2 2.51.98

1.9821.9841.9861.9881.99

1.9921.9941.9961.998

22.002

f(x) = − 0.00649999999999995 x + 1.99983333333333R² = 0.998031496062993

Cc vs t

Series2

Linear (Series2)

Observaciones

- Bueno en este experimento se pudo observar como el tiempo de reacción aumenta cuando la concentración disminuye.

- También se observó que la reacción era más lenta cada vez que a la reacción se le agregaba un mayor volumen de H20.

CONCLUSIONES

- La velocidad de una reacción depende de varios factores que pueden acelerar o retardar una reacción.

- Uno de los factores que afectan la velocidad de una reacción es la concentración, pues a mayor concentración la reacción es mucho más rápida que cuando esta disminuye.

- Para poder establecer el numero de orden de una reacción se utiliza gráficos; pues para poder establecer el orden cero se realiza un gráfico con la Cc vs t, para el orden 1 se realiza un gráfico LnCc vs t y para el orden 2 se realiza un gráfico 1/Cc vs t.

BIBLIOGRAFIA

- mit.ocw.universia.net/7.51/f01/pdf/fa01-lec02.pdf.

- http://www.uv.es/~baeza/cqtema3.html

- www.ieslaaldea.com/documentos/fisicayquimica/cineticabloque6.pdf

- Tins laboratorio de química 1.