Objetivo General

Estudiar el efecto de la temperatura sobre la rapidez de reacción.

Objetivos Particulares

a. Determinar la constante de rapidez de reacción a varias temperaturas.

b. Obtener la energía de activación de reacción y el factor pre-exponencial de la ecuación de Arrhenius.

Problema

Obtener la ecuación que relaciona la variación de la constante de rapidez de reacción con la temperatura.

Cuestionario Previo

1. ¿Qué es la energía de activación?

La energía de activación (Ea), es la energía necesaria en un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso. Suele emplearse para hacer referencia a la energía mínima necesaria para que se produzca la reacción química dada. Para que suceda una reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta y contar con una cantidad de energía mínima. A medida que las moléculas se aproximan, sus nubes de electrones se rechazan. Esto requiere de energía (energía de activación) y proviene del calor del sistema, es decir de la energía traslacional, vibracional, etc. de cada molécula. Si la energía es la suficiente, se vence la repulsión y las moléculas se aproximan lo suficiente para que se produzca una reordenación de los enlaces de las moléculas.

2. ¿Qué establece la teoría de Arrhenius sobre la dependencia de la rapidez de reacción con la temperatura?

Para muchas reacciones y, en particular, para las reacciones elementales, la expresión de la velocidad puede escribirse como producto de un factor dependiente de la temperatura por otro dependiente de la composición:

rt=f 1 (temperatura ) ∙ f 2 (composici ó n )

rt=k ∙ f 2 (composici ó n )

Para la inmensa mayoría de estas reacciones se ha encontrado que el factor dependiente de la temperatura se ajusta a la ecuación de Arrhenius:

k=k0 e−ERT

En la que k 0 se denomina factor de frecuencia y E es la energía de activación de la reacción. Esta

expresión se ajusta bien a los datos experimentales en un amplio intervalo de temperaturas y, desde

diferentes puntos de vista, se considera como una primera aproximación adecuada para el estudio del efecto de la temperatura sobre la ecuación cinética.

La velocidad de las reacciones aumenta a menudo de forma muy marcada con la temperatura. Arrhenius fue el primero en proponer la relación entre la constante de velocidad, k, y la temperatura.

3. ¿Qué establece la teoría de colisiones?

Esta teoría establece que cuando las partículas A (átomos, iones o moléculas) chocan con las partículas B, deben hacerlo con suficiente energía cinética para lograr un reordenamiento de las mismas como productos. La energía cinética debe ser suficiente para vencer las fuerzas de repulsión entre las nubes electrónicas de los átomos de las moléculas de los reactivos, y de los enlaces que los mantienen unidos. Como resultado de lo anterior, la velocidad de una etapa simple en una reacción es directamente proporcional a:

a) Número de choques por segundo entre las moléculas de los reactivos.b) La fracción de choques con suficiente energía para reaccionar.

4. ¿Qué establece la teoría del estado de transición de Eyring?

La teoría de las velocidades absolutas de reacción es el de que los reactivos se encuentran siempre en equilibrio con complejos activados. El complejo activado es aquella configuración de átomos que corresponde energéticamente a la cima de la barrera de energía que separa los reactivos de los productos.

La teoría del estado de transición incluye las teorías de los choques como casos particulares. La teoría del estado de transición trata específicamente de las especies que aparecen en el proceso de reacción a las que corresponde la máxima energía. Considerando una reacción:

A+B → productos

Que se sabe que obedece a una ley de velocidad de segundo orden. La especie llamada complejo

activado, que corresponde al máximo de energía, tiene la composición AB y se representa por AB↕.

La reacción anterior puede escribirse por tanto:

A+B⇌ AB↕→ productos

Se considera que el complejo activado se comporta como otras moléculas en cuanto a que puede

moverse, girar y vibrar. La descomposición de AB↕ para formar los productos de reacción o los

reactivos tiene lugar cuando una vibración molecular rompe el complejo. La velocidad de la

reacción depende de la concentración de AB↕ y de la frecuencia con que el complejo activado se

rompe para formar los productos.

En la teoría del estado de transición se postula que los reactivos se encuentran en equilibrio termodinámico con el complejo activado, tal como indica:

A+B⇌ AB↕

k ↕=( AB↕ )

( A ) ( B )

Siendo k ↕ una constante de equilibrio. De la expresión de la constante de equilibrio deducimos:

( AB↕ )=k↕ ( A )(B)

5. ¿Qué información provee un valor pequeño de energía de activación?

La relación entre la velocidad de reacción y la energía de activación se puede ilustrar gráficamente por medio de un diagrama de energía potencial de una reacción.Este diagrama es la gráfica de energía potencial vs la coordenada de reacción, que a su vez representa el progreso de la reacción según pasa de reactantes a productos. La siguiente figura muestra un diagrama típico:

A medida que la constante de rapidez, k, se hace más grande debido a que la fracción de moléculas que poseen la energía requerida, aumenta, la Energía de activación, Ea, disminuye. Por lo tanto, la rapidez de reacción aumenta a medida que la barrera energética disminuye.

6. ¿Por qué es necesario que los reactivos estén a la temperatura de trabajo antes de mezclarse y mantener la misma temperatura durante todo el experimento?

Para que la rapidez de reacción se mantenga constante, además de que esto se debe hacer antes del mezclado para no alterar las propiedades de reactivos y modificar así productos.

Propuesta de Diseño Experimental

-Calibración del espectrofotómetro: Encender el aparato y esperar 15 minutos.

-Seleccionar la longitud de onda y calibrar con el blanco.

-Curva patrón:

1. Preparar distintas disoluciones de yodo a diferentes concentraciones.

2. Con la longitud de onda obtenida en la primera parte del experimento, realizar distintas mediciones de absorbancia usando cada una de las disoluciones. Entre cada “cambio” de disolución, usar el blanco para ajustar la absorbancia (llevar a cero).

-Influencia de la temperatura:

• Temperatura ambiente:

1. Colocar yodo con ácido clorhídrico en un vaso de precipitados.

2. Añadir acetona a la mezcla yodo-ácido clorhídrico y encender el cronómetro. Tomar una alícuota de esta mezcla en la fotocelda y colocarla en el espectrofotómetro para obtener datos de absorbancia.

3. Registrar los datos en tablas.

4. Cada minuto, tomar una alícuota de la mezcla inicial y colocar en el espectrofotómetro; hasta que la mezcla inicial se agote.

• Temperatura diferente al ambiente

1. Repetir los mismos pasos que a “temperatura ambiente”. La diferencia será que la reacción deberá llevarse a cabo a la temperatura indicada, y debe controlarse que esa temperatura sea constante. Si se tiene una temperatura menor al ambiente, usar un baño de hielos; en caso de tener una temperatura mayor al ambiente, usar un baño de agua caliente.

Material, equipo y reactivos empleados

-(I2 – KI) (0.002 M – 0.2M) -Acetona 1.33 M -HCl 0.323 M -1 Espectrofotómetro-2 celdas espectrofotométricas -1 cronómetro -1 termómetro -3 vasos de precipitados de 50 mL -2 pipetas graduadas de 10 mL con propipeta-Un baño de agua con control de temperatura

Toxicidad de los reactivos empleados y hojas de seguridad

*Yodo (I)

>Efectos Potenciales a la Salud

-Inhalación: La inhalación de vapores irrita severamente las vías respiratorias. Los síntomas pueden incluir sensación de quemazón en los tejidos mucosos, la tráquea y los pulmones. Exposiciones elevadas pueden conducir a enfermedad de pulmones y edema pulmonar.

-Ingestión: La ingesta puede causar quemaduras severas de la boca,garganta y estómago. Puede producir dolor abdominal, fiebre, vómito, estupor y estado de shock.

-Contacto con la piel: Puede causar irritación, dolor y quemaduras.

-Contacto con los ojos: Puede causar quemaduras y daño severo en los ojos. El yodo es lacrimógeno.

>Medidas Específicas de Primeros Auxilios

-Inhalación: Mover a la persona al aire fresco. Requerir asistencia médica en caso de cualquier dificultad respiratoria.

-Ingestión: No inducir el vómito. Requerir asistencia médica. Si la persona está inconsciente, no suministrar cosa alguna por vía oral.

-Contacto con la piel: Quitar la ropa contaminada. Lavar con jabón y agua por al menos 15 minutos.

-Contacto con los ojos: Lavar los ojos con abundante agua, levantando los párpados en forma ocasional. Consultar al médico.

*Yodo molecular (I 2)

-El yodo molecular o diyodo (generalmente llamado sólo yodo o iodo) es una molécula diatómica homonuclear compuesta por dos átomos de yodo (I2). En condiciones normales es un sólido negro y lustroso con ligero brillo metálico, pero volatiliza fácilmente dando un gas de color violeta y olor irritante.

-Es necesario tener cuidado cuando se maneja yodo pues el contacto directo con la piel puede causar lesiones.

-Algunas personas pueden ser alérgicas al iodo molecular (como haptenos).

-El vapor de yodo es muy irritante para los ojos y las mucosas.

*Yoduro de Potasio (KI)

>Efectos Potenciales a la Salud

-Ingestión accidental: La ingestión puede provocar irritación gastrointestinal.

-Contacto con los ojos: El contacto en los ojos puede provocar irritación y ardor.

-Contacto con la piel: Produce irritación y enrojecimiento.

-Absorción: Se absorbe por piel.

-Inhalación: Causa irritación de las membranas mucosas (tractorespiratorias).

>Medidas Específicas de Primeros Auxilios

-Ingestión accidental: De a beber inmediatamente agua o leche. Nunca de nada a una persona inconsciente. Induzca el vomito sin administrar vomitivos. Solitar asistencia médica de inmediato.

-Contacto con los ojos: Lavar suavemente con agua corriente durante 15 min abriendo ocasionalmente los párpados. Solicitar atención medica de inmediato.

-Contacto con la piel: Lavar con agua corriente durante 15 min. Al mismo tiempo quitarse la ropa contaminada y calzado. Solicite atención médica.

-Absorción: Solicite atención médica de inmediato.

-Inhalación: Traslade a un lugar con ventilación adecuada, Si respira con dificultad suministrar oxigeno. Solicite atención médica de inmediato.

*Acetona

>Riesgos a la salud

-Inhalación: En forma de vapor, causa irritación de ojos nariz y tráquea. En concentraciones muy altas (aproximadamente 12 000 ppm), puede afectar al sistema nervioso central, presentándose dolor de cabeza y cansancio. En casos extremos puede perderse la conciencia.

-Contacto con ojos: En forma de vapor, los irrita causando lagrimeo y fluido nasal; el líquido puede causar daño a la córnea.

-Contacto con la piel: Un contacto prolongado y constante con la piel provoca resequedad, agrietamiento y dermatitis. El líquido puede penetrar a través de la piel, lo mismo que el vapor a concentraciones mayores de 5000 mg/m.3

-Ingestión: Causa irritación gástrica, dolor y vómito.

>Primeros Auxilios

-Inhalación: Si la inhalación ha sido prolongada, transportar al intoxicado a una zona bien ventilada. Si no respira, dar respiración artificial. Mantenerlo caliente y en reposo. Si es necesario, administrar oxígeno.

-Ojos: Lávelos con agua o disolución salina, asegurándose de que los ojos se encuentren abiertos durante el lavado.

-Piel: Lavar el área contaminada con agua y jabón. En caso necesario, elimine la ropa contaminada.

-Ingestión: Lavar la boca con agua. Si se ingirió, diluir tomando agua. No inducir el vómito.

*Ácido clorhídrico (HCl)

>Riesgos a la salud

-Inhalación: En el caso de exposiciones agudas, los mayores efectos se limitan al tracto respiratorio superior. El gas causa dificultad para respirar, tos e inflamación y ulceración de nariz, tráquea y laringe. Exposiciones severas causan espasmo de la laringe y edema en los pulmones y cuerdas vocales. Una exposición prolongada y repetida puede causar decoloración y corrosión dental. En algunos casos, se han presentado problemas de gastritis y bronquitis crónica.

En humanos,la exposición a una concentración de 50 a 100 ppm por una hora fue muy poco tolerada; de 35 ppm por un momento, causó irritación de la tráquea y de 10 ppm fue tolerada. Por otra parte, estudios con animales han demostrado que una exposición a concentraciones altas del gas provoca daños en los vasos sanguíneos, colapso de los pulmones y lesiones en hígado y otros órganos. Las exposiciones constantes a bajas concentraciones del gas no tienen efectos inmediatos y no producen cambios morfológicos.

-Contacto con ojos: Este ácido es un irritante severo de los ojos y su contacto con ellos puede causar quemaduras, reducir la visión o, incluso, la pérdida total de ésta.

-Contacto con la piel: En forma de vapor o disoluciones concentradas causa quemaduras serias, dermatitis y fotosensibilización. Las quemaduras pueden dejar cicatrices, que incluso pueden desfigurar las regiones que han sido dañadas.

-Ingestión: Produce corrosión de las membranas mucosas de la boca, esófago y estómago. Los síntomas que se presentan son: disfagia, náuseas, vómito, sed intensa y diarrea. Puede presentarse, incluso, colapso respiratorio y muerte por necrosis del esófago y estómago.

>Primeros Auxilios

-Inhalación: Mover al afectado al aire fresco. Si no respira, dar respiración artificial y mantenerlo caliente y en reposo, no dar a ingerir nada. Si está despierto, suministrar oxígeno, si es posible, y mantenerlo sentado, pues puede presentarse dificultad para respirar.

-Ojos: Lavar inmediatamente con agua corriente, asegurándose de abrir bien los párpados.

-Piel: Lavar inmediatamente la zona dañada con agua en abundancia. Si ha penetrado en la ropa, quitarla inmediatamente y lavar la piel con agua abundante.

-Ingestión: No provocar vómito. En caso de que la víctima esté inconsciente, dar respiración artificial y mantenerla en reposo y caliente. Si está despierto dar a beber un poco de agua continuamente, por ejemplo una cucharada cada 10 minutos.

Bibliografía

-Raymond Chang, Química. Novena Edición, 2007 McGraw Hill Interamericana, México.

-Castellán G. W., Fisicoquímica, Addison Wesley Longman, 2ª Edición, 1987