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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIAS CAMPUS GUANAJUATO

PRACTICA 9 .VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA: “Reacción reloj del formaldehído”

INTEGRANTES:

Oscar Efraín Fernández Delgado Juan Emmanuel Ramírez Urtiz Yvan Arroyo Ganem Carranco Ramírez Guadalupe Virginia

FISICOQUÍMICA 21/11/2012

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 PRACTICA 9 .VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA: “Reacción reloj del formaldehído””

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Laboratorio de Fisicoquímica 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]

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Laboratorio de Fisicoquímica Reacciones Experimentales 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 1 cronómetro

85 mL de Solución A: solución de formaldehído 0.30 M 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 Parrilla eléctrica

Marcador de tinta permanente

1 gradilla para tubos de 20 x200 mm

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Laboratorio de Fisicoquímica b) DIAGRAMAS DE FLUJO Y METODOLOGIA 1) EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DEL REACTIVO EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Mida 10.0 mL de solución A

1

2

3

4

Mida 10.0 mL de solución B

Vertir la solución en

Vertir la solución en

Vierta la solución B sobre la solución A.

Repita las operaciones del 1 al 3 empleando las siguientes diluciones de la solución A

Agregar 3 gotas de fenolftaleína

A la primera señal de reacción

ensayo Vol. A en ml Vol. H2O en ml 1 4.5 0.5 2 4 1 3 3.5 1.5 4 3 2 5 2.5 2.5 6 2 3 7 1.5 3.5 8 1 4 9 0.5 4.5 Tabla 1. Volumen de la solución A y del agua para los 9 ensayos.

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Laboratorio de Fisicoquímica

2) EFECTO DE LA TEMPERATURA

1

Calentar a temperatura asignada

2

Agrega 10 mL de la solución B original.

En otro tubo de ensayo

Agrega 10 mL solución de formaldehído 0.15M

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

Introducir los tubos de ensayo 5 minutos

CALCULOS Y RESULTADOS Tabla 2. Efecto de la concentración Ensayo

Volumen A (mL)

Volumen H20 (mL)

[A] antes de mezclar (M)

Volumen de B (mL)

[A] después de (M)

tiempo (seg)

5

0

0.3

5

0.15

22

Temperatura de la reacción (°C) 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 -1.2039728

ln [A]

k (1/seg)

V (mol/L Seg)

-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

-2.40794561

0.01237763

0.00111399

-1.89711998

-2.59026717

0.00900191

0.00067514

-2.12026354

-2.81341072

0.00481352

0.00028881

-1.71479843

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Laboratorio de Fisicoquímica Variables calculadas para cotejar el orden de reacción. t 22 31 35 43 56 77 144

1/[Ä] 6.6666667 7.4074074 8.3333333 9.5238095 11.111111 13.333333 16.666667

2

t 22 31 35 43 56 77 144

1/[A] 44.444444 54.869684 69.444444 90.702948 123.45679 177.77778 277.77778

t 22 31 35 43 56 77 144

3

1/[A] 296.2963 406.44211 578.7037 863.8376 1371.7421 2370.3704 4629.6296

Reacción de Orden Cero

Reaccion de Orden Cero 0.16 y = -0.0007x + 0.1447 R² = 0.7775

0.14 0.12 [A]

0.1 0.08

[A]

0.06

Lineal ([A])

0.04

0.02 0 0

50

100

150

200

Tiempo (segundos)

Grafica 1.- comportamiento de la reacción para orden cero Reacción de Primer Orden

Reaccion Primer Orden 0

-0.5

0

50

100

200 y = -0.0073x - 1.8731 R² = 0.8685

-1 ln [A]

150

-1.5

ln [A]

-2

Lineal (ln [A])

-2.5 -3 -3.5

Tiempo (segundo)

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

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Laboratorio de Fisicoquímica

Reacción de Segundo Orden

1/[A]

Reaccion Segundo Orden 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

y = 0.0825x + 5.6285 R² = 0.9391

1/[Ä] Lineal (1/[Ä])

0

50

100

150

200

Tiempo Segundo

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

Reacción de Tercer Orden

Reaccion Tercer Orden 350 y = 1.9679x + 5.0793 R² = 0.981

1/[A] * 1/[A]

300 250 200

150

1/[A]cuadrado

100

Lineal (1/[A]cuadrado)

50

0 0

50

100

150

200

Tiempo Segundo

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

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Laboratorio de Fisicoquímica Reacción de cuarto Orden

1/[A] * 1/[A] * 1/[A]

Reaccion de cuarto orden 5000

y = 36.959x - 651.76 R² = 0.9952

4000 3000 2000

1/[A] cubo

1000

Linear (1/[A] cubo)

0 0

50

100

150

200

Tiempo (segundo)

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 1 2 3 4 5 6

5 5 5 5 5 5

Concentración Vol. de B en temperatura tiempos de A ml 0.15 5 50 12.7 0.15 5 45 14.2 0.15 5 40 27.1 0.15 5 35 39.41 0.15 5 30 54.15 0.15 5 25 98.61

tiempo vs temperatura 60

y = -0.2697x + 48.566 R² = 0.8657

50 40

tiempo vs temperatura 30 Lineal (tiempo vs temperatura)

20 10

0 0

50

100

150

Grafica 6. Gráfica del comportamiento del tiempo de reacción con relación a la temperatura PRACTICA 9 .VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA: “Reacción reloj del formaldehído””

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Laboratorio de Fisicoquímica

tiempo vs temperatura 60

y = -0.4402x + 52.992 R² = 0.9518

50 40

tiempo vs temperatura 30 Lineal (tiempo vs temperatura)

20 10

0 0

20

40

60

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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Laboratorio de Fisicoquímica 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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Laboratorio de Fisicoquímica 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 termodinamica. Editorial Pearson. 584 Paginas

a

la

Fisicoquimica:

[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 PRACTICA 9 .VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA: “Reacción reloj del formaldehído””

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Laboratorio de Fisicoquímica [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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