PROCEDIMIENTO. 1. Si todavía no lo has hecho, ponte los guantes y las gafas de seguridad. Cinética química Página 2

Transcripción

1 CINÉTICA QUÍMICA

2 DETERMINACIÓN DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN Las reacciones tienen lugar más deprisa a altas temperaturas, porque al incrementar la temperatura también se incrementa la energía cinética media de las moléculas reaccionantes, haciendo más probable que una colisión entre dos moléculas reaccionantes tenga suficiente energía para iniciar la reacción. Como aproximación, podemos decir que al aumentar 10 ºC la temperatura, se duplica la velocidad de reacción. En esta práctica chequearemos esta aproximación, haciendo reaccionar tabletas de Alka-Seltzer con agua a diferentes temperaturas. Cuando una tableta de Alka-Seltzer es puesta en contacto con el agua, libera dióxido de carbono a medida que se disuelve y sus componentes reaccionan. Recogeremos datos básicos sobre la reacción simplemente determinando cuanto tiempo tarda en disolverse completamente la tableta en agua a varias temperaturas. Pero usando este método obtenemos datos únicamente del punto inicial y del punto final. No nos dice, más que en términos muy generales, si la velocidad de reacción es lineal o si cambia con el tiempo. Sabemos que esta reacción libera dióxido de carbono, lo cual significa que la masa de los reactivos disminuye a medida que la reacción evoluciona. Anotando la masa del recipiente donde se produce la reacción y sus contenidos periódicamente a medida que tiene lugar la reacción se recogen los datos necesarios para determinar si la velocidad de reacción es lineal y si la temperatura afecta a esta linealidad. PROCEDIMIENTO 1. Si todavía no lo has hecho, ponte los guantes y las gafas de seguridad. 2. Pesa una de las tabletas con una precisión de 0.01 g y anota la masa en la línea A de la Tabla Añade unos 100 ml de agua fría a un vaso de precipitados. (Usa un vaso de plástico si la masa del vaso más los reactivos supera el límite de la balanza). 4. Pesa el vaso con el agua y anota la masa en la línea B de la Tabla Mide y anota la temperatura del agua en la línea C de la Tabla 1 6. Con el vaso todavía en la balanza, añade la tableta al mismo. 7. Anota la masa combinada de vaso, agua y tableta cada cinco segundos en la Tabla 1. (Puede ser útil que una persona controle el tiempo, mientras otra anota las masas). 8. Continúa anotando las masas durante un minuto o hasta que la reacción se complete, evidenciado por la ausencia de burbujeo. 9. Cuando la reacción se complete, anota la masa final del vaso, agua y tableta en la línea Q de la Tabla Tira la disolución gastada y limpia el vaso. 11. Repite los pasos 1 a 10, usando agua caliente. 12. Repite los pasos 1 a 10 usando una mezcla de agua caliente y fría a partes iguales. Cinética química Página 2

3 MATERIAL Y REACTIVOS Guantes y gafas protectoras Balanza Termómetro Cronómetro Vaso de precipitados Tabletas de Alka-Seltzer (3) Agua (fría y caliente) PRECAUCIONES Aunque los reactivos usados en esta práctica no son peligrosos, es una buena práctica usar gafas y guantes. ELIMINACIÓN DE RESIDUOS Todas las disoluciones de esta práctica pueden ser eliminadas arrojándolas a las picas con mucha agua. SUSTITUCIONES Y MODIFICACIONES o Se pueden sustituir las tabletas de Alka-Seltzer por cualquier tableta efervescente. o Si no se dispone de ningún tipo de tableta se puede usar una barra de tiza y disoluciones diluidas (3 M) de ácido clorhídrico fría y caliente. Recuerda que el ácido clorhídrico es corrosivo y peligroso de manejar. TABLA 1: Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción. Datos observados y calculados A. Masa de la tableta B. Masa del vaso más el agua C. Temperatura del agua D. Masa a 0:00 (A + B) E. Masa a 0:05 F. Masa a 0:10 G. Masa a 0:15 H. Masa a 0:20 I. Masa a 0:25 J. Masa a 0:30 K. Masa a 0:35 L. Masa a 0:40 M. Masa a 0:45 N. Masa a 0:50 O. Masa a 0:55 P. Masa a 1:00 Q. Masa al final de la reacción R. Pérdida de masa (D - Q) S. Porcentaje de pérdida [(R / A) 100] Ensayo A Ensayo B Ensayo C ACTIVIDADES OPCIONALES Dibuja en una gráfica los resultados obtenidos para los tres ensayos usando agua fría, templada y caliente. Determina si la reacción es lineal con el tiempo y si la temperatura afecta a la linealidad. El principal componente de las tabletas efervescentes es el bicarbonato sódico, normalmente mezclado con ácido cítrico, aspirina, aglutinantes y otros componentes inactivos. Cuando se pone en contacto con agua, el ácido cítrico y el bicarbonato de sódico reaccionan para formar (entre otros) dióxido de carbono. El dióxido de carbono se libera, lo que da cuenta de la pérdida de masa. Escribe una ecuación ajustada de la reacción y usa los datos de la Tabla 1 para calcular el porcentaje aproximado en peso de bicarbonato sódico presente en la tableta. Cinética química Página 3

4 CUESTIONES DE REVISIÓN 1. Qué efecto de la temperatura se observa sobre la velocidad de reacción? 2. Basándote en los datos de la Tabla 1, la aproximación de la duplicación de la velocidad de reacción cada 10 ºC, es una aproximación razonable? Cuánto se apartan tus datos de esta aproximación? 3. Basándote en los datos de la Tabla 1, depende la velocidad de reacción linealmente del tiempo? Si aprecias un incremento o disminución de la velocidad de reacción, propón al menos una posible explicación. Cinética química Página 4

5 DETERMINACIÓN DEL EFECTO DEL ÁREA SUPERFICIAL SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN Si al menos uno de los reactivos es sólido, la reacción tiene lugar más deprisa si el sólido está finamente dividido, porque el área superficial es mayor en un sólido finamente dividido, exponiendo más cantidad de reactivo a los otros reactivos. En la práctica anterior, hemos examinado las velocidades de reacción de las tabletas de Alka-Seltzer, manteniendo la superficie inicial constante y variando la temperatura. En esta práctica, exploraremos el efecto sobre la velocidad de reacción de las diferentes áreas superficiales iniciales a temperatura constante. PROCEDIMIENTO 1. Si todavía no lo has hecho, ponte los guantes y las gafas de seguridad. 2. Pesa una de las tabletas con una precisión de 0.01 g y anota la masa en la línea A de la Tabla Añade unos 100 ml de agua fría a un vaso de precipitados. (Usa un vaso de plástico si la masa del vaso más los reactivos supera el límite de la balanza). 4. Pesa el vaso con el agua y anota la masa en la línea B de la Tabla Mide y anota la temperatura del agua en la línea C de la Tabla 2 6. Con el vaso todavía en la balanza, añade la tableta al mismo. 7. Anota la masa combinada de vaso, agua y tableta cada cinco segundos en la Tabla 2. (Puede ser útil que una persona controle el tiempo, mientras otra anota las masas). 8. Continúa anotando las masas durante un minuto o hasta que la reacción se complete, evidenciado por la ausencia de burbujeo. 9. Cuando la reacción se complete, anota la masa final del vaso, agua y tableta en la línea Q de la Tabla Tira la disolución gastada y limpia el vaso. 11. Repite los pasos 1 a 10, usando una tableta partida en cuatro trozos. 12. Repite los pasos 1 a 10 usando una tableta finamente molida. (Esta reacción puede ser demasiado rápida para medir el tiempo adecuadamente). MATERIAL Y REACTIVOS Guantes y gafas protectoras Balanza Termómetro Cronómetro Vaso de precipitados Tabletas de Alka-Seltzer (3) Regla o pie de rey Agua (fría y caliente) PRECAUCIONES Aunque los reactivos usados en esta práctica no son peligrosos, es una buena práctica usar gafas y guantes. ELIMINACIÓN DE RESIDUOS Todas las disoluciones de esta práctica pueden ser eliminadas arrojándolas a las picas con mucha agua. Cinética química Página 5

6 SUSTITUCIONES Y MODIFICACIONES o Se pueden sustituir las tabletas de Alka-Seltzer por cualquier tableta efervescente. o Si no se dispone de ningún tipo de tableta se puede usar una barra de tiza y disoluciones diluidas (3M) de ácido clorhídrico fría y caliente. Recuerda que el ácido clorhídrico es corrosivo y peligroso de manejar. TABLA 2: Efecto del área superficial sobre la velocidad de reacción. Datos observados y calculados A. Masa de la tableta B. Masa del vaso más el agua C. Temperatura del agua D. Masa a 0:00 (A + B) E. Masa a 0:05 F. Masa a 0:10 G. Masa a 0:15 H. Masa a 0:20 I. Masa a 0:25 J. Masa a 0:30 K. Masa a 0:35 L. Masa a 0:40 M. Masa a 0:45 N. Masa a 0:50 O. Masa a 0:55 P. Masa a 1:05 Q. Masa al final de la reacción R. Pérdida de masa (D - Q) S. Porcentaje de pérdida [(R / A) 100] Ensayo A (sólido) Ensayo B (trozos) Ensayo C (polvo) CUESTIONES DE REVISIÓN 1. Qué efecto observas del área superficial sobre la velocidad de reacción? 2. Usa una regla para medir el diámetro y grosor de una tableta. Calcula su área superficial aproximada. Haz el mismo cálculo para el área superficial de la tableta dividida en cuartos. El incremento de la velocidad de reacción que observas con la tableta en cuartos, corresponde con el aumento de área superficial? Si no es así, propón una explicación. 3. Muchos remedios en los que intervienen tabletas efervescentes dicen al usuario que disuelva dos tabletas en un vaso de agua. Por qué no hacen simplemente tabletas más grandes y recomiendan disolver sólo una de estas tabletas más grandes? Cinética química Página 6

7 DETERMINACIÓN DEL EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN Las reacciones químicas son más rápidas a concentraciones mayores de reactivo porque más moléculas de los reactantes están disponibles y por lo tanto las colisiones entre moléculas son más probables. En las dos prácticas anteriores se ha usado tabletas de Alka-Seltzer y agua para demostrar los efectos de la temperatura y el área superficial sobre las velocidades de reacción. Obviamente, tendremos que usar otro método para demostrar el efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción, porque las cantidades de ácido cítrico y bicarbonato de sodio en una tableta efervescente son fijos y no pueden cambiarse. En esta práctica se usará otro antiácido con concentraciones variable de ácido clorhídrico para demostrar el efecto de la concentración sobre las velocidades de reacción. Algunos antiácidos (pero no todos) contienen principalmente carbonato de sodio, junto con saborizantes, aglutinantes y otros ingredientes inactivos. Estas tabletas neutralizan el exceso de ácido del estómago, lo cual es debido al ácido clorhídrico diluido, de acuerdo a la siguiente ecuación: Usaremos esta reacción para observar y cuantificar el efecto de la concentración sobre las velocidades de reacción. PROCEDIMIENTO 1. Si todavía no lo has hecho, ponte los guantes y las gafas de seguridad. 2. Etiqueta tres vasos con 4M, 2M, 1M. 3. En el primer vaso prepara 100 ml de una disolución 4M de ácido clorhídrico mezclando 33.3 ml de HCl 12M y 66.7 ml de agua. (Usa un vaso de plástico si la masa del vaso más los reactivos supera el límite de la balanza). 4. En el segundo vaso prepara 100 ml de una disolución 2M de ácido clorhídrico mezclando 16.7 ml de HCl 12 M y 83.3 ml de agua. MATERIAL Y REACTIVOS Guantes y gafas protectoras Balanza Probeta de 100 ml Termómetro Cronómetro Vasos de precipitados (3) Rotulador de vidrio Tabletas antiácidas de carbonato de calcio (3) Ácido clorhídrico 4M (100 ml) Ácido clorhídrico 2M (100 ml) Ácido clorhídrico 1M (100 ml) Agua Cinética química Página 7

8 SUSTITUCIONES Y MODIFICACIONES o Se pueden sustituir las tabletas antiácidas de carbonato de sodio por pequeñas piezas de tiza de aproximadamente 1 cm de longitud. o Al preparar las disoluciones de ácido clorhídrico, se puede sustituir el concentrado por el que se encuentra en las droguerías, que tiene una pureza aproximada del 31.45% (10.3M). Ajusta las cantidades correspondientes de cada disolución. 5. En el tercer vaso prepara 100 ml de una disolución 1M de ácido clorhídrico mezclando 8.3 ml de HCl 12M y 91.7 ml de agua. PRECAUCIONES El ácido clorhídrico es corrosivo y emite humos densos. Usa gafas de seguridad y guantes todo el tiempo. Siempre añade el ácido al agua. Añadir agua a una disolución de ácido concentrada puede provocar salpicaduras. El proceso de dilución de un ácido desprende calor. Debido a que se quiere que la concentración sea la única variable, es importante asegurarse que las tres disoluciones ácidas tienen la misma temperatura inicial. Prepara estas disoluciones con tiempo y permite que se enfríen hasta temperatura ambiente antes de comenzar. 6. Pesa una de las tabletas antiácido y anota su masa en la fila A de la Tabla Sitúa el primer vaso con la disolución de ácido clorhídrico 4M sobre la balanza y anota su masa en la línea B de la Tabla Mide y anota la temperatura de la disolución de HCl en la línea C de la Tabla Con el vaso y su contenido todavía sobre la balanza, introduce la tableta en el vaso. 10. Anota la masa combinada del vaso, el ácido y la tableta cada cinco segundos en la Tabla 3. (Puede ser útil que una persona controle el tiempo, mientras otra anota las masas). 11. Continúa anotando los cambios en la masa durante un minuto o hasta que la reacción se complete, como se evidenciará por el cese de burbujeo. 12. Cuando la reacción se complete, anota la masa final del vaso, el agua y la tableta en la línea Q de la Tabla Tira la disolución gastada y limpia el vaso. 14. Repite los pasos 6 a 12 usando la disolución de ácido clorhídrico 2M. 15. Repite los pasos 6 a 12 usando la disolución de ácido clorhídrico 1M. ELIMINACIÓN DE RESIDUOS Neutraliza las disoluciones con una base como el bicarbonato de sodio antes de echarlas a las picas junto a una gran cantidad de agua. ACTIVIDADES OPCIONALES Dibuja en una gráfica tus resultados para los ensayos usando disoluciones 4M, 2M y 1M de HCl. Determina si la velocidad de reacción es lineal con el tiempo y si la concentración de HCl afecta a la linealidad. En la primera práctica, se mencionó la aproximación de que cada 10 ºC de aumento en la temperatura tenía como consecuencia una duplicación de la velocidad de reacción. ( Tus datos experimentales verifican o rechazan esta aproximación?). Repite esta práctica usando 100 ml de HCl 1M a una temperatura 10 ºC mayor que la utilizada en el primer ensayo. Compara los resultados con los obtenidos con las disoluciones 1M y 2M de HCl a temperatura más baja. Cinética química Página 8

9 Tabla 3: Efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción, datos observados y calculados A. Masa de la tableta B. Masa del vaso más el agua C. Temperatura del agua D. Masa a 0:00 (A + B) E. Masa a 0:05 F. Masa a 0:10 G. Masa a 0:15 H. Masa a 0:20 I. Masa a 0:25 J. Masa a 0:30 K. Masa a 0:35 L. Masa a 0:40 M. Masa a 0:45 N. Masa a 0:50 O. Masa a 0:55 P. Masa a 1:05 Q. Masa al final de la reacción R. Pérdida de masa (D - Q) S. Porcentaje de pérdida [(R / A) 100] Ensayo A (HCl 4M) Ensayo B (HCl 2M) Ensayo C (HCl 1M) CUESTIONES DE REVISIÓN 1. Qué efecto tiene la concentración sobre la velocidad de reacción? 2. Basándote en los datos de la Tabla 3, Es lineal el efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción? 3. Basándote en los datos de la Tabla 3, para una concentración en particular, es la velocidad de reacción lineal con el tiempo? Si te das cuenta de un incremento o disminución de la velocidad de reacción con el tiempo, propón alguna explicación posible. BIBLIOGRAFÍA Thompson, Robert Bruce: Illustrated Guide to Home Chemistry Experiments, O Reilly, Sebastopol (CA), ISBN: Cinética química Página 9