PRÁCTICA 10 CINÉTICA QUÍMICA I: DETERMINACIÓN DEL ORDEN DE REACCIÓN Y DE LA CONSTANTE DE VELOCIDAD

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1 PRÁCTICA 10 CINÉTICA QUÍMICA I: DETERMINACIÓN DEL ORDEN DE REACCIÓN Y DE LA CONSTANTE DE VELOCIDAD OBJETIVOS. Estudar la cnétca de una reaccón químca por el método de las velocdades ncales. Determnar los órdenes parcales de reaccón y la constante de velocdad de un proceso químco. FUNDAMENTO TEÓRICO La cnétca químca se ocupa del estudo de las velocdades de reaccón (que dependen, entre otros factores, de la naturaleza y de la concentracón de los reactvos, la temperatura y la presenca de catalzadores) así como de la trayectora seguda en la reaccón para pasar de los reactvos a los productos. En esta práctca vamos a ncdr prmordalmente en el prmer apartado y por ello nos detendremos en repasar los conceptos relatvos a la velocdad de reaccón. Es muy mportante hacer notar que dcha velocdad se defne como el índce de cambo con el tempo de algún reactvo o producto que ntervene en la reaccón estudada; la expresón que da la velocdad de la reaccón como funcón de la concentracón de cada una de las sustancas que nfluyen en ella, se llama Ley de velocdad de reaccón. Esta ley debe determnarse expermentalmente ya que no es posble deducrla a partr de la ecuacón estequométrca. La forma habtual de expresarla es por medo de una ecuacón en la que aparece una constante, llamada constante de velocdad, multplcada por la concentracón de varas especes elevadas a un exponente, llamado orden. Cualquer estudo cnétco ncluye la determnacón de la concentracón de una o más de las especes nvolucradas en la reaccón en un momento dado y a una temperatura determnada. En esta práctca se va a estudar la reaccón del ón persulfato con el yoduro en medo acuoso. Dcho proceso puede escrbrse de acuerdo a la sguente relacón estequométrca: 8 (ac) I (ac) I(ac) SO (ac) (1) En realdad se producen ones tryoduro al dsolverse el yodo en la dsolucón de yoduro alcalno, con lo que la reaccón sería: 8 (ac) 3I (ac) I3 (ac) SO (ac) (1*) No hay método sencllo para determnar el avance de la reaccón drectamente. Para resolver esta dfcultad utlzaremos las reaccones secundaras acopladas, mucho más rápdas que la muestra de estudo, que se conoce con el nombre reaccones reloj, que transcurren smultáneamente a la reaccón prncpal objeto de estudo y que srven para poder detectar la aparcón de un punto fnal observable, con la vsta, medante un cambo brusco de color. I (ac ) S O3 (ac ) I (ac ) S O6 (ac ) () I almdón Complejo azul de yodo (3) El yodo que aparece como producto de la reaccón prncpal (1), se consume junto al tosulfato en la muy rápda reaccón de oxdacón de ón a tetratonato (). Cuando se ha consumdo todo el tosulfato, el I en exceso colorea la dsolucón formando un complejo azul con el almdón. En el esquema 1, que se muestra a contnuacón, quedan reflejadas estas reaccones.

2 Mezcla de reactvos Comenza la reaccón Reaccón 1 (Se consume I - y se produce I ) Queda S? O 3 No Se produce el complejo I - almdón S Reaccón (Se produce I - ) Esquema 1 Ya que salvo en el caso de mecansmos de reaccón complejos la velocdad de la reaccón no está nfluencada por la concentracón de los productos, la ecuacón o ley de velocdad de la reaccón objeto de estudo puede escrbrse como: m n v k I () 8 Emplearemos el denomnado método de las velocdades ncales para la determnacón de órdenes de reaccón que consste en medr la velocdad al comenzo de la msma, cuando los reactvos se han consumdo menos del 5-10%. En este caso, las concentracones de los reactvos pueden consderarse constantes y aproxmadamente guales al valor de las concentracones ncales. Para consegur este objetvo pondremos sempre la msma y pequeña cantdad de tosulfato en nuestros expermentos. La determnacón de la velocdad de reaccón se realza mdendo el tempo, t, necesaro para la formacón de una cantdad fja de yodo que produce la desaparcón completa del tosulfato; dada la estequometría de las reaccones 1 y, dcha velocdad será: fnal 3 ncal 3 v ncal (5) t t t t Para encontrar la constante de velocdad y los órdenes de reaccón del proceso mantendremos constante la concentracón del persulfato en un grupo de expermentos y en otro la del yoduro. Entonces la velocdad puede expresarse en los sguentes térmnos: v k I n donde v k m donde 8 k k m (6) 8 k k I n (7) sendo k y k las constantes aparentes de pseudo-orden. Tomando logartmos en estas dos últmas expresones y hacendo una representacón de log v vs log [I - ] y log v vs log S O se podrán obtener los 8 órdenes parcales de reaccón m y n a partr de las pendentes y las constantes de

3 velocdad aparentes del proceso consderando la ordenada en el orgen de ambas rectas. Por últmo estaremos en dsposcón de calcular la verdadera constante de velocdad del proceso a la temperatura de los expermentos. MATERIAL Y REACTIVOS Materal 1 agtador magnétco 1 probeta de 5 ml 5 erlenmeyer de 50 ml 1 ppeta de 5, 10 y 5 ml 1 proppeta vasos de 100 ml 1 cronómetro Reactvos Na S O M Na S O M KI 0. M Dsolucón acuosa de almdón. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL La prmera parte de la práctca consste en la obtencón del orden de reaccón respecto al KI y la constante aparente de velocdad. Para ello se preparan 5 erlenmeyers con 10, 1, 15, 0 y ml de dsolucón de yoduro potásco (KI) 0. M; se añaden a cada uno de ellos 10 ml de dsolucón de tosulfato sódco (Na S O 3 )10 - M y 5 ml de almdón completando con agua hasta un volumen de 0 ml. En una probeta se ponen 5 ml de la dsolucón de peroxodsulfato sódco (Na S O 8 ) 0.1 M, verténdose el contendo de una sola vez sobre el prmer erlenmeyer mentras se agta y se mde el tempo que transcurre entre la mezcla y la aparcón de un color voleta ntenso. Observar que al añadr la dsolucón de peroxodsulfato sódco el volumen fnal de la mezcla es 65 ml, y que será el volumen total para todas las experencas. A contnuacón se repte el proceso sobre los restantes matraces erlenmeyers. Ver el apartado zquerdo del esquema, donde fgura en negrta cursva las cantdades del expermento que se deben cambar en el resto de los ensayos. ESQUEMA DEL PRIMER ENSAYO DE CADA UNA DE LAS EXPERIENCIAS (Volumen Total Constante = 65 ml) 5 ml Na S O 8 10 ml Na S O 8 10 ml KI 10 ml Na S O 3 5 ml almdón 15 ml agua 5 ml KI 10 ml Na S O 3 5 ml almdón 15 ml agua Esquema

4 Construr una tabla para los cnco expermentos, ndcando la concentracón de los reactvos (KI y Na S O 8 ), sus logartmos y el tempo meddo. Calcular la velocdad de reaccón para cada uno de los cnco casos utlzando la ecuacón 5. A contnuacón hacer una representacón gráfca de la ecuacón log v log k n log [KI] (8) La segunda parte consste en obtener el orden respecto al peróxdsulfato y, la constante aparente k. Se preparan para ello 5 erlenmeyers, y se añaden a cada uno 10 ml de dsolucón de tosulfato (Na S O 3 ) 10 - M, 5 ml de almdón 5 ml de KI 0. M, completando con agua hasta que el volumen total (ncludo el volumen de Na S O 8 de la probeta de cada experenca) sea de 65 ml. En dcha probeta se ponen 10 ml de Na S O M, verténdose y tomando tempo como en los expermentos anterores. A contnuacón se repte el proceso pero varando los volúmenes de la probeta a 1, 15, 0 y ml de Na S O 8 respectvamente. Ver el apartado derecho del anteror del esquema, observando las cantdades que se señalan en negrta cursva. Construr una segunda tabla para las experencas, ndcando las nuevas concentracones de los reactvos (KI, Na S O 8 ), sus logartmos y el tempo de reaccón. De una forma smlar al apartado anteror, representar gráfcamente log v log k m log [Na S O 8 ] (9) RESULTADOS Y CUESTIONES 1. Descrbr brevemente los pasos segudos en el desarrollo del procedmento expermental, destacando la mportanca del orden empleado para consegur los objetvos propuestos.. Rellenar la sguente tabla correspondente a los 5 prmeros expermentos. Expermento TABLA I KI Na S O 8 Tempo de [KI] log[ki] [Na S O 8 ] log [Na S O 8 ] reaccón

5 3. Rellenar la sguente tabla correspondente a los 5 últmos expermentos. Expermento TABLA II KI Na S O 8 Tempo de [KI] log[ki] [Na S O 8 ] log [Na S O 8 ] reaccón. Representar gráfcamente la ecuacón 8 medante un ajuste por mínmos cuadrados. Obtener de la pendente el orden parcal n respecto al yoduro y de la ordenada en el orgen la constante aparente del proceso k. 5. Representar gráfcamente la ecuacón 9 medante un ajuste por mínmos cuadrados obtener de la pendente el orden parcal m respecto al persulfato y de la ordenada en el orgen la constante aparente del proceso. 6. Con las 5 prmeras meddas realzadas, determnar la constante de velocdad real (no aparente) del proceso a partr de la ecuacón 6 y con las 5 últmas volver a determnar dcha constante de velocdad real medante la ecuacón 7. Calcular los valores medos y compararlos. 7. Indcar las undades de la velocdad de la reaccón, así como las de las constantes de velocdad reales y aparentes. 8. Indcar que ocurrría s por error se olvda añadr alguno de los sguentes componentes al medo de reaccón: almdón, S, I -. O 3 9. Qué sucedería s por equvocacón la dsolucón preparada de ser M, fuese M? 3 en lugar de 10. Indcar las fuentes de error en las meddas de la constante de velocdad real del proceso. BIBLIOGRAFIA Horta, A; Esteban, S; Navarro, R; Coruago, P; Barthelemy, C. Técncas Expermentales en Químca. 3ª ed. Experenca 15. Ed. Unversdad Naconal de Educacón a Dstanca, Gulleme, J; Casanueva, J; Díez, E; Herrast, P; Juan, J; López, R; Ocón, P; Poyato, J.M.L; San Fabán, J; Sánchez, A; de la Vega, J.M.G; Zuluaga J. Expermentacón en Químca Físca. Capítulo Cnétca Químca. Ed. Unversdad Autónoma de Madrd, 003. Arencba, A; Arsuaga, J.M; Coto, B; Suárez, I. Laboratoro de Químca Físca. Práctca 3. Ed. Unversdad Rey Juan Carlos, 005.