Cinética Química Agosto de 2007

Transcripción

1 Introducción Cinética Química Agosto de 2007 En esta sesión, estudiaremos la Cinética de las reacciones químicas utilizando los datos experimentales que obtuviste en la sesión de laboratorio. Primero modelaremos el comportamiento de una reacción ideal, y después calcularás los parámetros de la reacción estudiada. Para realizar los ejercicios de este tema debes descargar el archivo Cinetica.zip y guardarlo en Mis documentos. Una vez guardado, busca el archivo en Mis documentos y desempácalo en la misma carpeta, debe crearse la carpeta Cinética. En esta ocasión realizaremos modelado matemático de las reacciones químicas emplearemos el programa de Hoja de Cálculo Excel de Microsoft. Para quienes no lo conozcan, la primera parte del instructivo es una breve introducción al uso del programa, que puede ser de ayuda para todos, pero quienes consideren que no la requieren, pueden pasar directamente al Ejercicio de Cinética Química. Introducción a Excel Excel es una Hoja de Cálculo, la herramienta ideal para estudiar la cinética de las reacciones químicas. A pesar de su nombre, este tipo de programas puede usarse para efectuar operaciones de diversos tipos no sólo con números, sino también con palabras y fechas. Las operaciones se pueden realizar manualmente o programarse en la hoja para que se lleven a cabo en forma automática. También incluye funciones de Base de Datos y la capacidad para elaborar Gráficas de varios tipos. Arrancar Excel Al igual que el resto de las aplicaciones de Microsoft, Excel se puede arrancar de varias formas: Haciendo clic Inicio Programas Excel. Haciendo clic en el botón de acceso directo del escritorio o la barra de Office. Con doble clic sobre cualquier archivo de Excel (*.xls) Arranca Excel con cualquiera de los métodos indicados Elementos básicos de Excel Los elementos básicos de la ventana de Excel son los mismos de las aplicaciones Windows: barra de título, barra de menús, barra de herramientas estándar y formato, barras de desplazamiento y barra de estado. Además, tiene elementos característicos, como los que se muestran en la figura siguiente y algunas herramientas propias de la aplica- mlvm / maov /agosto de 2007

2 Taller de Computo en Bioquímica ción. Apunta a los botones de las barras de herramienta, para que conozcas sus nombres. Libros y Hojas de cálculo Cuando se arranca el programa, se abre un Libro de Excel. Cada libro puede tener una o más Hojas de cálculo. La pantalla sólo muestra la hoja de cálculo activa, en la que se pueden escribir datos o realizar operaciones. Las hojas de cálculo están divididas en Filas y Columnas. Las filas están marcadas con números del 1 al , en la columna de color gris del lado izquierdo de la ventana y las columnas con letras de A hasta IV en la fila superior, también de color gris. La intersección de una fila y una columna forma una Celda. Cada hoja de cálculo tiene un total de celdas. Cada celda representa una dirección de memoria de la computadora y se identifica con la letra de la columna, seguida del número de la fila que la forma. En cualquier momento, existe una Celda Activa, que se puede reconocer porque tiene un marco grueso alrededor, con un pequeño cuadro en la esquina inferior derecha, y porque su nombre aparece en el cuadro de nombres. La celada activa es el lugar donde se escribirán los datos que introduzcas. El apuntador del ratón En Excel, el apuntador del ratón tiene diferente aspecto, dependiendo del sitio en que se encuentre. A continuación, se muestran las formas más comunes. Dentro de una celda. Haciendo clic cuando el apuntador tiene esta forma se selecciona la celda, y si se arrastra, se selecciona un rango de celdas. Sobre el borde de la celda o rango de celdas seleccionado. Si se arrastra el ratón cuando el apuntador tiene esta forma, se mueve el contenido de la celda o celdas seleccionadas a una nueva ubicación. Cinética Química/2

3 Taller de Computo en Bioquímica En la esquina inferior derecha de la celda o rango de celdas seleccionado. Al arrastrar este apuntador se copia el contenido de la celda activa o se llena el rango seleccionado con los valores de una serie. Movimiento en la hoja Para poder introducir datos, modificarlos y emplearlos en operaciones, es necesario llegar a la celda donde vas a escribir. A continuación, se describen los métodos más empleados para moverse en la hoja. Mueve el apuntador a cualquier celda de la hoja de cálculo y haz clic. La celda seleccionada se convierte en la celda activa. Haz clic dentro del cuadro de nombres, escribe G10 y presiona <Enter>. Ahora la celda G10 es la celda activa. También se pueden usar las flechas de cursor para moverse en la hoja. Movimiento en el libro Para cambiar la hoja activa, basta hacer clic en la etiqueta deseada. También se pueden usar las combinaciones de teclas <Ctrl> + <AvPg>, para ir a la página siguiente y <Ctrl> + <RePg>, para pasar a la anterior. Selección Las operaciones que se pueden realizar en Excel requieren de la selección de celdas individuales, en grupos, o toda la hoja de cálculo. Ahora presentamos las formas de seleccionar en Excel. Selección de celdas Ya sabes que para seleccionar una celda basta hacer clic en ella. Para seleccionar rangos de celdas, se arrastra el ratón desde la primera hasta la última. El rango seleccionado cambia de color, como se ve en la figura siguiente. Cinética Química/3

4 Abrir un archivo de Excel Taller de Computo en Bioquímica Haz clic menú Archivo Abrir, aparece la ventana Abrir En la lista desplegable Buscar en:, selecciona Mis Documentos. Haz doble clic en la carpeta Cinética para abrirla, selecciona el archivo Cinética Química.XLS y haz clic Abrir. Cinética Química La primera hoja del libro se llama Modelado y está programada para modelar el comportamiento de una reacción química ideal. Para usar esta y las siguientes hojas, basta escribir los datos indicados en las celdas de color verde. Además, para que la programación funcione bien no debes escribir ni borrar las celdas de color amarillo. El rango de cálculo está limitado por las capacidades de Excel, por lo tanto, evita usar valores de concentración, orden y constante de velocidad, demasiado grandes o demasiado pequeños, porque se pueden producir errores. Sí esto sucede, sólo cambia los valores en las celdas verdes, no trates de cambiar las fórmulas de las celdas amarillas. En B3 escribe 0.05 como valor de la constante de velocidad específica directa, en B5 escribe 0.015, como valor de la constante de velocidad específica inversa, escribe1 en B7 para el orden de la reacción y en B9, 0.1 que será la concentración inicial de reactivos. El programa calcula los valores de las velocidades y concentraciones de reactivos y productos para la reacción en las condiciones indicadas, y las muestra en forma gráfica en las hojas siguientes. En la hoja Velocidad se presentan la gráfica de velocidad en función de la concentración para el orden seleccionado y en Concentración, la de cambio de concentración, en función del tiempo para el mismo orden. En las hojas EquilibrioV y EquilibrioC, se presentan las gráficas de las condiciones de equilibrio de velocidad y concentración respectivamente. Cambia el valor del orden a 2. Observa los cambios en las gráficas. Sin importar el orden de la reacción, al avanzar el tiempo las concentraciones de Reactivo y Producto tienden a mantenerse constantes, lo cual se logra cuando la reacción llega al equilibrio. Cinética Química/4

5 Taller de Computo en Bioquímica Observa que en el equilibrio, las concentraciones son constantes, pero no necesariamente iguales. Ahora cambia el valor del orden a 0 y repite las observaciones. Vuelve el valor del orden de reacción a 1. Cambia los valores de las constantes de velocidad. Observa que cuando los valores son pequeños, la reacción tarda más tiempo en alcanzar al equilibrio. Trata de encontrar un par de valores de las constantes con el que logres que las concentraciones de reactivo y producto se igualen en el equilibrio Cambia el valor del orden de reacción, a otros valores enteros o fraccionarios. Observa los cambios en cada caso. Efecto de la Temperatura Muévete a la hoja Temperatura. El programa de esta hoja, calcula la velocidad de la reacción de descomposición del H 2 O 2 a las temperaturas que usaste en el laboratorio, a partir de los datos de tiempo de reacción, concentración y volumen del Tiosulfato. Con los resultados, se elabora una gráfica, en la hoja Gráfica T. Además, se calcula la energía de activación (Ea) y constante de Arrhenius (A) de la reacción, ajustando los datos a la ecuación de Arrhenius. En las celdas verdes de la hoja, escribe los datos que se solicitan: B1 B2 B3 A7-A11 B7 B11 C7 C11 Número de tu equipo de laboratorio Volumen del Tiosulfato Molaridad del Tiosulfato Temperaturas de reacción en grados centígrados Tiempo de reacción en minutos enteros. Tiempo de reacción en segundos. Las celdas B7 B11 y C7 C11 se pueden usar juntas o separadas. Si el primer tiempo de reacción fue de 1 minuto y 15 segundos, se puede escribir 1 en B7 y 15 en C7 o dejar en blanco B7 y escribir 75 en C7. La hoja convierte el tiempo a segundos, multiplicando el entero de B7 por 60 y sumando el valor de C7; de cualquier manera el resultado será 75 segundos. El valor calculado de la energía de activación se presenta en F3 y el de la constante de Arrhenius en F4. Efecto del ph Muévete a la hoja ph. Esta hoja calcula la velocidad de la reacción de descomposición del H 2 O 2 con las concentraciones de HCl usadas en el laboratorio, a partir de los datos de tiempo de reacción, concentración y volumen del Tiosulfato. Los resultados, se presentan en forma gráfica en dos maneras diferentes. En la hoja Gráfica ph se presenta como velocidad en función del ph y en Gráfica [H], se presenta la velocidad en función de [H + ]. Además, calcula el ph óptimo, usando un modelo parabólico de la relación. En las celdas verdes de la hoja, escribe los datos que se solicitan. Cinética Química/5

6 B1 B2 B3 A7-A11 B7 B11 C7 C11 Taller de Computo en Bioquímica Número de tu equipo de laboratorio Volumen del Tiosulfato Molaridad del Tiosulfato Normalidad del HCl Tiempo de reacción en minutos enteros. Tiempo de reacción en segundos. Las celdas B7 B11 y C7 C11 de esta hoja, se utilizan igual que en la hoja de temperatura. El valor calculado del ph ÓPTIMO se presenta en F2. Determinación del orden de reacción Muévete a la hoja Orden. Esta hoja calcula la concentración de H 2 O 2, a partir de los gastos de KMnO 4, medidos en el laboratorio. Con los resultados, se modela la reacción, siguiendo las ecuaciones de orden 0, 1 y 2, y se preparan una gráfica que se muestra en la hoja Gráfica orden. También se determina la bondad de ajuste de cada modelo, calculado los valores del coeficiente de correlación (r) y la probabilidad (p) de que el ajuste sea aleatorio. Existen métodos estadísticos para determinar el mejor ajuste, pero en este momento podemos tomar una decisión sabiendo que en general, mientras el valor de r está más cerca de 1 o 1, y más pequeña es p, mejor es el ajuste. Escribe tus datos de laboratorio, en las celdas vedes correspondientes. B1 B2 B3 A6-A10 B6 B10 Número de tu equipo de laboratorio Normalidad del permanganato Volumen de la alícuota de peróxido Tiempo de reacción en minutos Mililitros de Permanganato gastados en la titulación En las celdas F11-H11 se calculan los valores del coeficiente de correlación, para cada orden y en F12-H12 los de la probabilidad de que el valor de r se obtenga por azar. El modelo que describe mejor la reacción es el que tiene mayor valor absoluto de r y menor valor de p. Se dice que el orden de la reacción corresponde a dicho modelo. Guarda el archivo, con los datos que escribiste, sin cambiarle el nombre. Ahora abre el archivo Cinética.doc y resuelve el cuestionario; cuando termines guárdalo en la misma carpeta. Comprime la carpeta Cinética. Cambia el nombre del archivo comprimido, por tus apellidos seguidos de la palabra Cinética (ejemplo: Martínez Moreno Cinética.zip) y envíalo adjunto a un correo electrónico dirigido a: bioquimica_esm@yahoo.com.mx El mensaje debe tener como asunto Cinética, e incluir el nombre y grupo de quien lo envía, y una descripción del contenido del archivo adjunto. Cinética Química/6