Guía para el docente Cinética química Teorías: Complejo Activado y de Colisiones. Guía para el docente

Transcripción

1 Guía para el docente Descripción curricular: - Nivel: 3º Medio - Subsector: Ciencias químicas - Unidad temática: Cinética - Palabras claves: Cinética, velocidad de reacción, mecanismo de reacción. - Contenidos curriculares: Cinética - Medición de la velocidad de una reacción simple, a lo menos a dos temperaturas y a dos concentraciones iniciales de reactantes; determinación del orden de reacción; cálculo de las constantes de velocidad; estimación de la Energía de activación. - Introducción a los mecanismos de reacción; reacciones químicas reversibles, y equilibrio químico - Composición química y características físicas de catalizadores de uso en la vida cotidiana. - Contenidos relacionados: - 1 Medio El aire Los procesos químicos - 2 Medio Modelo atómico de la materia Disoluciones químicas - 3 Medio Reactividad y equilibrio químico Reactividad en química orgánica - 4 Medio Procesos químicos industriales - Aprendizajes esperados: - identifican el concepto de velocidad de reacción; - reconocen que la velocidad con que ocurre una reacción determinada - depende principalmente de dos factores: concentraciones y temperatura; - reconocen el concepto de mecanismo para explicar la cinética de una reacción simple; - asocian a una reacción una determinada energía de activación; - distinguen entre los conceptos de catalizador e inhibidor; - valoran la importancia de los catalizadores, particularmente en la catálisis enzimática de procesos de importancia bioquímica, y en los convertidores catalíticos de motores de combustión interna. 1

2 Aprendizajes esperados de esta actividad: - Comprender y relacionar las teorías acerca de mecanismos de reacción. - Comprender qué es la velocidad de una reacción. - Comprender cuáles son y cómo afectan los factores que influyen en la velocidad de una reacción química. - Desarrollar competencias de trabajo de investigación y rescate de ideas principales para generar autoaprendizaje. - Desarrollar competencias de trabajo de laboratorio, observación y descripción de fenómenos. Recursos digitales asociados de - Ficha 21: Teorías: Complejo activado y de colisiones - Juego: Quién sabe más?. - Animación: Choques. - Diapositivas digitales (ppt):. Actividades propuestas para este tema: En este documento encontrará dos actividades asociadas al tema de cinética química. - La actividad Cómo ocurren las reacciones químicas? es un trabajo de investigación que pretende que los estudiantes comprendan qué es la cinética de una reacción y se cuestionen cómo ocurren las reacciones químicas. - La actividad Cómo afecta la temperatura a la velocidad de una reacción química? es de carácter experimental. En ella se utiliza lavalozas líquido concentrado para observar cómo difunde de acuerdo con la temperatura del medio de difusión. Esta actividad se puede realizar tanto en un laboratorio como en la sala de clases o bien en la cocina de una casa. Sugerimos realizar las actividades en grupos de tres o cuatro estudiantes. 2

3 ACTIVIDAD: Cómo ocurren las reacciones químicas? Guía para el docente 1. Mapa de contenidos tratados Duración: dos horas pedagógicas Cómo ocurren las reacciones químicas? Energía de activación Complejo activado Colisiones Endergónicas (Endotérmicas Exergónicas (Exotérmicas Efectivas Inefectivas Hay Reacción No hay reacción Figura 1: Diagrama de energía para una reacción exotérmica Figura 2: Diagrama de energía para una reacción endotérmica 2. Desarrollo de la actividad Cómo ocurren las reacciones químicas? Paso 1 Esta actividad tiene por objetivo que los estudiantes realicen un trabajo de investigación acerca de ambas teorías de mecanismo de reacción. Antes de comenzar esta actividad, asegúrese de que sus estudiantes dispongan de la bibliografía adecuada. 3

4 Para comenzar la actividad puede realizar las siguientes preguntas: - Cómo ocurren las reacciones químicas? - Cómo es que los reactivos se juntan, reaccionan, se mezclan, se unen o se separan para formar un producto distinto al inicial? - Qué tiene que ocurrir? Un reactivo cualquiera pasa por varias etapas para formar un producto o sólo se transforma mágicamente en un producto nuevo? - Cómo lo hace? Qué necesita? Recoja las opiniones de los estudiantes, puede anotarlas en la pizarra. Las respuestas a estas preguntas se encuentran en las teorías de colisiones y complejo activado, las que intentan explicar cómo ocurren las reacciones químicas. Paso 2 Entregue la Guía para el estudiante que se encuentra disponible en el portal educarchile. Lean la guía en conjunto o pueden acceder a ella en línea. La primera parte de la actividad cuenta con una pequeña introducción acerca de Teoría de colisiones y Teoría del complejo activado. Sin embargo, los estudiantes deben buscar información acerca de ambos temas. Pueden acceder a la información en las fichas temáticas disponibles en el portal educarchile, en otros medios como Internet o bien en libros y textos para el estudiante. Este tema cuenta también con una animación llamada Choques, que pretende ilustrar choques eficaces e ineficaces entre partículas (Teoría de colisiones). Paso 3 Una vez que dispongan del material adecuado, contesten las preguntas de la actividad. Comiencen por la Teoría de colisiones, cuyas respuestas se encuentran a continuación. I. Teoría de colisiones 1) En que consiste la Teoría de colisiones? La Teoría de colisiones indica que para que una reacción química comience es necesario que se produzca un choque entre partículas de reactivo. Las colisiones deben cumplir las siguientes condiciones: - Las moléculas de reactantes deben poseer la energía suficiente para que pueda ocurrir el rompimiento de enlaces, reordenamiento de los átomos y posteriormente la formación de los productos. Si no se dispone de la energía suficiente, las moléculas rebotan sin formar los productos. - Los choques entre las moléculas deben efectuarse con la debida orientación en los reactantes. 4

5 2) Qué es un choque ineficaz y uno eficaz? Las colisiones ineficaces son aquellas que no cumplen con las condiciones necesarias y, por tanto, no se da origen a un producto distinto en la reacción. Mientras que las colisiones eficaces inician una reacción química para generar un producto nuevo y distinto al reactivo inicial. 3) Cómo afectaría el aumento de presión y temperatura sobre el número de colisiones entre partículas de reactivo? Imaginemos que las partículas de gas que se encuentran en un determinado volumen se mueven sin parar. Si aumentamos la presión sobre este gas, lo que estamos haciendo es disminuir el volumen disponible para las partículas de gas que se encuentran en movimiento, haciendo que la probabilidad de que choquen entre ellas aumenta. Lo mismo ocurre si aumentamos la concentración en una solución en estado líquido. Si las partículas de líquido se encuentran en movimiento y aumentamos la cantidad de partículas por unidad de volumen, incrementamos la posibilidad de que estas partículas se encuentren y choquen, iniciando una reacción química. Por otra parte, si elevamos la temperatura de una solución en cualquier estado, lo que estamos haciendo es entregarles a las partículas energía cinética (energía de movimiento), lo que aumenta el número de choques entre ellas, haciendo más probable la reacción entre partículas de reactivo. Paso 4 Antes de que los estudiantes escriban las conclusiones que describen esta teoría, vean la animación vinculada a esta actividad ( Choques ). Con ella podrán imaginar una colisión efectiva y otra inefectiva y, por lo tanto, comprender de mejor manera esta teoría. Paso 5 Desarrollen las preguntas sobre la Teoría del complejo activado. Las respuestas se encuentran a continuación. II. Teoría del complejo activado 1) En qué consiste la Teoría del complejo activado? La Teoría del complejo activado indica que para que se produzca una reacción química los reactivos deben adquirir una cantidad determinada de energía hasta alcanzar un estado de transición, el que tiene más energía que los productos. La cantidad necesaria para alcanzar un complejo de reactivo activado determinará la velocidad de reacción. Si esta energía (energía de activación) es muy alta, a los reactivos les tomará más tiempo alcanzarla, y más lenta será la reacción. Por otro lado, si la energía de activación es pequeña, será más fácil alcanzar el estado de transición, haciendo más rápida la reacción. 5

6 2) Qué es la energía de activación? La energía de activación es la energía que necesitan los reactivos para alcanzar el estado de transición o complejo activado. 3) Qué ocurre con la velocidad de una reacción si ésta requiere de poca energía de activación? Si una reacción requiere de poca energía de activación es más fácil que el reactivo se transforme en un complejo activado y, por lo tanto, la reacción es más rápida (aumenta la velocidad de reacción). 4) Qué ocurre con la velocidad de una reacción si ésta requiere de mucha energía de activación? Si una reacción requiere de alta energía de activación, los reactivos demoran más en adquirir esta energía, disminuyendo la velocidad de la reacción. 5) Qué es complejo activado? El complejo activado es el reactivo que ya adquirió toda la energía de activación. Es un complejo de alta energía (mayor que los productos), inestable, que decae rápidamente a productos. 6) Qué es una reacción exotérmica? Según el cambio neto de energía entre productos y reactantes, las reacciones requieren (absorben) o producen energía. Si esta energía se manifiesta como calor, entonces las reacciones son endotérmicas si absorben calor, y exotérmicas si liberan calor. 7) Qué es una reacción endotérmica? Una reacción endotérmica es aquella que requiere calor para que la reacción comience. Sin esta energía la reacción no se produce. 8) Para una reacción cualquiera: A + B C + D a) Dibuja un diagrama de energía si la reacción es exotérmica. 6

7 b) Dibuja un diagrama de energía si la reacción es endotérmica. Paso 5 Para concluir la actividad, pídales a sus estudiantes que describan en pocas palabras la Teoría del complejo activado y la Teoría de colisiones. Puede utilizar como actividad de autoevaluación el juego asociado a este tema: Quién sabe más. ACTIVIDAD: Cómo afecta la temperatura a la velocidad de una reacción química? Duración: dos horas pedagógicas 1. Mapa de contenidos tratados Velocidad de reacción V para una reacción: A B [ A] [ B] V = = t t Temperatura Naturaleza de los reactivos Estado físico de los reactivos Concentración Catalizadores e inhibidores 7

8 2. Desarrollo de la actividad: Cómo afecta la temperatura a la velocidad de una reacción química? Paso 1 Esta actividad es de carácter experimental en la que se observa la disolución a distintas temperatura de detergente líquido. Se puede realizar tanto en un laboratorio como dentro de una sala de clases. Entregue la Guía para el estudiante que se encuentra disponible en el portal educarchile. Lean juntos la introducción a la actividad para recordar los conceptos de cinética de reacciones químicas. - Cinética de reacción química - Velocidad de reacción. - Factores que modifican la velocidad de una reacción. Paso 2 Indique que algunos de estos factores se pueden comprobar fácilmente en un laboratorio. Invite a sus estudiantes a comprobar el efecto de la temperatura sobre la velocidad de una reacción de solubilización. Asegúrese de contar al inicio de la actividad con agua caliente. Reparta los materiales por grupo o por estudiante e indique el procedimiento de este trabajo práctico. Materiales: - Taza o vaso - Agua fría y agua caliente - Lavalozas líquido concentrado (de color). Procedimiento: 1. Agrega un poco de agua fría a una taza de té. 2. Calienta agua y agrega un poco en una taza de té. 3. Agrega una gota de lavalozas líquido concentrado a la taza con agua fría. Observa lo que sucede con la gota de lavalozas líquido en la taza. 4. Agrega una gota de lavalozas líquido concentrado a la taza con agua caliente. Observa lo que sucede con la gota de lavalozas líquido en la taza. Paso 3 Comiencen la actividad. Los efectos de la temperatura en una reacción de solubilización se pueden observar inmediatamente. La gota de lavalozas líquido concentrado difundirá inmediatamente en la taza con agua caliente, mientras que en la taza con agua fría, este proceso demorará unos minutos. Por lo tanto, esta parte de la actividad debiera desarrollarse en pocos minutos. Si es necesario, pueden repetir la actividad en tazas con agua limpia. 8

9 Paso 4 A medida que los estudiantes vayan terminando la actividad, que contesten las siguientes preguntas de descripción, explicación, análisis y aplicación de esta experiencia. Las respuestas a estas preguntas se encuentran a continuación. 1. Describe lo que sucede con la gota de lavalozas en la taza con agua fría. El lavalozas líquido agregado a la taza con agua fría difunde lentamente en la taza. 2. Describe lo que sucede con la gota de lavalozas en la taza con agua caliente. El lavalozas líquido agregado a la taza con agua caliente difunde más rápido que en el caso anterior. Es casi inmediata su solubilización en agua. En cambio, en la taza con agua fría este proceso tarda un poco más. 3. Por qué crees tú que ocurrió esto? En agua caliente la difusión ocurre más rápido comparándola con la difusión en agua fría. Por lo tanto, la temperatura del agua afectó la reacción que se produce entre el lavalozas y el agua. 4. Cómo afectó la temperatura en la reacción del detergente con el agua? El aumento de temperatura, incrementa la velocidad de la reacción que ocurre entre el agua y lavalozas. 5. Por qué la temperatura afecta de este modo a esta reacción? Esto ocurre debido a que el aumento de temperatura implica la entrega de energía cinética a las partículas dentro de la taza, haciendo que éstas se muevan y choquen más con otras partículas, incrementando la velocidad de la reacción. Paso 5 Para finalizar la actividad pídales a sus estudiantes que escriban una conclusión que explique de qué manera afecta la temperatura en la reacción que involucra la disolución de detergente. Recomiende a sus estudiantes observar la animación Choques, disponible para esta actividad. Puede, también utilizarla como recurso durante la actividad. 9