CÁTEDRA: QUÍMICA GUÍA DE LABORATORIO Nº 5

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1 CÁTEDRA: QUÍMICA GUÍA DE LABORATORIO Nº 5 PARTE A: CINÉTICA QUÍMICA PARTE B: TERMOQUÍMICA: CALOR DE NEUTRALIZACIÓN PARTE A: CINÉTICA QUÍMICA OBJETIVOS 1. Esudiar la cinéica de una reacción química por el méodo de las velocidades iniciales. 2. Deerminar los órdenes parciales de reacción 3. Deerminar el valor de la consane específica de la velocidad de reacción 4. Escribir la expresión de la ecuación de velocidad de una reacción química. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Una reacción reloj es una reacción química en la que un cambio de color súbio marca el final de la ransformación de los reacivos en producos. El iempo que ranscurre hasa el final de la reacción depende de la concenración de las especies químicas implicadas en la misma. Si las concenraciones de los reacivos pueden ajusarse de modo que haya cambios de color de manera periódica, se les denomina reacciones oscilanes. Ese ipo de reacciones son muy uilizadas en el esudio de la cinéica de las reacciones químicas, para conocer a qué velocidad iene lugar una ransformación química. Uno de los facores que afeca la velocidad de reacción es la concenración de los reacivos. Para una reacción del ipo: A + B producos; v = k [A] a [B] b donde v es la velocidad de reacción, k es la consane de velocidad, y [A] y [B] son las concenraciones molares de los reacivos. El exponene a se llama orden de la reacción con respeco al reacivo A y el exponene b, orden de la reacción con respeco al reacivo B. La suma a + b se conoce como orden oal de la reacción. Esos exponenes se deerminan experimenalmene. En ese experimeno, se va a esudiar la cinéica de la reacción del ión ioduro (I -1 ) con el ión bromao (BrO 3-1 ) en medio ácido, que es una reacción lena a emperaura ambiene. 6 I + BrO + 6 H 3 I + Br + 3 H O (1) 1 x 1 y + 1 z La ecuación de velocidad es de la forma: velocidad = k[bro ] [I ] [H ] 3 debemos enconrar los valores de x, y, z; para ello realizaremos varias experiencias variando en cada ocasión la concenración de uno de los reacivos y maneniendo consane la de los oros dos reacivos. Para conocer la velocidad de reacción, hay que regisrar el iempo de aparición de un produco o la desaparición de un reacivo. Nosoros emplearemos para seguir la reacción, ora reacción simulánea en el mismo ubo: I + 2 S O 2 I + S O (2) Química FI UNPSJB 2015 Página 159

2 Ésa reacción comparada con la reacción (1) es insanánea. La reacción (2) consume el yodo molecular (I 2 ) formado en la reacción (1) an prono como ése se produce, por lo que la concenración de I 2 se maniene muy baja a lo largo del iempo. Cuando odo el ión iosulfao (S 2 O 3-2 ) se ha consumido en la reacción (2), la concenración de I 2 aumena considerablemene en la solución y se forma un compueso de yodo con almidón que marca el final de la reacción química (reacción 3) I 2 + almidón complejo de color azul inenso (3) Una de las caracerísicas del almidón es que forma un complejo de color azul oscuro en presencia de yodo, casi de forma insanánea, reacción que se uiliza para su reconocimieno. En nuesro caso preparamos las soluciones con la concenración adecuada para producir un reraso en la reacción del yodo con el almidón. Emplearemos el denominado méodo de las velocidades iniciales para la deerminación de órdenes de reacción que consise en medir la velocidad al comienzo de la misma, cuando los reacivos se han consumido menos del 5-10%. En ese caso, las concenraciones de los reacivos pueden considerarse consanes y aproximadamene iguales al valor de las concenraciones iniciales. Para conseguir ese objeivo pondremos siempre la misma y pequeña canidad del ión S 2 O 3-2 en nuesros experimenos. La deerminación de la velocidad de reacción se realiza midiendo el iempo,, necesario para la formación de una canidad fija de I 2 que produce la desaparición complea del S 2 O 3-2. Para enconrar la consane de velocidad y los órdenes de reacción del proceso manendremos consane la concenración de dos de los reacivos en un grupo de experimenos y en oro la del ercer reacivo. Enonces, omaremos una pareja de pruebas en las que se manengan consanes las concenraciones del H +1 y I -1, y se varíe la de BrO 3 -. Analizando como varía la velocidad de la reacción con respeco a ésa concenración para esa pareja de pruebas seleccionada, deduciremos el valor del exponene x en la ecuación de velocidad de la siguiene manera: velocidad = k!bro " #!I " $!H " % velocidad = k!bro " #!I " $!H " % velocidad = k!bro " #!I " $!H " % velocidad k!bro "#!I " $!H " % =!BrO "#!BrO "# Conociendo la [ BrO 3 ], se obiene el valor de x y se procede de manera similar para deerminar y y z. Una vez hecho eso se deermina el valor de la consane de velocidad. MATERIALES NECESARIOS Tubos de ensayo REACTIVOS pipeas de 2 y 5 ml Na 2 S 2 O 3 0,001 M en H 2 SO 4 0,04M piseas HCl 0,1 M. cronómero KI 0,01 M propipeas KBrO 3 0,04 M gradillas solución de almidón recién preparada Química FI UNPSJB 2015 Página 160

3 PROCEDIMIENTO 1. Combinar los reacivos de acuerdo a la abla 1, colocar las canidades requeridas de cada reacivo en cada ubo de ensayo idenificado como A y B. Roular los ubos. 2. Agregar el conenido del ubo A en el ubo B y comenzar a omar el iempo con el cronómero cuando la solución conenida en el ubo A oque la solución conenida en el ubo B. 3. Anoar el iempo en el que la coloración azul llega al fondo del ubo. No agiar 4. Realizar por lo menos dos mediciones del iempo por prueba 5. Para cada prueba omar el valor promedio del iempo, el inverso de ése iempo nos dará la velocidad relaiva en s Calcular la concenración inicial de cada uno de los reacivos en cada prueba y complear los valores en la abla del informe. Tabla 1: Mezclas de reacción TUBO A TUBO B Solución KI Na 2 S 2 O 3 KBrO H 0,01 M 0,001 M 2 O 3 HCl 0,04 M 0,1 M almidón H 2 O Ión Reaccionane I -1-2 S 2 O 3-1 BrO 3 H +1 N PRUEBA 1 2 ml 2 ml 6 ml 2 ml 2 ml 5 goas 6 ml 2 4 ml 2 ml 4 ml 2 ml 2 ml 5goas 6 ml 3 2 ml 2 ml 6 ml 4 ml 2 ml 5goas 4 ml 4 2 ml 2 ml 6 ml 2 ml 4 ml 5goas 4 ml 5 1,6 ml 2 ml 6,4 ml 1 ml 3 ml 5goas 6 ml Pregunas 1- Nombrar los reacivos necesarios para la experiencia de cinéica química 2- Escribir la expresión de la ecuación de velocidad 3- A parir de qué momeno comienza a omar el iempo en la experiencia? PARTE B: DETERMINACIÓN DEL CALOR DE NEUTRALIZACIÓN DE HCl Y NaOH OBJETIVOS 1. Inferir el comporamieno de las mezclas de ácidos y bases fueres en una experiencia de neuralización 2. Uilizar un calorímero para la deerminación del calor de neuralización 3. Aplicar los principios de calorimería en la experiencia a realizar PRERREQUISITOS Conocer los principios básicos de calorimería. Química FI UNPSJB 2015 Página 161

4 INTRODUCCIÓN TEÓRICA La ermoquímica es el esudio de los cambios de calor en las reacciones químicas. La variación de enalpia ( H) represena el flujo de calor en cambios químicos que se efecúan a presión consane. Si en una reacción se libera calor, se dice que el proceso es exoérmico ( H < 0) y si se absorbe calor el proceso es endoérmico ( H > 0). Calor de reacción: calor involucrado en una reacción y represena la diferencia enre la enalpía de los producos a P y T y las enalpías de los reacivos a P y T. El esado ipo o esándar de una susancia es su forma pura a 1 am de presión. La enalpía esándar de una reacción es el cambio de enalpía para la cual ano reacivos como producos esán en esado esándar y la variación de enalpía se indica como H. Calor de neuralización: Es el calor ( H) correspondiene a una reacción de un ácido con una base. El H 298 de neuralización de un ácido fuere con una base fuere es -55,9 kj por mol de agua formada y es esencialmene consane e independiene de la nauraleza del ácido fuere o base fuere. Experimenalmene se puede deerminar el flujo de calor asociado a una reacción química midiendo los cambios de emperaura que ésa produce. La medida del flujo de calor se denomina calorimería y el aparao en el cual se mide la canidad de calor es un calorímero. Los calores de reacción de un conjuno muy variado de procesos químicos comunes en el laboraorio, se pueden deerminar en un calorímero a presión consane. Al no esar herméicamene cerrado el recipiene, el desprendimieno de calor que se produce q reacc, es igual a H. Al producirse la reacción de neuralización enre el ácido y la base, se desprende calor que es absorbido por odas y cada una de las pares componenes del calorímero. Midiendo la emperaura en el sisema con la máxima precisión posible, anes y después de la reacción, cuando se ha alcanzado el equilibrio érmico, se puede conocer la canidad de calor que se ha desprendido en la reacción que, pueso que se raa de una reacción exoérmica: q reacc = mc = H reacc Donde m: masa; c: calor específico y = f i, siendo i = + 2 i1 i2 Como la solución y el vaso absorben el calor liberado por la reacción, el calor oal será: q reacc = ( m c + m c ) s s v v siendo: Calor específico de la solución: c s = 3,6 J/g C Calor específico del vidrio Pyrex: c v = 0,84 J/ g C Lo convencional es expresar los calores de neuralización por mol de agua que se forma o, lo que es lo mismo, por mol de ácido que se neuraliza por mol de base. Para obener el resulado de la forma deseada debemos considerar la canidad de ácido y base que reaccionan. Química FI UNPSJB 2015 Página 162

5 H neuraliza ción = q neur mol de agua formada MATERIALES NECESARIOS: Dos vasos de precipiado 100 ml Calorímero ermómero Balanza granaaria Probea 25 ml varilla de vidrio HCl 4 M NaOH 4 M PROCEDIMIENTO 1. Haciendo uso de la balanza deerminar la masa de un vaso de precipiados seco (m v ) 2. Colocarlo en el calorímero. 3. Con una probea medir 25 ml de solución de HCl 4 M, 4. Colocar la solución en el vaso y leer su emperaura inicial ( i1 ) 5. Con una probea medir 25 ml de solución de NaOH 4 M, deerminar su emperaura inicial ( i2 ) 6. Agregar rápidamene y de golpe sobre la solución de HCl conenida en el calorímero. 7. Leer la emperaura final ( f ) que será la máxima que se haya alcanzado. 8. Sacar el vaso del calorímero una vez que se haya enfriado y pesar nuevamene para deerminar la masa final (m f ). 9. Uilizando las ecuaciones aneriores, realizar los cálculos necesarios para complear el informe de laboraorio. PREGUNTAS 1.- Definir calor de neuralización 2.- En la experiencia de laboraorio se mezclan 50 ml de HCl 4M con 50 ml de NaOH 3,8M. a) Escribir la reacción de neuralización b) Calcular el número de moles de agua formados 3.- a) Escribir la fórmula para calcular el calor de neuralización, indicando el significado de cada érmino b) Cómo espera que sea la emperaura final luego de mezclar el HCl con el NaOH: >, = o < que la emperaura inicial de las soluciones? 4.- Qué signo iene el calor de la reacción de neuralización? Es endoérmica o exoérmica la reacción? Química FI UNPSJB 2015 Página 163

6 CÁTEDRA: QUÍMICA INFORME DE LABORATORIO Nº 5 TEMA: PARTE A y B: CINÉTICA QUÍMICA Y TERMOQUÍMICA APELLIDO Y NOMBRE :... COMISIÓN:... FECHA.../.../... RESULTADO:... CINETICA QUIMICA 1. Deerminar los valores de las concenraciones iniciales de cada reacivo y complear la siguiene abla PRUEBA [BrO 3 - ], M [I - ], M [H + ], M prom (s) V relaiva (s -1 ) Cálculos necesarios para deerminar el orden de reacción con respeco a cada reacivo 3. Deerminar el valor de la consane de velocidad. 4. Escribir la expresión de la ley de velocidad para la reacción. Química FI UNPSJB 2015 Página 164

7 .. DETERMINACIÓN DEL CALOR DE NEUTRALIZACIÓN DE HCl Y NaOH 1.- Realizar el esquema del calorímero empleado 2. Escriba la reacción de neuralización: 3.- Complear la abla siguiene: medidas cálculos m v g m solución g m f g i1 C i2 C i = + 2 i1 i2 C f C C q reacc J Molaridad de la solución de HCl.. Molaridad de la solución de NaOH. Volumen medido Moles que reaccionan. H neuralización = J/mol Química FI UNPSJB 2015 Página 165