MÉTODO DE LAS VELOCIDADES INICIALES

Transcripción

1 MÉTODO DE LAS VELOCIDADES INICIALES OBJETIVO El alumno determnará los órdenes de reaccón respecto al yodo, la acetona y los ones hdrógeno de la reaccón de yodo con acetona, así como la constante de velocdad de dcha reaccón, por el método de las velocdades ncales. CONSIDERACIONES TEÓRICAS El objetvo de la cnétca químca es estudar la velocdad con que se efectúan las reaccones químcas y además la forma detallada en que ocurre la transformacón de reactvos en productos a nvel molecular (mecansmo de reaccón). Una reaccón químca se puede escrbr (Castellan, 1998) de la sguente forma: (1) donde A = -esma espece químca en la reaccón; ν es el coefcente estequométrco, el cual es negatvo para los reactvos y postvo para los productos. por: Los moles de cualquer espece en cualquer momento de una reaccón químca está dado o n () n donde: n son los moles de la -esma sustanca a cualquer tempo, n o son los moles de la -esma sustanca al nco de la reaccón, fnalmente ξ es el avance de la reaccón. De la ecuacón anteror, se puede defnr el avance de reaccón como: o n n Dervando esta ecuacón con respecto del tempo, tenemos: (3) d 1 dn (4) Ecuacón que defne a la velocdad la reaccón en térmnos de cualquer espece químca de la reaccón. La velocdad de una reaccón depende de la temperatura, de la presón y de las concentracones de las dstntas especes de la reaccón y de la concentracón de los catalzadores. S la reaccón ocurre en una sola fase la reaccón es homogénea, s se realza en más de una fase, la reaccón se clasfca como heterogénea. S la reaccón es homogénea 5

2 entonces la velocdad es proporconal al volumen de la fase V (Castellan, 1998), además s este es constante, podemos dvdr la ecuacón anteror entre el volumen, y obtener la defncón convenconal de la velocdad de reaccón, v: d v V 1 (5) La velocdad de una reaccón depende fundamentalmente de la concentracón de las especes reactvas, esta dependenca se puede expresar como: v 1 ν k C C A B (6) Donde k es la constante de velocdad o tambén llamada velocdad específca, α y β son los órdenes parcales de la reaccón y que sumados se le llama orden global de la reaccón. En la gran mayoría de los casos al aumentar la concentracón, la velocdad tambén aumenta, esto se debe a que las moléculas se encuentran más cercanas unas de otras a mayor concentracón, lo que provoca un aumento en el número de colsones por undad de tempo y por lo tanto, un aumento en la velocdad de la reaccón. Estrctamente, para conocer la velocdad de la reaccón en un momento determnado empleando la ecuacón de velocdad empírca, se debe conocer la constante de velocdad de la reaccón, las concentracones de los reactvos que aparecen en la ecuacón de velocdad y deberán conocerse los ordenes parcales de reaccón. Exsten reaccones que se denomnan elementales, son las que se llevan a cabo en un solo paso, es decr, no generan sustancas químcas ntermedas. En este tpo de reaccones la velocdad es proporconal a la concentracón de cada una de las sustancas que aparecen como reactvos, y el orden de la reaccón respecto de cada componente concde con el coefcente estequométrco de la reaccón escrta. Por ejemplo, s tenemos una reaccón elemental de la forma: aa rr + ss la velocdad de descomposcón de A será: A a kc A s se encuentra una reaccón elemental de la forma: A R + S la ecuacón de la velocdad de descomposcón en térmnos de A será: 1 a 1 A kc A 6

3 fnalmente s exste una reaccón elemental como: A + B R + S las ecuacones de la velocdad de desaparcón en térmnos de A o de B será: A kc C A B y B kc C A B El método general para determnar la ecuacón de velocdad, consste en preparar los reactvos y ajustar su temperatura a un valor constante, posterormente se nca la reaccón y se cuda que la temperatura se mantenga constante en todo su desarrollo. El avance de la reaccón se determna mdendo la dsmnucón en la concentracón de un reactvo o el aumento en la concentracón de un producto en funcón del tempo por un procedmento adecuado. A partr de los datos de concentracón y tempo se deduce la ecuacón buscada. El conocmento de las ecuacones de velocdad tene mportanca práctca para predecr el tempo requerdo para lograr la transformacón deseada, así como para el dseño de los reactores utlzados ndustralmente. El conocmento del mecansmo de la reaccón ayuda a comprender la forma de acelerar o de bloquear una reaccón químca y tene gran mportanca en la búsqueda de catalzadores e nhbdores. En este expermento se estudará la reaccón: H 3 CCOCH 3 (aq) + I (aq) + HCl H 3 CCOCH I (aq) + H + (aq) + I - (aq) (7 ) La velocdad de la reaccón anteror sgue, en prncpo, la sguente ecuacón: v k a b acetona H I c (8) se sabe de esta ecuacón que la velocdad de la reaccón depende de la concentracón de acetona y de cualquer espece ácda (en este caso, HCl), pero no depende de la concentracón de yodo, por lo que se dce que es de orden cero respecto del yodo. Entonces, s se utlza una concentracón ncal de yodo mucho menor que las concentracones ncales de acetona y ácdo, H +, las concentracones de los últmos permanecerán práctcamente sn cambo mentras se consume el reactvo lmtante (yodo) y la reaccón transcurrrá a velocdad constante. En esta reaccón se medrán los tempos requerdos para que desaparezca el yodo presente en la dsolucón (aprovechando el color amarllo que le mparte a la msma) en una sere de expermentos con dferentes concentracones de acetona, ácdo y yodo. La velocdad de la reaccón se determnará conocendo la concentracón ncal del yodo, I o, y el tempo que tarda en desaparecer el color amarllo como se djo anterormente, de aquí que la velocdad de la reaccón será: di ΔI quedando fnalmente I o v v (9) Δ t t 7

4 El orden de la reaccón respecto de la acetona, se puede obtener de una sere de expermentos en los que se determnen velocdades de la reaccón para dferentes concentracones de acetona, mantenendo constante la concentracón del otro que afecta la velocdad, en este caso el ácdo, H + y consderando el orden de reaccón respecto al yodo gual a cero. Lnealzando la ecuacón (8) se obtene: b H ) a ln acetona ln v ln ( k (10) por lo que una gráfca de ln v contra ln [acetona] se esperaría que resultara en una recta cuya pendente sería a, o sea, el orden de reaccón respecto a la acetona. Algo smlar se puede hacer para determnar el orden respecto al ácdo, H +. El orden de reaccón respecto al yodo se puede obtener de una sere de expermentos en los que se determnen velocdades de reaccón para dferentes concentracones de yodo, mantenendo constantes las concentracones de acetona y ácdo, H +. Al lnealzar la ecuacón (8): a b acetona H ) c ln ln v ln ( k I (11) Fnalmente, una gráfca de v contra [acetona] a [H + ] b se espera que proporcone una línea recta que pase por el orgen, cuya pendente correspondería a la constante de velocdad k. GUÍA DE ESTUDIOS 1. Qué estuda la cnétca químca?. Qué varables afectan la velocdad de una reaccón químca? 3. De manera general, cómo se determna la velocdad de una reaccón químca? 4. Qué es el orden parcal y el orden total de las reaccones? 5. De acuerdo al orden de reaccón, cómo se clasfcan las reaccones? 6. Cuáles son las reaccones pseudomoleculares? 7. Cuáles son las undades de k en una reaccón de prmer y en una de segundo orden? 8. Por qué se habla de velocdades ncales cuando las velocdades determnadas por la ecuacón (9) se mden sobre un ntervalo de tempo? 9. S en dos expermentos consecutvos se duplca la concentracón de un reactvo respecto del cual la velocdad de la reaccón es de prmer orden, mentras que las concentracones de los demás reactvos y del reactvo lmtante no camban, cómo y en qué cantdad espera que se modfque el tempo y la velocdad de reaccón? 8

5 10. S en dos expermentos consecutvos se duplca la concentracón del reactvo lmtante, respecto del cual la velocdad de la reaccón es de orden cero, mentras que las concentracones de los demás reactvos no camban, cómo y en qué cantdad espera que se modfque el tempo y la velocdad de la reaccón? MATERIAL Cronómetro (), gradlla (), ppeta graduada de 10 (4), ppeteador (4), termómetro de -0 C a 110 C (), tubo de ensaye (30), vaso de precptado de 50 (4), vaso de precptado de 100 (4). REACTIVOS Acetona 4 M, HCl 1 M, I M. PROCEDIMIENTO 1. Utlzando un vaso de precptado de 50, prepare un baño a temperatura ambente.. Adcone a un tubo de ensaye (#1) exactamente de acetona 4 M, de HCl 1 M y 4 de agua destlada. Agte el tubo para mezclar. 3. Adcone a un segundo tubo de ensaye (#) de la dsolucón de yodo. 4. A un tercer tubo de ensaye (#3) adcone 10 de agua destlada. Este tubo será usado como una referenca de color. 5. Deje los tres tubos de 3mn a 4 mn en el baño de agua para equlbro de temperatura. Regstre la temperatura ( C). 6. Vacíe el contendo del tubo # dentro del tubo #1 (volumen total 10 ) y arranque el cronómetro. Regrese el contendo del tubo 1 al tubo y vceversa para mezclar las dsolucones perfectamente. Evte derramar líqudos. La mezcla aparecerá amarlla por la presenca de I. 7. Regrese el tubo que contene la mezcla al baño de agua al lado del tubo #3. 8. Regstre el tempo al cual el color del I desaparece (observe contra un fondo blanco y desde arrba, no desde un lado del tubo). 9. Repta el procedmento hasta que, la dferenca en los tempos de las duplas de cada expermento no exceda al 10%. En expermentos por duplcado, la dsolucón que ya reacconó en el tubo que contene la mezcla debe ser usada como una referenca de color en lugar de agua. 9

6 Orden respecto a la acetona. Para hallar el orden respecto a la acetona, realce un segundo y tercer expermentos en la msma forma que el expermento 1. La concentracón de acetona debe ser el doble (expermento ) y el trple (expermento 3) del expermento 1, pero las concentracones de los otros reactvos se mantenen constantes. El volumen total de la mezcla (H 3 CCOCH 3 +HCl+H O+I ) debe permanecer constante en 10. Orden respecto a H + Para hallar el orden respecto al ácdo H +, realce un cuarto y qunto expermentos, en la msma forma que el expermento 1. La concentracón del ácdo H + debe ser el doble (expermento 4) y el trple (expermento 5) del expermento 1, pero las concentracones de los otros reactvos se mantenen constantes. El volumen total de la mezcla (H 3 CCOCH 3 + HCl + H O + I ) debe permanecer constante en 10. Orden respecto a I Para calcular el orden con respecto a I, realce dos expermentos en la msma forma que el expermento 1. La concentracón de I debe ser el doble (expermento 6) y el trple (expermento 7) del expermento 1, pero las concentracones de los otros reactvos se mantenen constantes. El volumen total de la mezcla (H 3 CCOCH 3 + HCl + H O + I ) debe permanecer constante en 10. No. expermento V H3CCOCH3 V HO V HCl V I Recolecte los resduos obtendos en los expermentos en un contenedor debdamente rotulado. TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN DE RESIDUOS La dsolucón de yodo acetona que se forma en la práctca es nestable y el yodo se puede lberar. Razón por la cual se ttula con tosulfato de sodo para reducr el yodo total. Posterormente se neutralza el HCl con NaOH para formar una sal nocua. 30