CI NÉTI NÉTI CA DE L A REACCIÓN REACCIÓN DE OXI DACI ÓN D EL I ON YODURO YODURO POR ION PERSULFATO
Introducción
Se realizo el estudio cinético de una reacción de oxidación del ion ión yoduro bajo su forma de yoduro de potasio (KI) y el ión persulfato, bajo su forma de persulfato de amonio ((NH4)2S2O8). Esta reacción permite el análisis de muchas variantes de forma fácil y bastante directa, por lo que es ideal para su uso. En este experimento se evaluaron los parámetros del efecto de un catalizador, el efecto de la temperatura y de la fuerza iónica, para ver como afectaban en la velocidad de la reacción. Descripción del experimento
La reacción estudiada es:
− + 3− 2− + − (Lenta)
Y se utilizó la reacción auxiliar para poder determinar el punto final de la reacción con almidón: − (Rápida) − − −
2 + + 3 + − − (Color azul) ó
ó
El objetivo de este estudio es determinar los factores que influyen en la velocidad de la oxidación del yoduro por el persulfato. Materiales
Matraces aforado de 200 y 250 ml Vasos precipitados Balanza Granataria Pipetas aforadas de 10 y 25 mL Bureta Cronómetro Termómetro Espátula metálica Varilla de agitación
Reactivos
Yoduro de potasio Persulfato de amonio Nitrato de potasio 0,2 M Nitrato de cobre 0,2 M Tiosulfato de sodio pentahidratado Solución de almidón 0,2 %
Ef ecto del catali zador :
Metodología de trabajo Se preparo una solución de 0.2 M de (NH4)2S2O8 y otra 0.01 M de Na2S2O3. Desde éstas, se midieron la cantidad necesaria para cada experimento. Luego se preparo un vaso con 12.5 mL de KI, 5 mL de almidón [1] al 2% y 10 mL de Na2S2O3 y otro con 25 mL de (NH4)2S2O8. Después, vertimos la solución de (NH4)2S2O8 en el vaso con KI y medimos el tiempo que demoró en cambiar de color (el cambio de color mostraba cuando había ocurrido la reacción de oxidación) A continuación, en el vaso que llevaba KI, agregamos una gota de catalizador {Cu(NO3)2 0.02 M}. Repetimos el experimento con 2 y 3 gotas de catalizador Experimento
Gotas Cu(NO3)2 0.02 M
Tiempo (seg)
Temperatura (°C)
Velocidad de Reacción (*)
1 2 3 4
0 1 2 3
46 38 29 26
21 22,5 21,5 21,5
2,07*10-5 2,50*10-5 3,28*10-5 3,66*10-5
Grafica resultados Velocidad de reacción vs catalizador 3.5 3 2.5
r o d a z i l a t a c s a t o G
2
1.5 1
0.5 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
r (M/seg) (*0,00001)
Ef ecto de la temperatur a
La temperatura es un factor que influye en la velocidad de la reacción. Se realizo el mismo experimento, con las mismas concentraciones y cantidades a excepción de la utilización de la solución de cobre. Las mezclas de los reactivos se evaluaron en diferentes temperaturas que son las siguientes: aproximadamente 0°C, 10°C, 20°C, 30°C Y 40°C. Resultados obteni dos Experimento
Temperatura (K)
Tiempo (seg)
Velocidad de reacción (M/seg)(*)
Constante de la reacción(*)
5 6 7 8 9
273 283 293 303 313
294.68 192.63 61.18 30.84 15.37
3,24 *10-6 4,96*10-6 1,56*10-5 3,17*10-5 6,35*10-5
1,10*10-3 1,69*10-3 5,33*10-3 1,08*10-2 2,17*10-2
Ef ecto de la f uerza ióni ca
Esta última etapa consistió en ver el efecto de los reactantes manteniendo la fuerza iónica constante (utilizando KNO3 y (NH4)2SO4). En el experimento medimos la influencia de la fuerza iónica en la velocidad de la reacción variando la concentración de persulfato de amonio y yoduro de potasio y completando el volumen final con agua destilada en los casos que fuese necesario (llegar a un volumen de 65 mL) Constante [(NH4)2S2O8] [KI] [KNO3] [KNO3] Tiempo Velocidad de Experimento [(NH4)2SO4] -1 0.2M 0.2M 0.2M 0.6M (seg) (Ms ) Velocidad (*)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.077 0.038 0.019 0.077 0.077 N°1 0.038 0.019 0.077 0.077
0.077 0.077 0.077 0.038 0.019 N°1 0.077 0.077 0.038 0.019
11 12 13 14 15
N°1 0.038 0.019 N°4 N°5
N°1 0.077 0.077 N°4 N°5
0.038 0.059 0.038 0.059 N°1
N°1
N°1
N°1
N°4 N°5
N°4 N°5
N°1
N°1 0.038 0.059 N°4 N°5
22.47 51.41 115.47 45.47 86.47 N°1 65.87 140.53 49 96.47
3,49*101,51*10- 6,69*10- 1,71*10- 8,94*10-
5.88*10-3 5,16*10-3 4,57*10-3 5,84*10-3 6,11*10-3
1,18*10- 5,49*10- 1,57*10- 8,012*10-
4,03*10-3 3,75*10-3 5,36*10-3 5,47*10-3
6
N°1 45.85 1,71*10- 5,84*10-3 150.25 5,12*10- 3,50*10-3 N°4 N°5
Cálculo y tratamiento de datos Calculo de la velocidad de reacción:
Para la ecuación descrita anteriormente sabemos que la relación estequiométrica entre el ion persulfato (S208-2) Y el ion tiosulfato (S203-2) es 1:2 tenemos la siguiente relación matemática:
− ∗ − − = 2 ∗
Además, sabemos que:
] = [ ()
Combinando las dos ecuaciones nos queda:
− ∗ − = 2 ∗ ∗ Cálculo de los órdenes de los reactantes y de la Reacción
La ley de velocidad de la reacción química está dada según la ecuación:
=−− Para poder calcular los órdenes de reacción se debe mantener una de las dos concentraciones constante mientras la otra varía, de este modo el cálculo se realizará de forma independiente para el orden de cada reactante. Utilizaremos el método de la regresión lineal para calcular los exponentes de la reacción:
=+ Donde:
= log = log == == ó
ó
Tomando los experimentos números 1, 2, 3 de la tabla de la parte experimental de la fuerza iónica nos damos cuenta que la concentración del ion yoduro se mantiene constante, mientras que la concentración del ion persulfato varía. Calculo de m:
Tabla de logari tmos -
-
log [S208 ]
Log [I ]
Log r
-1.11
-1.11
-4,46
-1,42
-1.11
-4,82
-1.72
-1.11
-5,17
Resultados obtenidos de la regresión lineal:
m= Intercepto= Índice de correlación=
1,16 -3,16 0,999
en los experimentos números 1, 4, 5 de la tabla de la fuerza iónica la concentración del ion persulfato se mantiene constante, mientras que la concentración del ion yoduro varía. Cálculo de n:
-
-2
log [I ]
Log [S208 ]
Log r
-1.11
-1.11
-4,46
-1,42
-1.11
-4,76
-1.72
-1.11
-5,04
Resultados obtenidos de la regresión lineal:
m= Intercepto= Índice de correlación=
0,9509 -3,406 0,999
Los órdenes deben ser números enteros, por lo tanto, los resultados m= 1,16 y n= 0,9509 deben ser aproximados a 1. Orden total reacción es igual a la suma de los órdenes parciales:
= + Por lo tanto orden de la reacción es 2. Cálculo de la constante de velocidad:
Con los resultados de m y n, además de las velocidades ya calculas, despejamos la k en la siguiente reacción:
= −− = − −
Las constantes son calculadas para cada experimento cambiando la velocidad de reacción y las concentraciones de los reactantes dependiendo el caso.
Cálculo de la energía de activación:
Con los datos de la tabla del efecto de la temperatura, más la ecuación linealizada de Ahrrenius, podemos calcular la energía de activación de la reacción. Ecuación de Ahrrenius:
+ln ln =
Donde la pendiente m es igual a: El gráfico debe ser 1/T (K) v/s ln K, siendo así tenemos: 1/T (K)
ln k
3,66*10-3 3,533*10-3 3,41*10-3 3,30*10-3 3,19*10-3
-6,81 -6,38 -5,23 -4,52 -3,83
Gráfico obtenido: EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA VELOCIDAD DE REACCION
ln k
y = -6.6687x + 17.439 R² = 0.9823
0 -1
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
-2 -3 K n L
-4 -5 -6 -7 -8
1/T(K) (*0,001)
Con el grafico calculamos la regresión lineal para poder sacar la pendiente que es igual a:
– Según los datos obtenidos del grafico, la pendiente es igual a -6668,7 K
∗ 6668,7 = 55443,57 =∗ (6668,7 ) =8,314 ∗ Cálcul o de la fuerza iónica
Para efectuar el estudio del efecto de la fuerza iónica, se disminuyo la concentración de los reactantes y se completo el volumen restante con agua destilada, dependiendo del caso. La fuerza iónica se puede calcular según la siguiente fórmula:
= 12 ∑ ∗ ( ) Donde: Ci = concentración de la especie iónica. Zi = carga de cada ión. Experimento Fuerza iónica 7 0,221 8 0,164 9 0,299 10 0,2 Graficamos log k v/s raíz cuadrada de la fuerza iónica, se obtiene una recta donde el signo de su pendiente va a depender del producto de los iones participantes en la reacción. Si no intervienen iones en la reacción, la pendiente de la recta será cero. Log K(M xseg )
√
-2,39
0,47
-2,42
0,40
-2,27
0,546
-2,26
0,53
-
-
-2.24 -2.26 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
-2.28 -1
-
Log K(M xseg
-2.3 -2.32 -2.34
Series1
-2.36 -2.38 -2.4 -2.42 -2.44
√ Conclusión
Después de todo los cálculos y análisis realizados sobre el experimento de oxidación del ion yoduro por el ion persulfato se pudo llegar a las siguientes conclusiones según los parámetros medidos. - Efecto del catalizador en la reacción: Se pudo observar que mientras más catalizador se le colocaba menor era el tiempo que se necesitaba para que la reacción se realizara. Así que la solución de cobre agregada ayudo a la aceleración de la reacción disminuyendo la energía de activación para alcanzar en menos tiempo el paso de reactante a producto. Otra cosa importante es que el Cu(NO3)2 es capaz de oxidar al ión yoduro a triyoduro al igual que el ión persulfato. - Energía de activación de la reacción: Pudimos calcular la energía de activación mediante la ecuación de Ahrrenius. Se pudo observar que mientras mayor era la temperatura, menor era el tiempo de reacción, lo cual se puede explicar por la cinética de las moléculas, con el aumento de la temperatura se incrementa la posibilidad de colisiones lo que hace probable que la reacción ocurra con mayor rapidez
- Efecto de la fuerza iónica: Con los diferentes experimentos realizados nos pudimos dar cuenta de las siguientes cosas; cuando se completaba el volumen necesario con agua destilada la fuerza iónica disminuía, de la misma forma la velocidad de la reacción. En el caso cuando se completo el volumen con (NH4)2SO4 y KNO3 0,2 M, y el volumen de los iones principales de yoduro y persulfato se mantuvieron en volúmenes inferiores, la fuerza iónica fue relativamente constante, de la misma manera se encontraron cambios en la velocidad de la reacción, haciendo que esta fuera más lenta.
