Departamento de Química
INFORME DE LABORATORIO
Facultad de Ciencias Ciencias Básicas ro!rama" Química Química Asi!natura de Fisico#uímica Fisico#uímica II
Practica N°1: Cinética Cinética de la Reducción Reducción del Ión
−¿ ¿ Mn O 4
J.D.Alvarino, J.D.Alvari no, L.E.Palencia, L.E.Palenci a, P. Vidal, J.G. Morales Resumen ejecutivo $e %eri&ica e'perimentalmente el cumplimiento de la le( de %elocidad de reacci)n entre el perman!anato de potasio ( el ácido o'álico* ara ello se partirá de datos como concentraciones iniciales ( tiempos &inales de una serie de reacciones+ para lue!o ,acer uso de un modelo de re!resi)n lineal #ue permita determinar propiedades propied ades cineticas de la reacci)n reacci)n !eneral* Objetivo General Estudiar la cin-tica #uímica+ los &actor &actores es #ue inter%ienen ( los e&ectos asociados a una reacci)n red edo' o'.. en entr tree el io ionn pe perm rman an!a !ana nato to ( el ác ácid idoo o'álico*
Objetivos Espec!icos Anali/ar la in&luencia de la temperatura+ temperatura+ la concentraci)n de los los reacti%os ( la presen presencia cia ddee un catali/ador catali/ador en la reacci) reacci)n* n*
O0ser%ar ( de determinar el e&ecto #ue tienen la temperaturaa so0re el transcurso de la reacci)n* temperatur Identi&icar ( e'aminar e'aminar el e&ecto 1auto catalítico2*
"in#tica de la Reducci$n del %$n
&EOR%A RELA"%O'ADA
La Cin-tica Química estudia dos aspectos de una reacci)n #uímica" la %elocidad de la reacci)n #ue mide la %ariaci)n de la concentraci)n de reacti%os ( productos con el tiempo+ ( el mecanismo de la reacci)n para pasar de reacti%os a productos* Las reacciones #uímicas pueden tener lu!ar de &orma más o menos rápida+ es decir+ la %ariaci)n del n3mero de moles de sustancias reaccionantes #ue se trans&orman por unidad de tiempo puede ser ma(or o menor* La %elocidad de reacci)n de una reacci)n #uímica depende+ principalmente+ de" La naturale/a de las sustancias #ue reaccionan La concentraci)n de dic,as sustancias La temperatura La acci)n de catali/adores La o'idaci)n es un tipo de reacci)n en la cual un átomo o !rupo de átomos pierden electrones* La reducci)n es un cam0io #uímico en el cual un átomo o !rupo de átomos !anan electrones* La o'idaci)n ( la reducci)n siempre ocurren simultáneamente (a #ue el n3mero de electrones perdidos en la o'idaci)n de0e ser i!ual al n3mero de electrones !anados en la reducci)n* Así mismo O'idante es la especie #uímica #ue capta electrones 4aumentando su car!a ne!ati%a o disminu(endo su car!a positi%a5 consi!ue la o'idaci)n de otra* Reductor es la especie #uímica #ue cede electrones 4aumentando su car!a positi%a o disminu(e su car!a ne!ati%a5 produce la reducci)n de otra* El o'idante se reduce ( el reductor se o'ida por lo #ue las reacciones redo' transcurren entre pares con6u!ados de o'idaci)n7 reducci)n*
−¿ ¿ Mn O4
"in#tica de la Reducci$n del %$n
El e&ecto de a!entes reductores so0re el ion MnO87+ ocasiona una reducci)n+ disminu(e sus car!as ne!ati%as ,asta o0tener el ion Mn9:* Esta reacci)n presenta un caso particular de catálisis está representado en el proceso denominado de auto catálisis* En este caso al!uno de los productos de la reacci)n act3a como catali/ador+ de modo #ue la Donde el catalizador es el ion Mn +2. Cuando la reacción se realiza a temperatura ambiente, inicialmente es muy lenta, sin embargo, a medida que los iones Mn +2’ son producidos la velocidad aumenta notablemente.
reacci)n comien/a lentamente pero a medida #ue se &orman los productos su %elocidad aumenta* ;n e6emplo típico de auto catálisis se encuentra en la reacci)n de o'idaci)n del ácido o'álico por perman!anato de potasio a temperatura am0iente* La reacci)n+ en su &orma i)nica+ es la si!uiente" 'nterviene solo un reactivo de concentración −1
variable (Mn O4
) −1
De otra parte, la concentración de las especies que reaccionan también inluye en la velocidad de la reacción, lo mismo que la temperatura a la cual se realiza el proceso y la adición de substancias distintas a los reactivos ya que estas pueden tener un eecto catal!tico. "l e#perimento que se describe a continuación estudia el eecto que produce cada uno de los siguientes actores$ concentración, temperatura y catalizador sobre la velocidad de la reacción anterior. %a ley de velocidad e#presa la relación de la velocidad de una reacción con la constante de velocidad y la concentración de los reactivos, elevadas a alguna potencia. "n las reacciones irreversibles y &omogéneas, en que todas las variables permanecen constantes e#cepto la concentración de los reactivos, la ley dierencial de la velocidad recuentemente toma la orma en dependencia de$
dC −
dt
=
,C
n
Como el orden de reacción del (Mn O4
C
−
dC
∫ C
t
= ∫ Kdt ⇒ − ln
C o
C C
= Kt
o
o
− ln C + ln C = Kt ln C = ln C − Kt ...( 1) − − > y = b − mx o
o
Experimentalmente se demuestra que al elevar la temperatura se produce un aumento en la velocidad de reacción y Arrhenius, en 1889 propuso una ecuación relacionando la constante de velocidad con la temperatura:
=
ln ( /) - " a
-.
=7ipeta < mL REA"&%VO(
MnO8 :$O8 cido o'álico 4OOC7COO5 MnCl: PRO"ED%M%E'&O
Se preparan 6 soluciones de KMnO4 en 5 tubos de ensayo con
) es uno
*citado en la gu!a. %a solución a la ecuación dierencial anterior es$
ln ( 0 (. ) )
MA&ER%ALE( <7Tu0os de ensa(o =7ipeta => mL =7A!itador de %idrio =7Espátula metálica =7?idrio de relo6 =7Balan/a analítica @7Matra/ a&orado :<> mL =70eaer de 8>> mL
−¿ ¿ Mn O4
0 002M 0 004M
…. (2)
=7Term)metro =7Cron)metro
"in#tica de la Reducci$n del %$n
−¿ ¿ Mn O4
.
0,005M
$e o0tienen por disoluci)n con a ua destilada
0,006M En un recipiente se vierte 40 l de una soluci!n de "cido o#"lico
Se trans$ieren 5 l de la anterior soluci!n a cada uno de los tubos de ensayo y se inicia el conteo del tiepo cuando se (aya
Se repite el proceso 4 veces a las si uientes
0 00&M 0,010M Se detiene el tiepo cuando el tubo se torne de color abar' 20)* +eperatura escogida por el 25)* .5)* *at"lisis con Mn2/
Se adiciona al tubo 5 gotas de
Análisis ( Resultados A continuaci)n se muestra las ta0las correspondientes a las distintas concentraciones del ion perman!anato ( el tiempo de decoloraci)n en cada tu0o de ensa(o+ anotando la temperatura correspondiente*
GMn −1
O4 ¿
>*>>: >*>>8 >*>>< >*>> >*>>J >*>=>
−1
lnGMn O H 7*:=< 7<*<:= 7<*:KJ 7<*== 78*J:J 78*><
4
:>C
:<C
T* decoloraci)n4m in5 J* @*:J *KJ *J= *= <*J>>
T* decoloraci)n4mi n5 <*= 8*<= 8*:<> *K>> *> :*K
:<C 7 Catali/ador T* decoloraci)n4 min >*<>8 >*= >*== >*: >*:8 >*:=
<C T* decoloraci)n4mi n5 <*:> 8*> *J8> *<= :*<=> :*=>
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-4 2
3
4
5
6
7
8
−¿ ¿ Mn O4
9
-4.5 f(x) = -f(x) 0.5x =- 3.44 - 0.65x - 2.67 R² = 0.97 R² = 0.94 -5 Line a r ( 20°C) Line a r (20°C)
20°C
ln[MnO4]
f(x) f(x) = - 0.63x - 0.92 R² = 0.99 25°C
Line a r ( 25°C)
Line a r (25°C)
-5.5
-6 35°C
Line a r ( 35°C) -6.5
-7
Tiempo(min)
25°C - Catalizador -4 -4.20.1 -4.4 -4.6 -4.8 -5 -5.2 -5.4 -5.6 -5.8 -6
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
f(x) = - 3.14x - 4.05 R² = 0.82
25°C - Cat Catal aliia! a!or
Linear (25 (25°C - Catal ataliia! a!or)
Teniendo en cuenta #ue el orden de reacci)n del reacti%o GMn
−1
O4 ¿
es i!ual a uno ( tam0i-n la
−1 e'presi)n e'presi)n 4=5+ se reali/a reali/a un !rá&ico de lnGMn O4 ¿ ( M ) %s t4mim5 aplicando una re!resi)n re!resi)n lineal a
los %alores+ con el &in de o0tener el %alor de la pendiente de la recta #ue es e#ui%alente a la constante de %elocidad de la reacci)n45*
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7>+:J@ 7>+<: 7>+<>=J
T4a0soluta5 GH :K+=< :KJ+=< >J+<
−¿ ¿ Mn O4
ln(") #$ %T 5.74 5.7! 5.72
f(x) = - 301.05x " 6.71 R² = 1
5.7 5.7 5.69 5.68 5.67 5.66 5.65
0
0
0
0
0
0
A partir de la ecuaci)n o0tenida por cada !ra&ica la constante de %elocidad de la reacci)n a distintas temperaturas %iene dada como"
Teniendo en cuenta la ecuaci)n &enomenol)!ica de Arr,enius 4ecuaci)n 4:55+ se determina un %alor medio de la ener!ía de acti%aci)n !ra&icando ln %s =T* =T >+>>8= >+>>< >+>>:8
ln45 <+J>J <+K@> <+@=@:
A partir de la ecuaci)n 4:5 ( el %alor de la pendiente de la !rá&ica 4:5 se calcula el %alor de Ea" − Ea m= =−.01'05 −1∗mol−1 R
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−¿ ¿ Mn O4
Ea =−( &'.14 ∗ −1∗mol−1) (−.01'05 −1∗mol−1 )=¿ :<>:K :*<>:K Despu-s de o0ser%ar de manera crítica ( detallada los resultados consi!nados en la ta0la+ !rá&icas ( al!unas o0ser%aciones durante el desarrollo de la práctica se puede decir de &orma o06eti%a #ue los resultados o0tenidos son concordantes a la teoría relacionada a dic,os e'perimentos* En esta práctica se estudi) el e&ecto de la concentraci)n+ la temperatura ( de un catali/ador so0re la %elocidad de la reacci)n del ion MnO87 con el ácido o'álico 4C : :O8 5* Al anali/ar la !rá&ica P= se puede %er #ue las pendientes de las rectas+ #ue representan las %elocidades de reacciones a las distintas temperaturas+ son ma(ores cuando las temperaturas tam0i-n lo son+ ,ec,o #ue a&ecta directamente la %elocidad de la reacci)n 4se pueden apreciar menores %alores para el e6e del tiempo t a medida #ue aumenta el %alor de la pendiente de cada recta5* Como puede %erse en la !rá&ica P+ a pesar de los %alores de la constante no son mu( e'actos+ se puede a&irmar #ue estos %alores tienden a aumentar con el aumento de la temperatura+ es decir+ la constante de %elocidad es directamente proporcional a la temperatura* Como era de esperarse+ la reacci)n #ue se reali/) adicionando el ion Mn9:+ el cual actu) como un catali/ador+ acelero de manera so0resaliente la %elocidad de la reacci)n* Este comportamiento se puede o0ser%ar claramente .
en la !rá&ica n3mero =+ donde se %e claramente #ue la ecuaci)n correspondiente a la recta de la reacci)n con catali/ador es la #ue presenta ma(or pendiente* El color purpura dentro del tu0o de ensa(o se de0ía a la presencia del ion perman!anato 7 4MnO8 5+ el cual presenta este color característico* Al &inal de la reacci)n dentro del tu0o se o0ser%a0a una coloraci)n am0ar o amarillosa de0ida a la presencia del ion Mn9:+ unos de los productos &inales de la reacci)n* "O'"L)(%*' $e compro0) #ue la reacci)n es de orden uno puesto #ue al !ra&icar los %alores+ se o0tu%ieron 0uenos resultados a las temperaturas de :>+:<+<C o0teniendo un correlacion 4R: 5 cercana a uno ( a su %e/ ma(or a #ue los #ue se o0tu%ieron al !ra&icar los datos considerando la reacci)n de un orden distinto de uno* BIBLIOGRAFIA:
Ciné tica de las reacciones – Leith. J. Laidler CHANG, R. “Quí mica” Mc Graw-Hill Interamericana, 9na edición, M é xico D.F., 2007 CASTELLAN, Fisicoquí m ica, tomo II, Ciné tica Quí mica
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