FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
1. Introducción
La termodinámica nos permite conocer la espontaneidad ó no espontaneidad de las reacciones, pero no nos informa de la rapidez con que tendrá lugar el proceso de transformación de los reactivos en productos: puede ser rápida, lenta, o incluso, puede no ocurrir nunca de modo apreciable. El estudio de estos aspectos es el objeto de la cinética química. La cinética química es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de reacción, cómo cambia la rapidez de reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan durante la reacción general (Difusión, ciencia de superficies, catálisis). catálisis). La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; la química la química cuántica permite indagar en las mecánicas de reacción, lo que se conoce como dinámica como dinámica química. La Rapidez (o velocidad) de reacción está conformada por la rapidez de formación y la rapidez de descomposición. Esta rapidez no es constante y depende de varios factores, como la concentración de los reactivos, la presencia de un catalizador, la temperatura de reacción y el estado físico de los reactivos. Uno de los factores más importantes es la concentración concentración de los reactivos. El cobre es el primer metal cuyo uso por parte del hombre tenemos noticia. El cobre fue usado en diversos campos solo, o en aleación con estaño para formar bronce. Durante mucho tiempo se le dejo de lado hasta que la industria eléctrica comenzó a usarla debido q que es un excelente conductor y su precio es relativamente bajo. 2. Objetivos
Tener en cuenta las experiencias del laboratorio anterior el uso del colorímetro y la medición de la transmitancia.
Observar el comportamiento de la cinética de reacción para el cobre.
Calcular la concentración del cobre según va reaccionando.
3. Fundamento teórico
En los estudios de cinética química se determina la concentración de uno o más de los reactivos o productos como una función del tiempo. Para ello se sigue su curso por medio del cambio de alguna propiedad física como puede ser la presión, absorbancia, conductividad, índice de refracción, ángulo de rotación de la luz polarizada, pH, etc.
UNI-FIGMM
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
El cambio se puede expresar mediante una ecuación diferencial donde aparece la velocidad de la reacción química. Dicha velocidad se puede definir como la tasa de cambio de la concentración de una especie con el tiempo (si los coeficientes estequiométricos son la unidad):
[] []
Las reacciones químicas se denominan homogéneas, cuando ocurren en una sola fase, y heterogéneas, cuando ocurren entre especies que se encuentran en diferentes fases. Prácticamente en todas las reacciones que incluyen más de dos moléculas de reactivo en disolución acuosa, no ocurren en un solo paso. El conjunto de todos los pasos elementales se conoce como el mecanismo de reacción. Para la reacción:
La velocidad de reacción se puede expresar como:
[] [ ] [ ] [ ]
Donde k es la constante de velocidad y los exponentes m, n y p son los órdenes parciales con respecto a cada reactivo. La suma de ellos es el orden total de la reacción. Estos valores pueden determinarse experimentalmente, al igual que el valor de k. El orden de la reacción está relacionado con el mecanismo. Para determinar experimentalmente los exponentes se debe aislar la dependencia de la velocidad respecto de cada uno de los reactivos. Para ello, fijamos todas las concentraciones en un valor alto, excepto una, cuya dependencia queremos analizar. En el ejemplo antes señalado, si las concentraciones de A y B son muchos mayores que la de C entonces la ecuación (1) se transformara en:
[] []
Donde k´´= k [A]m[B]n, ya que las concentraciones de A y B permanecen prácticamente constantes. En este caso se dice que la reacción es de pseudo orden p. El orden de la reacción aparente con respecto a la especie que interesa se puede obtener por una variedad de métodos que miden la evolución de las concentraciones con el tiempo. La ecuación (2) se puede integrar fácilmente para diferentes valores de p, y, mediante una representación grafica apropiada,
UNI-FIGMM
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
puede obtenerse el valor de p que mejor reproduce los datos experimentales. Una vez determinado el valor de p puede calcularse el valor de la constante k´´. Por ejemplo, para una cinética de primer orden (p= 1) se tiene:
Donde “(a-x)” es la concentración a un tiempo t cualquiera, y “a” es la concentración a tiempo cero. Al representar gráficamente ln(a − x) versus t se obtiene una línea recta cuya pendiente es –k. Cuando p=2 se tiene:
Representando gráficamente el inverso de la concentración del reactivo que queda sin reaccionar, (a-x), frente al tiempo se obtiene una línea recta cuya pendiente es k. Para determinar el valor de p sería necesario representar los datos experimentales de acuerdo con todos los posibles valores de p y las correspondientes ecuaciones integradas. En la práctica se encuentra que p suele ser un número entero positivo igual a 0, 1 o 2, por lo que basta con comparar con un número reducido de ecuaciones integradas de velocidad. Decoloración de la fenolftaleína en medio básico La decoloración de la fenolftaleína en medio fuertemente básico se puede representar mediante la siguiente ecuación: F(rosa) + n(OH)- → F(OH)-n (incolora) En el siguiente esquema se representan las tres formas de la fenolftaleína en disolución, en función de la concentración de hidróxido en el medio. -
O
OH
OH
C
C
O
O
O
-
O
C
-
O
C
C O
C O
C
OH
8
UNI-FIGMM
-
O C
O
2
H2P
-
O
O
1
pH<8; incolora
-
-
O
O
3
pH>10; decoloración lenta POH3-
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
La velocidad del proceso directo de decoloración puede escribirse como:
[ ] [ ] [ ]
donde α y β son los órdenes de reacción parciales respecto de la fenolftaleína y
de los iones hidróxidos, y k representa la constante de velocidad. La determinación del orden respecto de la fenolftaleína se puede hacer siguiendo el método integral expuesto en la sección de fundamentos: se escogen unas condiciones tales que la concentración de hidróxido sea muy elevada en comparación con la concentración de fenolftaleína. En estas condiciones, se puede considerar constante durante todo el transcurso de la reacción, por lo que se simplifica la ecuación de velocidad de acuerdo con la siguiente expresión:
[] []
donde k' es una constante de velocidad aparente, definida por la expresión [ ] 4. Materiales y equipo
Balanza. 11 tubos de ensayo. Un cronómetro. 2 vasos de precipitados. Una gradilla. Colorímetro (espectrómetro 20). 1 Piceta ..... g de Cobre electrolítico (lo que el profesor le indique). Ácido Nítrico (HNO3) (lo que el profesor le indique). Agua destilada (lo que el profesor le indique).
UNI-FIGMM
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
5. Procedimiento 1) Pesar por ejemplo 4g de cobre electrolítico en la balanza y colocarlo dentro de un vaso de precipitado lleno con 100 ml de agua destilada.
2) Medir por ejemplo 120 ml de HNO 3 en otro vaso de precipitado y verterlo en el vaso que contiene el cobre.
UNI-FIGMM
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
3) Observar la reacción, tomando a partir de su inicio el tiempo cada un cierto intervalo, hasta que el cobre se disuelva completamente.
4) Separar las muestras obtenidas para intervalos de tiempo diferentes y colocarlas en un tubo de ensayo.
UNI-FIGMM
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
5) Colocar las muestras en el colorímetro y leer las transmitancias
UNI-FIGMM
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
6. Análisis de Resultados Para 2 gramos de cobre Tiempo (s)
%T
A
Tiempo (min.)
Concentración
5.50 8.04 10.01 15.30 28.85 31.27 39.96 45.2 50.02 53.9
98 96 89 86 49 47 42 35 30 24
0.00877 0.01773 0.05061 0.06550 0.30980 0.32790 0.37675 0.45593 0.52288 0.61979
5.50 8.04 10.01 15.30 28.85 31.27 39.96 45.2 50.02 53.9
1.0667499 2.32799535 6.95915399 9.05655616 43.4653408 46.0143862 52.8944661 64.0467543 73.4758796 87.1251772
Tiempo (min.)
Concentración
5.99 10.13 13.34 20.22 25.06 30.97 35.45 42.59 49.14 54.30
9.77198229 11.9698799 19.0812873 27.1295811 33.1509868 42.2295769 50.0489188 64.0467543 77.6960519 92.4475097
Para 2.5 gramos de cobre Tiempo (s)
%T
A
5.99 10.13 13.34 20.22 25.06 30.97 35.45 42.59 49.14 54.30
85 82 73 64 58 50 44 35 28 22
0.07058 0.08619 0.13668 0.19382 0.23657 0.30103 0.35655 0.45593 0.55284 0.65758
7. Cuestionario 1.- Obtener la gráfica C vs A
Concentración vs absorbancia 0.7 0.6 a i 0.5 c n a 0.4 b r o 0.3 s b 0.2 A 0.1 0
y = 0.0071x + 0.0012
0
20
40
60
Concentración (mg/L)
UNI-FIGMM
80
100
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
Concentración vs absorbancia 0.7 0.6 a i 0.5 c n a 0.4 b r o 0.3 s b A0.2 0.1 0
y = 0.0071x + 0.0012
0
20
40
60
80
100
Concentración (mg/L)
2.- Graficar la cinética y escribir su ecuación química que gobierna.
Tiempo vs concentración 100 ) L / g m ( n ó i c a r t n e c n o C
80
y = 35.45ln(x) - 69.144 R² = 0.8405
60 40 20 0 0
10
20
-20
30
40
50
60
50
60
Tiempo (s)
Tiempo vs Concentración 100 ) L / g m ( n ó i c a r t n e c n o C
80
y = 36.421ln(x) - 74.35 R² = 0.9089
60 40 20 0 0
-20
10
20
30 Tiempo (s)
UNI-FIGMM
40
FISICOQUÍMICA
[CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COBRE]
8. Observaciones y conclusiones
Se puede notar que la tendencia del grafico es una función exponencial correspondiendo a la parte teórica que nos expresa que la velocidad de la reacción varía en forma proporcional a la concentración.
Se puede obtener la velocidad a partir del método colorímetro.
Del cuadro de cálculos podemos concluir que a mayor concentración menor será la transmitancia.
Calibrar en lo mejor posible el colorímetro para cada lectura debido a que el aparato es muy sensible.
Los diferentes procedimientos realizados sirven para hallar el porcentaje de un mineral en una muestra cualquiera dependiendo de los disolventes.
9. Recomendaciones
Se recomienda calibrar el colorímetro al 100% antes de empezar a trabajar. El colorímetro debe estar a una longitud de onda de 620nm. Se debe limpiar los tubos con las muestran antes de hacer la medición. Luego de cada medición se debe comprobar que el colorímetro siga al 100% con un tubo que contenga agua destilada.
10. Bibliografìa y webgrafía
“Química Física”, Walter Moore, Barcelona, 1953.
“Físico Química”, Atkins, 1986.
“Química”, Mahan, 1968.
UNI-FIGMM
