EQUILIBRIO QUÍMICO Y VELOCIDAD DE REACCIÓN OBJETIVOS: Objetivo General:
Conocer el concepto de velocidad de reacción, estudiar algunas variables que afectan a la velocidad de reacción.
Objetivos Específicos:
Observar la influencia de la concentración de los reactivos sobre la velocidad de reacción.
Observar el efecto de la temperatura en le velocidad de reacción.
MATERIALES Y REACTIVOS: Materiales: -
Reactivos:
Tubos de ensayo Gradilla Pipetas graduadas Cronómetro Termómetro Vaso de precipitado Hornilla Malla de amianto
- Tiosulfato de sodio (Na 2S2O3) (75g/l) - Ácido sulfúrico (H 2SO4) - Agua destilada (H 2O)
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Ex per per ienci a 1.- I nf l uencia de l a concentr concentr ación de l os r eactivos sobre sobre la veloci veloci dad de r eacción. acción.
En 10 tubos de ensayo que están sostenidos en una gradilla y con la ayuda de una pipeta preparamos las siguientes cantidades de soluciones:
Volumen 1
Volumen 2
Tubo Nº
Na2S2O3
H 2O
Tubo
H2SO4
1
6 mL
0 mL
A
6mL
2
4 mL
2 mL
B
6mL
3
3 mL
3 mL
C
6mL
4
2 mL
4 mL
D
6mL
5
1 mL
5 mL
E
6mL
Al tubo Nº 1, 2, 3, 4, 5 que contienen los volúmenes volúmenes 1 respectivamente con las cantidades de agua agua y tiosulfito de sodio necesarios agregamos en él la la solución de de los tubos A, A, B, C, D, E que contienen los volúmenes 2 de ácido sulfúrico. Enseguida ponemos ponemos en marcha el cronómetro cronómetro hasta hasta que en el tubo que se mezcló el tubo 1 y A aparezca una turbidez (color crema oscuro). Este color es el que se toma como patrón para que los restantes tubos lleguen al mismo punto.
Registramos los tiempos transcurridos que demoran en llegar al punto que tiene el patrón. Calculamos las concentraciones de Na 2S2O3 en cada tubo de ensayo, llevamos a una tabla estos cálculos.
Tubos
Tiempo (s)
C Na2S2O3(mol/L)
Velocidad = 1 / tiempo
1 – A
2.53
0.4747
0.4
2 – B
5.24
0.3165
0.2
3 – C
8.52
0.2374
0.12
4 – D
22.59
0.1582
0.04
5-E
52.53
0.079
0.02
Graficamos la velocidad en función de la concentración de Na 2S2O3.
Velocidad
0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
Concentración (Mol/L)
Ex per per ienci a 2.- In f l uencia de l a tempe temperr atur a sobre sobre la vel vel ocidad de r eacción eacción
Colocar en 10 tubos en una gradilla y con la ayuda de pipetas preparar:
Volumen 1
Volumen 2
Tubo Nº
Na2S2O3.
Tubo
H2SO4
Temperatura
1
4 mL
A
4 mL
Ambiente
2
4 mL
B
4 mL
30 oC
3
4 mL
C
4 mL
40 oC
4
4 mL
D
4 mL
50 oC
5
4 mL
E
4 mL
60 oC
Una vez listos los los tubos 1, 2, 3,4, 5 y A, B, C, D, E se toma el primer par par de tubos, que se encuentra a temperatura ambiente, mezclamos los contenidos contenidos de dichos tubos ( tubo A en 1), enseguida ponemos en funcionamiento el cronómetro. Para los otros tubos de ensayo calentamos en baño maría hasta que adquieran las temperaturas indicadas por ejemplo para el caso del tubo 2 yB calentamos el baño maría hasta los 30 oC, luego introducimos los dos tubos 2 y B en dicho baño para para que adquiera la temperatura temperatura del baño, luego luego mezclamos los contenidos, e inmediatamente ponemos en marcha el cronometro. Realizamos el mismo procedimiento para los tubos 3 y C, 4 y D y 5 y D de manera que tengamos la siguiente tabla.
Tiempo (s)
Velocidad = 1 / tiempo
Temperatura (oC)
130.02
0.0077
Temp. ambiente
233.07
0.0043
30 oC
184.01
0.0054
40 oC
123.03
0.0081
50 oC
45.09
0.022
60 oC
Graficamos la velocidad de reacción con la temperatura:
Velocidad
0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Temperatura (oC)
CALCULOS Y RESULTADOS: Ex per per ienci a 1.- I nf l uencia de l a concentr concentr ación de l os r eactivos sobre sobre la veloci veloci dad de r eacción. acción.
Concentración del tiosulfito de sodio = 75g/L Convertimos esta concentración a molaridad (mol/L) 75g Na2S2O3 * 1 mol Na2S2O3 = 0.4747 M 1 L sol 158 g Na2S2O3
Calculamos las concentraciones de Na2S 2O3 en cada tubo de ensayo.
C1*V1 = C2*V2
C2 = C1 *V1 V2 Tubo 1-A
Tubo 4-D
C2 = 0.4747M * 6 mL = 0.4747 M 6 mL
C2 = 0.4747 M * 2 mL = 0.3165 0.3165 M 6 mL
Tubo 2-B
Tubo 5-E
C2 = 0.4747 M * 4 mL = 0.3165 M 6 mL
C2 = 0.4747 M * 1 mL = 0.3165 0.3165 M 6 mL
Tubo 3-C C2 = 0.4747 M * 3 mL = 0.3165 M 6 mL
Calculamos la velocidad (1/tiempo) v = 1/ tiempo
Tubo 1-A
Tubo 4-D
v = 1 / 2.53s = 0.3952
v = 1 / 22.59s = 0.044
Tubo 2-B
Tubo 5-D
v = 1 / 5.24s = 0.1908
v = 1 / 52.23s = 0.019
Tubo 3-C v = 1 / 8.52s = 0.1174 Ex per per ienci a 2.- In f l uencia de l a tempe temperr atur a sobre sobre la vel vel ocidad de r eacción
Calculamos la velocidad (1/tiempo)
v = 1/ tiempo
A temperatura ambiente
v = 1 / 184.01s = 0.0054
v = 1 / 130.02s = 0.0077
A 50oC
A 30oC
v = 1 / 123.03s = 0.0081
v = 1 / 233.07s = 0.0043
a 60oC
A 40oC
v = 1 / 45.09s = 0.022
REACCIONES Na2S2O3(ac) + H2SO4(l) H2S2O3(l)
H2S2O3(l) + Na2SO4(ac) S(s) + H2S(g) + H2O(l)
OBSERVACIONES: Ex per per ienci a 1.- I nf l uencia de l a concentr concentr ación de l os r eactivos sobre sobre la veloci veloci dad de r eacción. acción.
En la experiencia 1 se observó el cambio de coloración que sufre la solución, al combinarse el ácido sulfúrico con el tiosulfito de sodio, a un color crema. Vemos que la solución más concentrada de tiosulfito de sodio, al entrar en contacto con el ácido sulfúrico es la que reacciona a más velocidad, esto se nota porque demora menos en cambiar de color, a medida que la solución solución es mas diluida disminuye disminuye la velocidad velocidad de reacción. He aquí se demuestra demuestra la influencia de la concentración en la velocidad de reacción. Ex per per ienci a 2.- In f l uencia de l a tempe temperr atur a sobre sobre la vel vel ocidad de r eacción eacción
En la experiencia 2 observamos el mismo cambio de coloración que ocurrió en la primera experiencia. Observamos que en la reacción a medida que se se aumenta la temperatura aumenta la velocidad de reacción.
CONCLUSIONES: Se llegó a conocer la velocidad de reacción, y los factores que influyen a esta velocidad. Se observó la influencia influencia que tiene la concentración en la velocidad de reacción, ya que a mayor concentración mayor la velocidad de reacción. Se observó la influencia que tiene la temperatura sobre la velocidad de reacción, ya que al elevar la temperatura la velocidad de reacción aumenta.
CUESTIONARIO: 1) Responda a las siguientes preguntas: a) ¿A qué se llama equilibrio eq uilibrio químico? A una reacción reversible, es decir, que se produce en ambos sentidos (los reactivos reactivos forman productos, productos, y a su vez, éstos forman de nuevo nuevo reactivos). Cuando las concentraciones de cada una de las sustancias que intervienen (reactivos o productos) se mantienen constantes, es decir, ya no varían con el tiempo, se dice que la reacción ha alcanzado el EQUILIBRIO QUÍMICO b) Explique la Ley de acción de masas Ley de Acción de Masas, LAM: LAM:
«En un proceso elemental, el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, es una constante para cada temperatura, llamada constante de equilibrio». c) ¿Cuál es el principio de Le Chatelier? Si en un sistema en equilibrio se modifican los factores externos, el sistema evoluciona en el sentido de oponerse a dicha modificación. El aumento de temperatura favorece la reacción endotérmica, y su disminución, la exotérmica. El aumento de la presión la presión lo desplaza hacia el lado que tenga menos moles moles gaseosos. gaseosos. El aumento de la concentración de un reactivo o producto desplaza el equilibrio hacia la desaparición de dicha sustancia. d) Explique el efecto que tienen la temperatura, la presión, los cambio de concentración y los catalizadores sobre la constante de equilibrio. equilibrio. Ef ecto de l a temperatur temperatur a
Si la reacción es exotérmica: A + B
C+Q
Al aumentar la temperatura temperatura la reacción se desplazará desplazará hacia la izquierda izquierda Al disminuir la temperatura temperatura la reacción se desplazará hacia hacia la derecha
Si la reacción es endotérmica: A + B + Q
C
Al aumentar la temperatura temperatura la reacción se desplazará desplazará hacia la derecha derecha Al disminuir la temperatura temperatura la reacción se desplazará hacia hacia la izquierda a) Efecto de la concentración: La variación de la concentración de cualquiera de las sustancias que intervienen en un equilibrio no modifica la constante de equilibrio, pero sí afecta a las concentraciones de las restantes sustancias. Cuando a un sistema en equilibrio (a temperatura constante) se le añade uno de los componentes, el sistema responde oponiéndose a esta adición, desplazándose el equilibrio hacia el otro miembro de la ecuación. b) Efecto de los catalizadores Los catalizadores no afectan el estado de equilibrio de una reacción, solo alteran las velocidades de reacción directa e inversa haciendo que el equilibrio se alcance en un menor tiempo y alcanzándose las mismas concentraciones de equilibrio de la reacción sin catalizar
e) ¿Qué relación matemática existe entre Kc y Kp? Realice la demostración. demostración. K c c y K p p
Para proceder a relacionar la K c y la K p debemos relacionar previamente las concentraciones de las especies en equilibrio con sus presiones parciales. Según la ecuación general de los gases perfectos, la presión parcial de un gas gas en la mezcla vale: Pi = n R T
Pi = Ci R T V
Una vez que hemos relacionados las concentraciones con las presiones parciales de cada especie, se calcula la dependencia entre ambas concentraciones, simplemente llevando estos resultados a la constante K c. De esta manera llegamos a la expresión:
K p = K c (R T)Δn En donde n = incremento en nº de moles de gases (n productos – nreactivos ) Donde la Δ n
es la suma de los moles estequiométricos de todos los productos en estado gaseoso menos la suma de todos los moles de reactivos también gaseosos.
f) Explique la relación entre las constantes de velocidad y la constante de equilibrio. velocidad de una ecuación general, que tiene lugar en un Veamos la relación entre el equil ibr io y la velocidad solo paso tanto a la derecha derecha como a la izquierda: izquierda: A+B
C + D
En cada caso se producirá una reacción en un sentido A + B y la otra vez inversa C + D, hasta que se llegue a un estado final sin cambio. Las velocidades en un sentido u otro se establecen, de la manera siguiente: Velocidad a la derecha = K 1 1 [A] [B] Velocidad a la izquierda = K 2 2 [C] [D] Donde K 1 y K 2 son las constantes de velocidad. Cuando las dos velocidades de reacción son iguales, entonces se alcanza el estado de equilibrio: K 1 1 [A] [B] = K 2 2 [C] [D]
Desarrollando esta expresión, de manera que las concentraciones de los productos queden en el numerador y las concentraciones de los reactivos en el denominador, se tiene:
Debe tenerse muy en cuenta que las las letras entre corchetes, corchetes, por ejemplo [ C] , se refiere a la concentración de cada sustancia, expresada generalmente en moles/litro. K recibe el nombre de constante constante de de equi l i bri o, y tiene un valor fijo a determinada determinada temperatura temperatura y para constante de equi l ibr io expr esa una un a relaci ón que debe existir entre las una reacción en particular. La constante concentr concent r aciones aci ones de l os componentes de un a r eacción eacción quími ca cuando esta se encuentre en equilibrio.
2) A 450oC, las presiones parciales del H 2, I2 y HI en equilibrio, e quilibrio, son respectivamente, 0.1095 atm, 0.1095 atm y 0.7810 atm. Hallar la constante de equilibrio Kp del proceso.
3) En un recipiente de 306mL de capacidad capacidad contiene a 35 35 oC una mezcla gaseosa en equilibrio de 0.384g de NO2 y 1.653g de N2O4. Calcular la constantes de equilibrio Kc y Kp para la reacción: N2O4
NO2
Correspondiente a la disociación del tetróxido tetróxido de dinitrogeno en dióxido de nitrógeno a dicha temperatura.
4) Un matraz de un litro se llena en condiciones normales de ioduro de hidrógeno, se cierra y se calienta a 400oC. Determinar la composición de la mezcla en equilibrio si la constante Hp para el proceso e igual a 59.4 a dicha temperatura.
5) En el siguiente equilibrio: PCl5(g)
PCl3(g)
+ Cl2(g)
Calcúlese el número de moles de Cl 2 producidos en el equilibrio cuando se calienta 1 mol de PCl 5 a 250oC en un recipiente con capacidad de 10 L. A 250 oC, K= 0.041 para esta disociación.
