Práctica # 5 Estudio espectrofotométrico de la cinética de una reacción química. OBJETIO !plicar la técnica de espectrofotometría para o"tener los datos cinéticos de una reacción química "imolecular.
IT$O%&''I( elocidad de reacción) Se define como la cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo. El estudio de las velocidades de reacción químicas se conoce como cinética química. Las medidas de estas velocidades de reacción y el conocimiento conocimiento de cómo pueden modificarse modificarse estas veloci velocidad dades es y las teoría teorías s de las veloci velocidad dades es de reacci reacción, ón, son aspect aspectos os impor importan tantes tes de la investigación de la química moderna.
*a cinética química se refiere a la +ariación de las concentraciones de reacti+os , productos con el tiempo. El perfil general de la reacción es tal que con el tiempo no sólo disminuye la concentración de reactivo, sino que además disminuye la velocidad de cambio de esta concentración. La veloci velocidad dad de reacci reacción ón no es consta constante nte.. Al princi principio pio,, cuando cuando la concen concentra tració ción n de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se den coques entre las moléculas de reactivo, y la velocidad es mayor. A medida que la reacción avan!a, al ir disminuyendo la concentración de los reactivos, disminuye la probabilidad de coques y con ella la velocidad de la reacción. La medida de la velocidad de reacción implica la medida de la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo, esto es, para medir la velocidad de una reacción necesitamos medir, bien la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, bien la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo. La velocidad de reacción se mide en unidades de concentración"tiempo, esto es, en moles"s. aquellos en los que se determina determina el contenido contenido de *os métodos cinéticos de análisis son aquellos analito midiendo su efecto en la velocidad de una reacción química. El analito e#perimenta alguna de las dos acciones químicas siguientes$ %.
El analito reacciona con el reacti+o , se transforma en el curso de la reacción. Esto se llama método directo.
&.
El analito act-a como cataliador para la reacción. Esto se llama método catalítico.
E#perimentalmente ay poca diferencia entre estos métodos$ en ellos se determinan las velocidades de reacción en un con'unto de condiciones estándar reproducibles. Las velocidades se determinan monitoreando el cambio de concentración del reactivo o del producto, y después los resultados se relacionan con la concentración inicial del material ensayado. La gran mayoría de los ensayos cinéticos se efect(an en solución. )uando las muestras son sólidas, la concentración del analito en solución debe relacionarse con su masa en el sólido.
*na medición precisa es muy importante en los ensayos cinéticos. +or tanto, +or qué molestarse en reali!ar análisis de este tipo- +or qué no emplear como un método de ensayo al equilibrio que no se altera si de'amos de observarlo algunos segundos o minutosay cuatro ra!ones por las cuales se emplean los ensayos cinéticos. %.
*os ensa,os cinéticos suelen ser e/traordinariamente específicos. )omo resultado, la mayor parte de los componentes restantes tras la digestión de una muestra no producen interferencias suficientemente serias como para que se necesiten pasos adicionales en la preparación de la muestra. por e'emplo, las en!imas aceleran reacciones de compuestos muy específicos, lo que significa que permiten determinar selectivamente tan sólo uno /o algunos0 entre miles de compuestos. Los ensayos en!imáticos a menudo se efect(an sin tratamiento previo de las muestras, en especial las de suero sanguíneo y orina$ basta con agregar los reactivos, agitar, y efectuar la medición1 o bien, en ocasiones se emplea una tira de prueba para verificar la intensidad de color.
&.
*os ensa,os cinéticos son "astante sensi"les. cada molécula en!imática catali!a la producción de un gran n(mero de moléculas de productos coloridas. 2ucos otros ensayos cinéticos catalíticos pueden amplificar el efecto del analito y son (tiles para el análisis de tra!as.
3.
'uando la +elocidad de una reacción es tan lenta que resulta poco práctico a0uardar a que se alcance el equili"rio, es posible observar la velocidad de la reacción en sí con relativa rapide! y emplearla en un ensayo cinético.
4.
&na reacción de ensa,o -til pro"a"lemente sea irre+ersi"le1 tal +e no alcance el equili"rio. Sin embargo, se puede observar la velocidad de reacción para cuantificar el analito.
La rapide! o velocidad de una reacción se e#presa en términos de la concentración de uno de los reactivos o de los productos involucrados en la reacción general. La rapide! se define como el índice de cambio con el tiempo de la concentración de un reactivo o producto. 5ome en consideración la reacción$ &A6 7 A&7 La rapide! de esta reacción puede e#presarse en términos del índice en el tiempo de desaparición de la especie A, como la derivada$
− d [ A ] 8apide! de desaparición con respecto al tiempo de A9
dt
En donde :A; es la concentración de A en el tiempo t. El signo negativo indica que la concentración de A disminuye a medida que aumenta el tiempo de la reacción.
−d [ B ] 8apide! de desaparición con respecto al tiempo de 79
dt
En términos de la rapide! de formación del producto A &7, la rapide! de la reacción anterior puede escribirse$
+ d [ A 2 B ] 8apide! de formación de A&7 9
dt
En donde el signo positivo indica que la concentración de A&7 aumenta, al aumentar el tiempo de la reacción. La velocidad de una reacción química se puede determinar por varios métodos, siendo el método espectroscópico uno de los más utili!ados confiables para la obtención de resultados. +rácticamente todas las regiones del espectro se an usado para seguir el avance de una reacción química en estudios cinéticos, se puede decir que los métodos espectroscópicos son sin duda los más poderosos para observar las reacciones químicas. Las regiones ultravioleta y visible son particularmente (tiles, pues todas las sustancias coloridas y una gran parte de las sustancias incoloras absorben en una u otra región1 los espectrofotómetros comerciales en sus formas convencionales o acoplados con algunos otros aparatos, presentan los cambios de absorbancia directamente1 estos aparatos pueden acumular mucas corridas para aumentar la relación se=al" ruido. La región infrarro'a es la preferida para estudiar los cambios de especies con grupos funcionales que típicamente tienen coeficientes de absortibidad muy grandes. >actores que afectan la velocidad de reacción$ 5emperatura, Estado físico de los reactivos, +resencia de un catali!ador, )oncentración de los reactivos, +resión y Lu!.
! propósito todos los métodos "ioquímicos , químicos en que se emplean enimas como reacti+os2 son métodos cinéticos. El colorante +erde "rillante es un indicador del tipo ?acido@base?, que tiene un p ligeramente ácido, el aB afecta al colorante por su diferencia de p a medida que avan!a el tiempo, el colorante va aumentando su p a uno más alcalino /con más concentración de B@0, a la ve! que va cambiando su color ácido a su color básico, esta reacción no es rápida por lo que el vire tarda tiempo para dar un color más claro.
'O$$E*!'I( 'O *O3 TE4!3 3&BTE4!3 %E* P$O6$!4! %E E3T&%IO I6ETE Esta práctica está relacionada con la &nidad 72 Espectroscopia <ra+ioleta8+isi"le2 específicamente con los subtemas 7.9 :undamentos2 el 7.; Instrumentos2 el 7.< !plicaciones ,
el 7.7 !nálisis de procesos.
P$OB*E4! *a +ariación de la concentración de los reacti+os , productos de la reacción química "imolecular del +erde "rillante con =idró/ido de sodio2 está en función al tiempo en el que transcurre la reacción. 9. >Identificar un pro"lema analítico? ;. >:ormular una pre0unta? <. >Proponer una =ipótesis de tra"a@o? 7. >'ómo resuel+e el pro"lema planteado?
4!TE$I!*E3 EA&IPO3 • • • • • • • • •
% Espectrofotómetro % +ipeta graduada de CmL % +ipeta volumétrica de %DmL & +robetas de CDmL & asos de precipitado de &CDmL % 2atra! Erlenmeyer de &CDmL % +i!eta con agua destilada % )a'a de celdas p"espectrofotómetro % )ronómetro
$E!'TIO3 • • •
erde 7rillante aB D.% Agua destilada
4ETO%O*O6! %. +ara llevar a la práctica la velocidad de la reacción química entre el colorante verde brillante y el aB, se requiere de la preparación de las siguientes soluciones$ 3olución del "lanco. Esta solución es el disolvente /agua destilada0, y se trata de la misma manera que la muestra, es decir, contiene todos los componentes de la muestra menos la muestra. +reparar &DmL2 agregar %D gotas de aB D.% . )on esta solución calibrar el espectrofotómetro. 3olución +erde "rillante) dise=ar su metodología con uno de los si0uientes +ol-menes) %DmL, FmL, ó GmL. de solución. Aforar a CDmL con agua destilada. 3olución de Cidró/ido de sodio D.9 )
•
3&6E$E'I!3 %I%'TI'!3 %. &.
Investigar la longitud de onda de má#ima absorción del colorante verde brillante. Investigar la preparación de una solución de aB D.%
3.
+ara la preparación de la solución de verde brillante, pesar D.D3 g de colorante y diluirlo con agua destilada, en un matra! aforado de CDD mL. 4. Esperar que ayan pasado 3 minutos, para llenar la celda y en el minuto 4 tomar todas las lecturas. C. Investigar cómo afecta el aB a la estructura orgánica del colorante verde brillante, a medida que pasa el tiempo de contacto. G. Investigar otras aplicaciones de la espectroscopia en cinética Tiempo !"sor"ancia química, en bioquímica, y microbiología. 4inutos D 4 F %& %G &D &4 &F 3&
$E3&*T!%O3 %. acer una tabla con las lecturas de la Absorbancia en función del tiempo.
&.
Jraficar las lecturas Absorbancia contra el tiempo
Jráfica de Absorbancia contra 5iempo /2inutos0
BIB*IO6$!:! %. &. 3. 4. C.
Avery, . E. /Abril &, &DDF0, )inética química básica y mecanismos de reacción, Espa=a, 8everté. )ang, 8. /&DD&0, Kuímica, séptima edición, )olombia, 2cJra ill. Lucas ernánde!, L y Jon!ále!@+ére!, ), /&DD&0, Introducción al Análisis Instrumental, 7arcelona, Ariel )iencia. 8obinson, >. M. /&DDD0, Kuímica analítica contemporánea, primera edición, 2é#ico, +earson educación. SNoog, <. A. /&DDF0, +rincipios de análisis instrumental, se#ta edición, 2é#ico, )engage Learning.
8eferencias de documentos consultados en Internet$ G. )inética química, técnicas /&D%D0. )onsulta reali!ada el &H de Bctubre de &D%& en$ ttp$""depa.pquim.unam.m#"amyd"arcivero"D3@tecnicasO%&FDD.pdf P. 8epaso de cinética química P/Septiembre, &DD%0. )onsulta reali!ada el &H de Bctubre &D%& en$ ttp$""mit.oc.universia.net"P.C%"fD%"pdf"faD%@lecD&.pdf
E!*&!'I( F*ista de cote@oG Al terminar la práctica, el profesor deberá evaluar a cada estudiante de acuerdo con su traba'o individual y por equipo.
La siguiente es una LISTA DE COTEJO que Incluye las contribuciones que realiza la materia de Análisis instrumental para el logro de cada una de las cuatro competencias las !abilidades y destrezas requeridas para cada competencia y las indicaciones para su e"aluaci#n$
'ompetencia
Ca"ilidades , destreas a desarrollar
Aué e+aluar
%. +ensamiento crítico y mane'o de información
Análisis e identificación de la información relevante para el problema. >ormulación de problemas e ipótesis. +lanteamiento del dise=o e#perimental.
&. Aprendi!a'e autorregulado y permanente
*so de te#tos científicos y otras fuentes de información especiali!ada. >orma ábitos de estudio 5raba'o colaborativo. E#presión verbal y escrita clara. Argumentación de puntos de vista Escucar con atención
Información recabada e identificada correcta y completa. ipótesis y problemas >ormulados correctamente. ormula preguntas. 5raba'a en equipo.
3. )omunicación efectiva
4. )onocimiento, Aplicación y relación de los fundamentos de la Kuímica analítica e Instrumental
Sinteti!ar información proveniente de diferentes fuentes. 5ransferir información de ciencias básicas a la química analítica, en particular relacionada con los problemas planteados. Integrar la información en el análisis instrumental.
8eporte de la práctica claro y organi!ado. undamenta las ipótesis. Aplica la información a los +roblemas E#trapola la información al laboratorio de análisis instrumental.
'!*I:I'!'I(. I%I'!%O$
IE* %E %E3E4PEHO
!'TII%!%E3 P$O6$!4!%!3
)ompetencia alcan!ada
E#celente
)umple con todos los indicadores para desarrollar las abilidades y destre!as, de las cuatro competencias )umple con tres de los indicadores definidos en el desempe=o e#celente )umple dos de los indicadores definidos en el desempe=o e#celente o cumple con ninguno de los indicadores definidos en el desempe=o e#celente
7ueno
Suficiente
Insuficiente
)9 o competente
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