Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán. Laboratorio de Cinética Química y Catálisis. Informe Experimental #2 Cinética de la reacción de reloj de yodo. “
”
Profesora: Alejandra Rodríguez Pozos. Integrantes del equipo: Arias Bardales Oscar Daniel Hernández Jiménez Jessica Liliana Oaxaca Beltrán Magda Karina López García José Arturo. Grupo: 2601-B
OBJETIVOS
Estudiar el funcionamiento de las “reacciones reloj” de yodo con persulfato .
Analizar los parámetros termodinámicos y cinéticos que rigen una reacción química.
Determinar el grado de avance de reacción por medio de una valoración
in situ.
Utilizar el método integral de determinación de constantes y el método de Powell.
INTRODUCCION En esta práctica se va a estudiar la reacción del ión persulfato con el yoduro en medio acuoso. Dicho proceso puede escribirse de acuerdo a la siguiente relación estequiométrica:
8− 3− → 24− − ………(1) En realidad se producen iones triyoduro al disolverse el yodo en la disolución de yoduro alcalino, con lo que la reacción sería:
2− − → 3− 46− ……….(2) Para conocer la velocidad de reacción utilizaremos las reacciones secundarias acopladas, mucho más rápidas que la muestra de estudio, que se conoce con el nombre reacciones reloj, que transcurren simultáneamente a la reacción principal objeto de estudio y que sirven para poder detectar la aparición de un punto final observable, con la vista, mediante un cambio brusco de color.
()2− → 2−()46−()……….(3) que corresponde a
ó → ……….(3) El yodo que aparece como producto de la reacción principal (1), se consume junto al tiosulfato en la muy rápida reacción de oxidación de ión a tetrationato (2). Cuando se ha consumido todo el tiosulfato, el I2 en exceso colorea la disolución formando un complejo azul con el almidón. En el esquema 1, que se muestra a continuación, quedan reflejadas estas reacciones.
GENERALIDADES
Una reacción reloj es una reacción química en la que un cambio de color súbito marca el final de la transformación de los reactivos en productos. El tiempo que transcurre hasta el final de la reacción depende de la concentración de las especies químicas implicadas en la misma. Este tipo de reacciones son muy utilizadas en el estudio de la cinética de las reacciones químicas, es decir, para conocer a qué velocidad tiene lugar una transformación química. Uno de los factores que afecta a esta velocidad es la concentración de los reactivos. Para una reacción del tipo: A + B → productos Para analizar la rapidez de la reacción se realiza un método integral conocido como “Método de Powell” y finalmente el método de determinación de constantes para conocer la constante de rapidez de la reacción. El método de Powell es específico de las cinéticas de la forma parámetros adimensionales α y φ como
= []. Se definen los
α = [A]/[A]0 y φ = akt[A]− 0 lo que permite graficar α vs. Φ para diferentes ordenes
Comparando la gráfica experimental con esta gráfica nos da el orden de la reacción y calculando las constantes de rapidez con el método que ya se conocía anteriormente
DESARROLLO EXPERIMENTAL Cinética de la reacción Reloj de Yodo con Persulfato
Sistema B
Sistema A
Etiquetar 5 tubos de ensaye como sistema B (IB-VB)
Etiquetar 5 tubos de ensaye y colocar una barra magnética (IA-VA)
En los tubos del sistema A en las cantidades descritas de la tabla
KI Na2SO4 Na2S2O4 Almidón
1 ml de la disolución de persulfato de Potasio
Colocar los tubos del sistema A en un termostato a T ambiente, sobre la parrilla de agitación
En los tubos del sistema B agregar la solución
Adicionar rápidamente la solución de persulfato del tubo IB a IA, colocar el cronómetro
Al minuto repetir los puntos anteriores a los siguientes tubos
Tomar la lectura del tiempo al cambio de color
Residuos
RESULTADOS
Tabla No. 1
REACCION
TIEMPO
I
6:53
II
11:58
III
17:51
IV
24:03
V
37.05
TRATAMIENTO Y ANALISIS DE RESULTADOS 1. Trace la escala termodinámica de potenciales para las especies en la mezcla de reacción. Proponga las reacciones termodinámicamente permitidas.
Tabla No.2 ION
POTENCIAL
Persulfato
− /− ) Tiosulfato ( − /− ) Yoduro ( /− ) (
−
2 -0.55 0.54
− Potencial
−
−
−
-0.55
0.54
2
Primera ecuación:
− − → − Segunda ecuación:
− − ↔ −
2. Explique porque no se lleva a cabo entonces la reacción termodinámicamente más favorecida. La reacción más favorable es aquella que involucra el oxidante más fuerte con el reductor más fuerte lo que indica que la reacción que debería llevarse a cabo es aquella entre el persulfato y el óxido de azufre sin embargo este no se lleva a cabo. Esta no se da ya que en un principio solo la especie del persulfato se encuentra en la solución, y una vez que el óxido de azufre se presenta, los iones sulfato evitan que esta reacción se lleve a cabo, permitiendo que el persulfato reaccione únicamente con el yodo, formando triyoduros, que reaccionen con el tiosulfato hasta que esta última especie se agote. 3. Proponga las reacciones que expliquen la aparición del color azul a tiempos diferentes. En primer lugar se llevara a cabo la reacción de yoduro de potasio con persulfato de potasio, esto se da de la siguiente forma:
− − → − Uno de los productos es el triyoduro de potasio, este reacciona a su vez con el tiosulfato de sodio formando tetratoniato de sodio de la siguiente manera:
− → − − Como producto de esta reacción se forman iones yoduro los cuales a su vez reaccionan nuevamente con el persulfato siguiendo el mismo proceso, esto continuara hasta que el tiosulfato se agote lo que provocara un exceso de triyoduro, a la primera gota de exceso de triyoduro en la reacción esta se tornara azul ya que se formara el complejo de triyoduroalmidón.
→ ( ) 4. Realice la tabla de cantidades molares a tiempo 0, tiempo t, para las reacciones que se llevan a cabo. Tabla No.3 Primera reacción I-
S2O82-
inicio
0.1508259
0.04997
reacciono
0.04997
0.04997
queda
0.1008559
0
inicio
0.1508259
0.04997
reacciono
0.04997
0.04997
queda
0.1008559
0
SISTEMA I
II
SO42-
I3-
0.0020008
0.04997
0.08
0.04997
III
IV
V
inicio
0.1508259
0.04997
reacciono
0.04997
0.04997
queda
0.1008559
0
inicio
0.1508259
0.04997
reacciono
0.04997
0.04997
queda
0.1008559
0
inicio
0.1508259
0.04997
reacciono
0.04997
0.04997
queda
0.1008559
0
0.06999
0.04997
0.05998
0.04997
0.04997
0.04997
Tabla No. 4 SEGUNDA I3-
S2O32-
inicio
0.04997
0.0100606
reacciono
0.0100606
0.0100606
queda
0.0399094
0
inicio
0.04997
0.0201212
reacciono
0.0201212
0.0201212
queda
0.0298488
0
inicio
0.04997
0.0301818
reacciono
0.0301818
0.0301818
queda
0.0197882
0
inicio
0.04997
0.0402424
reacciono
0.0402424
0.0402424
queda
0.0097276
0
inicio
0.04997
0.050303
reacciono
0.04997
0.04997
queda
0
0.000333
SISTEMA I
II
III
IV
V
S4O62-
I-
0.0100606
0.1109165
0.0201212
0.1209771
0.0301818
0.1310377
0.0402424
0.1410983
0.04997
0.1508259
5. Calcule las concentraciones iniciales de persulfato de potasio, yoduro de potasio, tiosulfato de sodio y sulfato de sodio en cada sistema.
Para el cálculo de las concentraciones se multiplicara la concentración real del respectivo compuesto por los mililitros agregados de cada solución: Tabla No. 5
Sistema
KI (mmol) 0.1508259
Na2S2O3 (mmol) 0.0100606
Na2SO4 (mmol) 0.04004
I II
0.1508259
0.0201212
0.03003
III
0.1508259
0.0301818
0.02002
IV
0.1508259
0.0402424
0.01001
V
0.1508259
0.050303
0
K2S2O8 (mmol) 0.04997 0.04997 0.04997 0.04997 0.04997
6. Calcule las concentraciones que han reaccionado, cuando apareció el color azul y las constantes de rapidez a cada tiempo para orden cero, uno y dos, determine el orden de reacción. La aparición de color se da al agotarse el tiosulfato como se explicó anteriormente, para que este se agotara era necesaria la presencia de triyoduro que surge de la reacción de persulfato con yoduro de potasio, considerando esto tomaremos como la concentración inicial la concentración del persulfato de potasio ya que por cada mol de persulfato obtendremos un mol de triyoduro. Para determinar el valor de x que es lo que ha reaccionado tomaremos la concentración del tiosulfato, ya que este nos marca el final de la reacción, por lo que al agotarse se dará el cambio de coloración. Por lo tanto x será ½ de la concentración de tiosulfato en cada caso. Tabla No. 6 Sistema
Tiempo (s)
x
=
= [ − ] = ( )
I
413
0.0050303
1.21799E-05
0.000256904
0.005423808
II
718
0.0100606
1.4012E-05
0.000313107
0.007026109
III
1071
0.0150909
1.40905E-05
0.0003357
0.008084461
IV
1443
0.0201212
1.3944E-05
0.000357088
0.009348702
V
2225
0.0251515
1.1304E-05
0.000314532
0.009114839
Una vez obtenidos los valores de la constante de rapidez se determinara el orden de reacción por el método integral gráfico, graficando la respectiva columna contra tiempo de la siguiente tabla: Tabla No. 7
Sistema
Tiempo (s)
x
[ − ]
( )
I
413
0.0050303
0.106101234
2.240032751
II
718
0.0100606
0.22481094
5.044746342
III
1071
0.0150909
0.359535029
8.658457343
IV
1443
0.0201212
0.515278187
13.49017714
V
2225
0.0251515
0.699833483
20.28051652
Grafica No 1.
Orden 0 0.03 0.025 0.02 x 0.015
y = 1E-05x + 0.0021 R² = 0.9578
0.01 0.005 0 0
500
1000
1500
Tíempo (s)
Grafica No.2
2000
2500
Orden 1 0.8 0.7 0.6 ) ) 0.5 X 0
A ( / 0.4 0
A ( n 0.3 l
y = 0.0003x - 0.0076 R² = 0.9836
0.2 0.1 0 0
500
1000
1500
2000
2500
Tíempo (s)
Grafica No.3
Orden 2 25
20 y = 0.0102x - 1.9759 R² = 0.9956
) x 15 0
A (
0
A / x 10
5
0 0
500
1000
1500
2000
2500
Tíempo (s)
Como podemos ver la reacción resulta ser de orden dos ya que en este modelo se presenta el valor más cercano a uno con un valor de R 2=0.9956.
7. Calcule la fracción que ha reaccionado de persulfato y determine el orden de reacción por el método de Powell. Tabla No. 8 Sistema
Tiempo (s)
= ( )
Log ϴ
I II III IV V
413 718 1071 1443 2225
0.8993336 0.7986672 0.6980008 0.597334401 0.496668001
-0.944032782 -0.873957013 -0.783668443 -0.662947924 -0.493291295
Al llevar a cabo la gráfica de Powell como se muestra posteriormente encontramos un orden de reacción aproximado a ½. Para encontrar el valor de ϴ se realizó la siguiente operación:
− 1 = 1 Dónde: n= 2 por el orden de reacción hallado en el método integral. Grafica No. 4
Grafica de Powell 1 0.9 0.8
y = -0.8776x + 0.0384 R² = 0.9698
0.7 0.6 0.5
A
X
0.4 0.3 0.2 0.1 0 -1
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
LOG(T) SEG
8. Determine la fuerza iónica de cada uno de los sistemas. Tabla No. 9 Sistema
KI
Na2S2O3
Na2SO4
K2S2O8
µ
I
0.1508259
0.0251515
0.1001
0.04997
0.3260474
II
0.1508259
0.050303
0.075075
0.04997
0.3261739
III
0.1508259
0.0754545
0.05005
0.04997
0.3263004
IV
0.1508259
0.100606
0.025025
0.04997
0.3264269
V
0.1508259
0.1257575
0
0.04997
0.3265534
0
Se calculó la fuerza iónica mediante la ecuación de Debye-Hückel
= 12 ∑ Donde…
= ó ) = ó ó ( Primero a partir de la tabla número 5 que es de las concentraciones en el sistema de cada solución. Para conocer las cargas se utilizan las reacciones de las soluciones.
→ + − → + − → + − → Para el cálculo del sistema se procede a realizar la suma de las fuerzas iónicas
= 4 8 9. ¿Encontró valores diferentes en la fuerza iónica?, si su respuesta es afirmativa, como afecta la variación de la fuerza iónica en la rapidez de la reacción. La diferencia entre las fuerzasiónicas fue un poco cambiante, esto afecta a la rapidez de la reacción ya que los valores de las fuerzas iónicas las cuales afectan a la constante de rapidez de reacción, cuando es incrementada la fuerza iónica las reacciones que se encuentran entre iones de cargas iguales aumentan su constante de velocidad, pero si estos iones son de carga opuesta disminuye la constante de velocidad así como la variación de la fuerza iónica varia mediante al adición de una sal inerte, llamado efecto salino primario.
CONCLUSION En primer lugar cabe mencionar que fue posible observar una reacción reloj, con ello nos referimos que observamos la aparición de un color azul a partir de la mezcla de componentes. Se comprendió que para que la reacción reloj se lleve a cabo es necesario un exceso de triyoduro mismo que se dio en nuestra reacción al hacer reaccionar persulfato con yodo, y posteriormente formando un complejo triyoduro-almidon y así permitiendo identificar el fin de la misma reacción. Se observó que las constantes de rapidez incrementaban al incrementar la concentración de tiosulfato, es evidente ya que al tener más tiosulfato en la mezcla este tardara más en consumirse por lo que la valoración tendrá una mayor duración. Por otra parte podemos
considerar que al disminuir la presencia de sulfato puede provocar que la reacción sea más lenta, ya que la reacción más favorecida se llevara a cabo con mayor facilidad. Por otra parte observamos la utilidad de los modelos tanto el de Powell como el método integral para la determinación de una reacción, sin embargo en esta ocasión no coincidieron ambos métodos lo que puede indicar un error experimental, específicamente hablando en los tiempos tomados y a causa de no contar con el material requerido como lo fueron los agitadores magneticos en una parte de la experimentación.
BIBLIOGRAFIA Vargas, M. & Obaya, A. (2005). Cálculo de parámetros de rapidez en cinética química y enzimática. México: Universidad Nacional Autónoma de México.
