PRÁCTICA NO. 9 DESCOMPOSICIÓN CATALÍTICA DEL PERÓXIDO DE HIDRÓGENO Grupo: 32 Equipo: 3 “Los huachinangos” González Jiménez José Manuel, Morales Oliver Axel Javier y Zendejas López Emilio Fecha de entrega: 18 de mayo de 2017
Objetivos generales
ser complejas estructuras proteicas. La catalasa puede reducir la energía de activación de la descomposición del peróxido de hidrógeno a 8 kJ mol -1.
Analizar el efecto que tiene la adición de un catalizador sobre la rapidez de una reacción.
Objetivos particulares
Un catalizador no modifica la constante de equilibrio de una reacción química, pero si modifica la constante cinética, es decir la constante de velocidad.
a) Aplicar el método integral para evaluar las constantes de rapidez de reacción a diferentes concentraciones de catalizador. b) Seleccionar la técnica analítica adecuada para seguir el avance de la reacción. c) Determinar el orden de reacción respecto al sustrato y al catalizador.
Reacción operativa: K 2Cr2O 7 H 2 O( l) H 2O2 ( ac) k
1 2
O2 ( g)
Introducción La cinética química es el estudio de las velocidades y mecanismos de las reacciones químicas. La idea central de la cinética química radica, en que controlando la velocidad a la que discurren las reacciones químicas y determinando la dependencia de esta velocidad con los parámetros del sistema, como temperatura, concentración y presión, podemos profundizar en el mecanismo mecanismo de reacción. reacción.
Figura 1. Peróxido 1. Peróxido de hidrógeno.
Para obtener la constante aparente (k ap ap) a diferentes concentraciones de catalizador es necesario establecer una ecuación que nos relacione el volumen y el tiempo, según el orden de la reacción. Orden cero:
V
Un catalizador es una sustancia que participa en las reacciones químicas aumentando la velocidad de la reacción, aunque el catalizador queda intacto después de completarse la reacción. La función general de un catalizador es proporcionar un mecanismo adicional por el que los reactantes se convierten en productos. La energía de activación, E a, será más baja en comparación a la reacción original ausente de catalizador.
max
V
O2
kt Vma x
(0.1)
Primer orden:
ln Vmax
VO
2
kt
ln Vmax
(0.2)
Vmax
(0.3)
Segundo orden:
1 Vmax
VO
2
kt
1
Para conocer la constante de catálisis, asociada al K 2Cr 2O7 se tiene la siguiente ecuación:
kap
Los catalizadores pueden ser muy efectivos; por ejemplo, la energía de activación para la descomposición del peróxido de hidrógeno en disolución es de 76 kJ mol -1, siendo lenta a temperatura ambiente. Si se añade una pequeña cantidad de yoduro la energía de activación disminuye a 57 kJ mol -1 y la constante de velocidad aumenta en un factor de 2000, además existen catalizadores biológicos, llamados enzimas, enzimas, que se caracteriz caracterizan an por
kcat K 2Cr2O7 k0
(0.4)
Metodología 1. Colocar en un matraz Kitasato cinco mililitros de peróxido de hidrógeno. 2. Agregar agua a la probeta, dejando un espacio libre de aproximadamente 8 cm. 3. Sumergir la probeta en el agua y conectar la manguera al matraz Kitasato.
1
4. Tomar 1.5 mL de dicromato de potasio con una jeringa, agregar el contenido al matraz y taparlo con un tapón de hule. 5. Iniciar el cronometro justo cuando se adicioné el dicromato y tomar la lectura del volumen cada 30 segundos. 6. Registrar los datos hasta que el volumen desplazado se mantenga constante. 7. Abrir la manguera y desechar el residuo. 8. Repetir los pasos 4, 5, 6 y 7 pero con diferentes volúmenes de catalizador (K 2Cr 2O7), es decir, 1.5, 2 y 2.5 mL.
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51
Figura 2. Sistema experimental.
Resultados Se obtuvieron experimentales:
los
siguientes
resultados
Tabla 1. Datos experimentales para 1.5 mL de catalizador.
Dato 1 2 3 4 5 6 7 8 9
T (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240
V (mL) 5.0 5.6 5.8 6.1 6.3 6.7 7.1 7.4 7.8
V 0 (mL) 0.0 0.6 0.8 1.1 1.3 1.7 2.1 2.4 2.8
270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1380 1410 1440 1470 1500
8.0 8.4 8.7 8.9 9.2 9.5 9.8 10.1 10.4 10.6 10.8 11.0 11.2 11.4 11.6 11.6 11.9 12.1 12.3 12.5 12.7 12.8 12.9 13.1 13.3 13.4 13.6 13.7 13.7 13.9 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.7 14.8 14.8 14.9 15.0 15.0 15.0
3.0 3.4 3.7 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 6.6 6.9 7.1 7.3 7.5 7.7 7.8 7.9 8.1 8.3 8.4 8.6 8.7 8.7 8.9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.7 9.8 9.8 9.9 10.0 10.0 10.0
A los datos de volumen se les restó el volumen inicial con el objeto de ajustar el volumen inicial a cero, y el volumen máximo, el cual hace referencia al valor de volumen que se mantuvo constante al terminar la reacción de descomposición del peróxido de hidrogeno catalizada. 2
Posteriormente se calcularon las expresiones para relacionar el volumen y el tiempo, con base en las ecuaciones (0.1), (0.2) y (0.3). Tabla 2. Datos para orden cero, uno y dos con 1.5 mL de catalizador.
Dato
Vmax - V0
ln (Vmax - V0)
1/(Vmax-V0)
1
10.0
2.3026
0.1000
2
9.4
2.2407
0.1064
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
9.2 8.9 8.7 8.3 7.9 7.6 7.2 7.0 6.6 6.3 6.1 5.8 5.5 5.2 4.9 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.4 3.1 2.9 2.7 2.5 2.3 2.2 2.1 1.9 1.7 1.6 1.4 1.3 1.3 1.1 0.9
2.2192 2.1861 2.1633 2.1163 2.0669 2.0281 1.9741 1.9459 1.8871 1.8405 1.8083 1.7579 1.7047 1.6487 1.5892 1.5261 1.4816 1.4351 1.3863 1.3350 1.2809 1.2238 1.2238 1.1314 1.0647 0.9933 0.9163 0.8329 0.7885 0.7419 0.6419 0.5306 0.4700 0.3365 0.2624 0.2624 0.0953 -0.1054
0.1087 0.1124 0.1149 0.1205 0.1266 0.1316 0.1389 0.1429 0.1515 0.1587 0.1639 0.1724 0.1818 0.1923 0.2041 0.2174 0.2273 0.2381 0.2500 0.2632 0.2778 0.2941 0.2941 0.3226 0.3448 0.3704 0.4000 0.4348 0.4545 0.4762 0.5263 0.5882 0.6250 0.7143 0.7692 0.7692 0.9091 1.1111
0.8 0.7 0.6 0.5 0.3 0.2 0.2 0.1 0.0 0.0 0.0
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51
-0.2231 -0.3567 -0.5108 -0.6931 -1.2040 -1.6094 -1.6094 -2.3026 #¡NUM! #¡NUM! #¡NUM!
1.2500 1.4286 1.6667 2.0000 3.3333 5.0000 5.0000 10.0000 #¡DIV/0! #¡DIV/0! #¡DIV/0!
Orden cero 10.0
y = -0.0076x + 9.0156 R² = 0.9766
8.0 0
V 6.0 x a m
V
4.0 2.0 0.0 0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo (s)
Gráfica 1. Orden cero para el volumen de 1.5 mL de catalizador.
Primer orden 3.0000
y = -0.0019x + 2.4323 R² = 0.9837
2.5000 ) 0 V 2.0000 x a m
1.5000
V ( 1.0000 n l
0.5000 0.0000 0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo (s)
Gráfica 2. Primer orden para el volumen de 1.5 mL de catalizador .
Segundo orden 1.0000 0.8000
y = 0.0006x - 0.0161 R² = 0.8387
0
V 0.6000 x a m
0.4000
V / 0.2000 1
0.0000 -0.2000
0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo (s)
Gráfica 3. Segundo orden para el volumen de 1.5 mL de catalizador.
3
Tabla 3. Datos experimentales para 2.0 mL de catalizador.
Tabla 4. Datos para orden cero, uno y dos con 2.0 mL de catalizador.
Dato
T (s)
V (mL)
V 0 (mL)
1
0
6.0
0.0
Dato
Vmax - V0
ln (Vmax - V0)
1/(Vmax-V0)
2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320
6.5 6.9 7.3 7.9 8.3 8.8 9.2 9.7 10.0 10.4 10.7 11.0 11.3 11.7 12.0 12.3 12.6 12.9 13.2 14.6 15.6 15.9 16.3 16.5 16.6 16.8 17.2 17.8 17.8 18 18 18.2 18.3 18.5 18.6 18.6 18.7 18.7 18.8 18.9 19.2 19.3 19.3 19.3
0.5 0.9 1.3 1.9 2.3 2.8 3.2 3.7 4.0 4.4 4.7 5.0 5.3 5.7 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 8.6 9.6 9.9 10.3 10.5 10.6 10.8 11.2 11.8 11.8 12.0 12.0 12.2 12.3 12.5 12.6 12.6 12.7 12.7 12.8 12.9 13.2 13.3 13.3 13.3
1
13.3
2.5878
0.0752
2
12.8
2.5494
0.0781
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
12.4 12.0 11.4 11.0 10.5 10.1 9.6 9.3 8.9 8.6 8.3 8.0 7.6 7.3 7.0 6.7 6.4 6.1 4.7 3.7 3.4 3.0 2.8 2.7 2.5 2.1 1.5 1.5 1.3 1.3 1.1 1.0 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.4 0.1 0.0 0.0 0.0
2.5177 2.4849 2.4336 2.3979 2.3514 2.3125 2.2618 2.2300 2.1861 2.1518 2.1163 2.0794 2.0281 1.9879 1.9459 1.9021 1.8563 1.8083 1.5476 1.3083 1.2238 1.0986 1.0296 0.9933 0.9163 0.7419 0.4055 0.4055 0.2624 0.2624 0.0953 0.0000 -0.2231 -0.3567 -0.3567 -0.5108 -0.5108 -0.6931 -0.9163 -2.3026 #¡NUM! #¡NUM! #¡NUM!
0.0806 0.0833 0.0877 0.0909 0.0952 0.0990 0.1042 0.1075 0.1124 0.1163 0.1205 0.1250 0.1316 0.1370 0.1429 0.1493 0.1563 0.1639 0.2128 0.2703 0.2941 0.3333 0.3571 0.3704 0.4000 0.4762 0.6667 0.6667 0.7692 0.7692 0.9091 1.0000 1.2500 1.4286 1.4286 1.6667 1.6667 2.0000 2.5000 10.0000 #¡DIV/0! #¡DIV/0! #¡DIV/0!
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
4
8 9
Orden cero 15.0
10 11 12 13
y = -0.0132x + 12.997 R² = 0.9863
10.0 0
V -
5.0
x a m
V
14 15
0.0 0
200
400
-5.0
600
800
1000
1200
Tiempo (s)
16 17
Gráfica 4. Orden cero para el volumen de 2.0 mL de catalizador.
18 19 20 21 22 23 24 25 26
Primer orden 3.5000 3.0000
y = -0.0026x + 2.9137 R² = 0.9323
) 0 V 2.5000 -
2.0000
x a m
1.5000
V ( n 1.0000 l
0.5000 0.0000 0
200
400
600
800
1000
1200
27 28 29
Tiempo (s)
Gráfica 5. Primer orden para el volumen de 2.0 mL de catalizador.
30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Segundo orden 1.2000 1.0000 0
0.8000
x a m
0.6000
V -
y = 0.0008x - 0.0951 R² = 0.7499
V 0.4000 / 1 0.2000
0.0000 -0.2000 0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo (s)
Gráfica 6. Segundo orden para el volumen de 2.0 mL de catalizador.
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51
Tabla 5. Datos experimentales para 2.5 mL de catalizador.
Dato
T (s)
V (mL)
V 0 (mL)
1
0
5.0
0.0
2
30
5.7
0.7
3 4 5 6 7
60 90 120 150 180
6.1 6.6 7.2 7.7 8.2
1.1 1.6 2.2 2.7 3.2
5
210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1380 1410 1440 1470 1500
8.7 9.3 9.8 10.6 11.1 11.6 11.9 12.3 12.6 13 13.3 13.6 13.9 14.2 14.5 14.8 15 15.2 15.5 15.8 16.1 16.2 16.4 16.7 16.8 17.0 17.1 17.3 17.4 17.7 17.8 17.8 17.9 17.9 17.9 18 18.1 18.3 18.4 18.5 18.5 18.6 18.6 18.6
3.7 4.3 4.8 5.6 6.1 6.6 6.9 7.3 7.6 8 8.3 8.6 8.9 9.2 9.5 9.8 10 10.2 10.5 10.8 11.1 11.2 11.4 11.7 11.8 12 12.1 12.3 12.4 12.7 12.8 12.8 12.9 12.9 12.9 13 13.1 13.3 13.4 13.5 13.5 13.6 13.6 13.6
Tabla 6. Datos para orden cero, uno y dos con 2.5 mL de catalizador.
Dato
Vmax - V0
ln (Vmax - V0)
1/(Vmax-V0)
1
13.6
2.6101
0.0735
2
12.9
2.5572
0.0775
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
12.5 12.0 11.4 10.9 10.4 9.9 9.3 8.8 8.0 7.5 7.0 6.7 6.3 6.0 5.6 5.3 5.0 4.7 4.4 4.1 3.8 3.6 3.4 3.1 2.8 2.5 2.4 2.2 1.9 1.8 1.6 1.5 1.3 1.2 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.7 0.6 0.5 0.3
2.5257 2.4849 2.4336 2.3888 2.3418 2.2925 2.2300 2.1748 2.0794 2.0149 1.9459 1.9021 1.8405 1.7918 1.7228 1.6677 1.6094 1.5476 1.4816 1.4110 1.3350 1.2809 1.2238 1.1314 1.0296 0.9163 0.8755 0.7885 0.6419 0.5878 0.4700 0.4055 0.2624 0.1823 -0.1054 -0.2231 -0.2231 -0.3567 -0.3567 -0.3567 -0.5108 -0.6931 -1.2040
0.0800 0.0833 0.0877 0.0917 0.0962 0.1010 0.1075 0.1136 0.1250 0.1333 0.1429 0.1493 0.1587 0.1667 0.1786 0.1887 0.2000 0.2128 0.2273 0.2439 0.2632 0.2778 0.2941 0.3226 0.3571 0.4000 0.4167 0.4545 0.5263 0.5556 0.6250 0.6667 0.7692 0.8333 1.1111 1.2500 1.2500 1.4286 1.4286 1.4286 1.6667 2.0000 3.3333
0.2 0.1 0.1 0.0 0.0 0.0
46 47 48 49 50 51
-1.6094 -2.3026 -2.3026 #¡NUM! #¡NUM! #¡NUM!
5.0000 10.0000 10.0000 #¡DIV/0! #¡DIV/0! #¡DIV/0!
Orden cero 15.0 0
V 10.0 x a m
y = 0.0117x + 1.4509 R² = 0.9602
V 5.0
0.0 0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo (s)
Gráfica 7. Orden cero para el volumen de 2.5 mL de catalizador.
Primer orden 3.0000
y = -0.0023x + 2.7552 R² = 0.9874
2.5000 ) 0 V 2.0000 x a m
1.5000
V ( 1.0000 n l
0.5000 0.0000 0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo (s)
Gráfica 8. Primer orden para el volumen de 2.5 mL de catalizador.
Segundo orden 1.0000 0.8000
y = 0.0006x - 0.043 R² = 0.8288
0
V 0.6000 x a m
0.4000
V / 0.2000 1
0.0000 -0.2000
0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo (s)
Gráfica 9. Segundo orden para el volumen de 2.5 mL de catalizador.
Una vez que se obtuvieron las gráficas para cada evento, se elige el orden en el que el coeficiente de correlación sea lo más cercano a uno, en este caso fue para primer orden. 6
Para calcular la constante asociada al catalizador es necesario obtener la concentración de K 2Cr 2O7 para cada evento. Para el primer experimento se usaron 5 mL de H 2O2 y 1.5 mL de K 2Cr 2O7 de concentración inicial 0.01 mol/L.
1.5 mL 0.01 mol L
1
C2
5 mL 1.5 mL
3
2.31 10
1. ¿Del conjunto de gráficas para cada volumen de catalizador utilizado, cuál de ellas se aproxima más a una recta y cuál es su coeficiente de correlación? Las que corresponden reacciones de primer orden. 2. ¿Cuál es el orden de la reacción? Es de primer orden. 3. ¿Cuál es la constante aparente k ap de rapidez de la reacción para cada volumen de catalizador? Se reportan en la Tabla 7 . 4. ¿Cuáles son las unidades de la constante de rapidez aparente? K ap = [s-1] 5. ¿Qué forma tiene la gráfica de ln k[cat]?, ¿Qué significado tiene la pendiente de ésta gráfica?, ¿Qué significado tiene la ordenada al origen? La gráfica no presenta un comportamiento lineal, seguramente esto se debe a que en el tercer experimento no se tomó de manera correcta el volumen a cada intervalo de tiempo, modificando la constante aparente. La pendiente, con base en la ecuación (0.4) es la corresponde a la constante de catálisis del K 2Cr 2O7. Mientras que la ordenada al origen es la constante de descomposición del peróxido de hidrógeno.
1
mol L
Para el segundo experimento se usaron 5 mL de H 2O2 y 2.0 mL de K 2Cr 2O7.
2.0 mL 0.01 mol L
1
C2
5 mL 2.0 mL
3
2.86 10
1
mol L
Para el tercer experimento se usaron 5 mL de H 2O2 y 2.5 mL de K 2Cr 2O7.
2.5 mL 0.01 mol L
1
C2
5 mL 2.5 mL
3
3.3310
1
mol L
Con los datos de concentración y las constantes aparentes para cada evento (Tabla 7 ), se construyó la Gráfica 10, para obtener la constante de catálisis. Tabla 7. Concentración y constantes aparentes.
Experimento 1 2 3
[K2Cr2O7] 2.31E-03 2.86E-03 3.33E-03
kap 1.86E-03 2.65E-03 2.28E-03
Conclusiones: Se pudo observar el comportamiento de la velocidad de la reacción química con distintas concentraciones de catalizador, encontrando que lo único que varía es la constante de rapidez de la reacción, y no el orden de la reacción, ya que, para los 5 experimentos, con distintas concentraciones de catalizador, el orden de la reacción fue 1, ajustándose a la gráfica [A] vs. t. Los valores de las constantes fueron también muy similares, puesto que no mostraron variaciones grandes, sin embargo, experimentalmente se observó que la mayor concentración de catalizador, favorecía el mayor volumen de oxígeno en menor tiempo.
Constante de catálisis 2.90E-03 2.70E-03 2.50E-03 p a
2.30E-03
k 2.10E-03
y = 0.4824x + 0.0009 R² = 0.3919
1.90E-03 1.70E-03
1.50E-03 2.00E-032.20E-032.40E-032.60E-032.80E-033.00E-033.2 0E-033.4 0E-03
[K2Cr2O7]
Gráfica 10. Constante de catálisis.
kcat
0.4824 L mol
1
Referencias k0 0.0009 s
1
[1] Levine, I. N. (2004). Fisicoquímica (Quinta ed., Vol. II). España: McGraw-Hill. [2] Hernández Segura, G. O. Descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno , Departamento de Fisicoquímica, Facultad de Química, UNAM.
Análisis y discusión de resultados
7
[3] Atkins, P. W. (1999). Química Física (Sexta ed.). España: Ediciones Omega. [4] Castellan, G. W. (1998). Fisicoquímica (Segunda ed.). México: Pearson Addison Wesley.
8
