Reporte Prac 9. Decomp a de Peroxido

LABORATORIO DE EQUILIBRIO Y CINÉTICA

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DESCOMPOSICIÓN DESCOMPOSICIÓN CATALÍTICA DEL PERÓXIDO DE HIDRÓGENO Martínez Velázquez David Paniagua Gutiérrez Héctor Omar Resumen La rapidez de una reacción no solo depende de la presión, temperatura y la concentración de los reactivos, también depende de la presencia y concentración de un catalizador que es una una susta sustanc ncia ia quím química ica que que afec afecta ta la veloc velocida idad d de la reacci reacción ón,, aume aumentá ntánd ndol ola a o disminuy disminuyénd éndola, ola, sin reaccion reaccionar, ar, es decir, decir, el cataliz catalizado adorr no reaccion reacciona, a, solo afecta la reacción. Esto se ve reflejado en el valor de la constante de rapidez de la reacción, mas no en su orden. El objetivo de esta práctica es encontrar el valor de las constantes de rapidez rapidez de la reacción reacción de descomp descomposic osición ión de peróxido peróxido de hidróge hidrógeno no cataliza catalizada da con dicromato de potasio. Para tal fin se midieron los volúmenes de oxigeno producidos por la reacción reacción con diferent diferentes es concentr concentracio aciones nes de cataliz catalizado ador, r, así mismo mismo se elaborar elaboraron on las gráficas correspondientes para encontrar el orden de la reacción. Se encontró que la reacción se ajusta a la gráfica A vs. t, por lo que se concluye que es una reacción de orden cero, a pesar de usar diferentes concentraciones concentraciones de catalizadores, catalizadores, el único cambio es la constante de rapidez mas no el orden de la reacción.

Introducción Dentro del estudio del comportamiento de las reacciones químicas en cuanto a la cinética de reacción, encontramos que la rapidez con que se lleva a cabo una reacción está determinada determinada por la presión, la temperatura, temperatura, la concentración concentración de los reactivos y finalmente por la presencia y concentración de un catalizador. Un catalizador es una sustancia que afecta la reacción química en cuanto la velocidad en que se lleva a cabo; si la favorece, se le llama simplemente catalizador, y si la retrasa se le llama inhibidor. Los catalizadores no toman parte dentro de la reacción química, cuando mucho forman intermediarios, pero regresan a su estado original y pueden existir dos tipos: tipos: La catálisis catálisis homogéne homogénea, a, cuando cuando el cataliza catalizador dor está está en la misma misma fase que los reactivos y catálisis heterogénea cuando , el catalizador está en una fase distinta a los reactivos. Por medio medio de la ley de rapidez rapidez de una reacción reacción podemo podemos s determinar determinar la constante constante de rapidez de una reacción:

En esta ecuación encontramos una constante aparente de rapidez, ya que puede estar involucrada la concentración de un catalizador en fase homogénea. En esta práctica se estudiará la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno:

DESCOMPOSICIÓN CATALÍTICA DEL PERÓXIDO DE HIDRÓGENO 1 DESCOMPOSICIÓN


A la cual cual se le agrega agregará rá un catal cataliz izad ador or para para acel aceler erar ar la reac reacci ción ón comportamiento de la misma.

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y obse observ rvar ar el

El principal objetivo de la práctica es encontrar la constante aparente de rapidez de la reac reacci ción ón afec afecta tada da por por un cata catali liza zado dorr e iden identi tifi fica carr el orde orden n de reac reacci ción ón para para la descomposición de peróxido de hidrógeno.

Planteamiento del problema y Desarrollo Experimental En esta práctica se observó el comportamiento de la reacción de descomposición de peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador, en este caso el dicromato de potasio. La reacción a realizar es:

Para tal fin se midieron los volúmenes de oxígeno producidos en la reacción: En una probeta de 60cm de altura aproximadamente, se colocó una bureta graduada sin punta punta y se llenó llenó de agua, agua, ajust ajustan ando do el nivel nivel del del agua agua en la marca marca dónde dónde inicia inicia la graduación graduación de la probeta. Con una manguera se conectó la probeta a un matraz kitazato, dónde se colocaron 5mL de peróxido de hidrógeno 1.5%. Se puso un tapón de hule al matraz y se introdujo una aguja con una solución de permanganato de potasio 0.01M. En el primer experimento se agregaron con la aguja 0.5mL de catalizador y se midieron los volúmenes producidos de oxigeno con la bureta. En el experimento dos se agregaron 0.7mL de catalizador, midiendo de igual manera. En el experimento tres, se agregó 1mL de catalizador. En el cuarto experimento se agregaron 1.2mL Y en el quinto experimento se agregaron 1.5mL de catalizador. Al obtener obtener los volúmen volúmenes es de oxígeno oxígeno,, se puso puso saber saber la concentr concentració ación, n, se realizaro realizaron n gráficos V vs. t; ln V vs. t y 1/V vs. t para determinar el orden de la reacción. Así mismo se realizó un gráfico ln K vs ln [CAT].



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Resultados I)

Resultados ex experimentales.

NOTA: Los tiempos no llevan en algunos casos coherencia, porque en ellos no se registró cambio de volumen alguno, por lo que fueron eliminados para evitar problemas en sus correspondientes correspondientes gráficos, así como para evitar inconsistencias inconsistencias matemáticas como el ln 0 o bien la división entre 0. Tabla 1. Volúmenes de O 2 registrados a diversos valores de tiempo al agregar 0.5 mL de catalizador catalizador K2Cr 2O7.

Tiempo (t) (min) 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Volumen de O2 generado (V) (mL) 0.2 0.3 0.4 0.7 0.9 1 1.2 1.3 1.5

Tabla 2. Volúmenes de O 2 registrados a diversos valores de tiempo al agregar 0.7 mL de catalizador catalizador K2Cr 2O7.

Tiempo (t) (min) 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

Volumen de O2 generado (V) (mL) 0.4 0.8 1.7 2.6 3.3 3.7 4 4.5 4.9



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Tabla 3. Volúmenes de O 2 registrados registrados a diversos valores de tiempo al agregar 1.0 mL de catalizador catalizador K2Cr 2O7.

Tiempo (t) (min) 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Volumen de O2 generado (V) (mL) 0.2 0.4 0.8 1.3 1.8 2.2 2.8 3.2 3.7


Tiempo (t) (min) 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Volumen de O2 generado (V) (mL) 0.3 0.6 1 1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8


Tiempo (t) (min) 1.5 2 2.5

Volumen de O2 generado (V) (mL) 0.1 0.8 1.4



3 3.5 4 4.5 5 5.5

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1.9 2.5 3.1 3.6 4.3 5.2

Como en la ocasión anterior se mencionó, la constante de rapidez de una reacción, ya definida como la constante de proporcionalidad entre la rapidez de reacción y el cambio de la concentración de los reactivos o las especies presentes, de acuerdo a la expresión:

Donde r es la rapidez de reacción, k la constante de rapidez, A la concentración de los reactivos i presentes y n el orden de reacción. No precisó precisó mantene mantenerse rse tan constant constante e como como se creía, creía, ya que se postular postularon on algunos algunos factores que influían en el valor de la misma, como por ejemplo la temperatura, tal y como lo propuso Arrhenius con su expresión:

Donde k es la constante de rapidez, k 0 es el factor de frecuencia, E a es la energía de activación del sistema, R constante de los gases ideales y T la temperatura del sistema. La cual de manera general, general, indica que si la temperatura temperatura del sistema en análisis aumenta, aumenta, también el valor de nuestra constante lo hará y viceversa, de manera que con tales características, características, se pensó en la influencia influencia de otras variables variables en dicha constante, constante, por lo que recordando la expresión:

Que proponía proponía una relación relación proporcio proporcional nal entre entre el cambio cambio de la concent concentraci ración ón de los reactivos en función del tiempo para su transformación en productos, y el volumen de aparició aparición n de los últimos últimos mencion mencionado ados, s, se extraje extrajeron ron algunas algunas otras otras propied propiedade ades s que podían modificar nuestra constante, como era el caso, de la presión, la concentración de los reactivos, y por ultimo lo catalizadores. De manera que con esto se puso un especial énfasis en el estudio de los últimos, teniendo así, que definidos como aquellas sustancias químicas que tienden a acelerar una reacción química, se platean como un punto de análisis importante para observar su influencia en la velocidad de reacción, y sobre todo en el valor de la constante ya mencionada.



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Por lo que pasando al plano experimental, y siguiendo el método gráfico ya conocido para la determinación de las constantes de rapidez y orden de reacción, esto es trazando los gráficos: Para orden 0; A vs t Para orden 1; ln A vs t Para orden 2; 1/A vs t Donde A es la concentración y t el tiempo transcurrido. • • •

Procederemos directamente a ver la afección que tendría añadir un catalizador sobre nuestra constante y sobre el orden de reacción. Por lo que solo basta añadir, que dado ahora no se utiliza el espectrofotómetro como herramienta para la construcción de la curva patrón y obtener las concentraciones A requeridas para el trazo de los gráficos, dado conocemos la relación directa entre la concentración molar A y el volumen V por la expresión:

Donde A es la concentración molar definida como el número de moles (n) contenidos en 1 litro de disolución (V). Procederemos a trazar volúmenes de producto generado, que en este caso será graficar los diferentes volúmenes de O 2 generado en ves de la concentración molar del mismo, suponiendo la reacción:

A difer diferen entes tes tiemp tiempos, os, lo que que nos nos permi permitir tirá á obten obtener er los valor valores es ya menc mencion ionad ados os,, prosiguiendo así con los siguientes cálculos. I)

Algoritmo de cálculo.

Tal y como se mencionó, mencionó, se procederá a trazar una serie de gráficos V (volumen) vs t, ya que como mencionamos, se puede intercambiar A por V por su estrecha relación con la definici definición ón de concent concentració ración n molar molar (4), por lo que con esto, esto, podremo podremos s determin determinar ar la constante de rapidez y el orden de reacción, para diversos volúmenes agregados de catalizador, el cual para este caso será de K 2Cr 2O7 sobre la reacción de descomposición del peróxido de hidrogeno en agua y oxigeno:

De manera que para ver tal relación, haremos haremos uso una vez más de los gráficos A vs t, lnA vs t, y 1/A vs t, para asignar el orden de reacción, y planteando el mismo, sobre el gráfico más parecido a un recta, y de cuya ecuación (ecuación de la recta), determinaremos la constante de rapidez, a partir de la pendiente m, la cual tomará un valor de k, indicando



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únicamente que los gráficos serán ahora: V vs t, lnV vs t y 1/V vs t para los ordenes 0, 1 y 2 correspondientemente. Permitiéndonos así ver la consecuencia que pudiera traer la presencia de un catalizador sobre la constante de rapidez y el orden de reacción.

a) Gráficos para 0.5 mL de K 2Cr 2O7. Tabla 6. Tabulación para las gráficas V vs t.; ln V vs t., y 1/ V vs t. para la determinación del orden de reacción.

Tiempo (t) (min)

Volumen de O2 mL (V)

1

0.2

1.5

0.3

2

0.4

2.5

i)

0.7

3 3.5

0.9 1

4

1.2

4.5

1.3

5

1.5

Ln V 1.609437 91 1.203972 8 0.916290 73 0.356674 94 0.105360 52 0 0.182321 56 0.262364 26 0.405465 11

1/V (1/mL) 5 3.33333 333 2.5 1.42857 143 1.11111 111 1 0.83333 333 0.76923 077 0.66666 667

Fig Figura 1.Grá .Gráfi fic co V vs t suponien iendo orde rden 0.



ii) ii)

Figu Figura ra 2.Gr 2.Gráf áfic ico o ln ln V vs t sup supon onie iend ndo o 1er 1er orde orden. n.

iii) iii)

Figu Figura ra 3.Gr 3.Gráf áfic ico o 1/V 1/V vs t sup supon onie iend ndo o 2° 2° ord orden en..

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•

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De manera que de acuerdo con los gráficos mostrados, podemos determinar que la figura más parecida a la recta buscada la posee la Figura 1, con ecuación:

Por lo que a partir de esta ecuación, y recordando que m=k, tenemos que k adquiere el valor de 0.3367 mL/min, destacando además que la reacción, se infiere como de orden 0.


Tiempo (t) (min)


3

Ln V 0.4 0.91629073 0.8 0.22314355

3.5

1.7 0.53062825

4

2.6 0.95551145

4.5

3.3 1.19392247

5 5.5 6

3.7 1.30833282 4 1.38629436 4.5 1.5040774

2.5

1/V (1/mL) 2.5 1.25 0.588235 29 0.384615 38 0.303030 3 0.270270 27 0.25 0.222222



6.5

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22 0.204081 4.9 1.58923521 63

i)


ii) ii)


iii) iii)




•

•

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De igual manera, en este caso, la figura más afín a la recta deseada corresponde a la Figura 4, de manera que a partir de su ecuación:

Podemos establecer que si k=m, k adquiere el valor de

1.16 mL/min.

Por el tipo de gráfico la reacción se establece como de

orden 0.


Tiempo (t) (min)


1

0.2

1.5

0.4

2

0.8

2.5

1.3

3

1.8

3.5

2.2

1/V (1/mL)

Ln V 1.6094379 1 5 0.9162907 3 2.5 0.2231435 5 1.25 0.2623642 0.769230 6 77 0.5877866 0.555555 6 56 0.7884573 0.454545 6 45



4 4.5 5

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1.0296194 0.357142 2.8 2 86 1.1631508 3.2 1 0.3125 1.3083328 0.270270 3.7 2 27

i)


ii) ii)




iii) iii)

•

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La Figura 7 posee la recta mejor formada, por lo que partiendo de su ecuación:

Y sabiendo que m=k, tenemos que k vale es de orden 0.

0.91 mL/min, y el orden de la reacción




Tiempo Volumen de (t) (min) O2 mL (V)

i)

1.5

0.3

2 2.5

0.6 1

3

1.3

3.5

1.8

4

2.3

4.5

2.8

5

3.3

5.5

3.8

Ln V 1.2039728 0.5108256 2 0 0.2623642 6 0.5877866 6 0.8329091 2 1.0296194 2 1.1939224 7 1.3350010 7

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1/V (1/mL) 3.333333 33 1.666666 67 1 0.769230 77 0.555555 56 0.434782 61 0.357142 86 0.303030 3 0.263157 89

Figura 10.Gráfico V vs t suponiendo orden 0.

14 DESCOMPOSICIÓN CATALÍTICA DEL PERÓXIDO DE HIDRÓGENO


ii) ii)

Figu Figura ra 11.G 11.Grá ráfi fico co ln V vs t sup supon onie iend ndo o 1er 1er orde orden. n.

iii) iii)

Figu Figura ra 12.G 12.Grá ráfi fico co 1/V 1/V vs vs t sup supon onie iend ndo o 2° 2° ord orden en..

•

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Claramente podemos apreciar que la Figura 10, posee la forma mas afín a la recta indicada, por lo que si su ecuación es:



K adquiere el valor de

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0.89 mL/min y la reacción es un reacción de orden 0.

a) Gráficos para 1.5 mL de K 2Cr 2O7. Tabla 10. Tabulación Tabulación para las gráficas V vs t.; ln V vs t., y 1/ V vs t. para la determinación determinación del orden de reacción.

Tiempo (t) (min)


1.5

0.1

2

0.8

2.5

1.4

3

1.9

3.5

2.5

4

3.1

4.5

3.6

5

4.3

5.5

5.2

i)

Ln V 2.302585 09 0.223143 55 0.336472 24 0.641853 89 0.916290 73 1.131402 11 1.280933 85 1.458615 02 1.648658 63

1/V (1/mL) 10 1.25 0.714285 71 0.526315 79 0.4 0.322580 65 0.277777 78 0.232558 14 0.192307 69




ii) ii)

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Figu Figura ra 14.G 14.Grá ráfi fico co ln V vs t sup supon onie iend ndo o 1er 1er orde orden. n.



iii) iii)

•

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Figu Figura ra 15.G 15.Grá ráfi fico co 1/V 1/V vs vs t sup supon onie iend ndo o 2° 2° ord orden en..

Cons Conside ideran rando do a la Figura Figura 13 como como la recta recta mejor mejor formad formada a y parti partien endo do de su correspondiente ecuación:

Podemos Podemos establecer que k adquiere el valor de de orden 0.

1.2167 mL/min, y es una reacción

Por lo que finalmente haremos una tabulación de los resultados obtenidos, es decir asignarl asignarle e a cada volumen volumen de cataliza catalizador dor añadido añadido,, su correspo correspondi ndiente ente constan constante te de rapidez k y su orden de reacción, teniendo así: Tabla Tabla 11. 11. Resu Resulta ltado dos s obten obtenido idos; s; Consta Constante ntes s obte obtenid nidas as a diver diversos sos volúm volúmen enes es de catalizador añadidos. Número de experimento

1 2 3 4 5 •

Volumes de Constante de Orden de Ordenad Ordenada a al catalizador rapidez k reacción (n) origen. añadido (V de (mL/min) K2Cr 2O7) (mL) 0.5 0.3367 0 0.1767 0.7 1.16 0 2.3422 1.0 0.91 0 0.9078 1.2 0.89 0 1.2039 1.5 1.2167 0 1.7139 La ordenada al origen se ha colocado, ya que será punto a tratar en el análisis.

Permitiéndonos proceder con el siguiente análisis:

Análisis de resultados DESCOMPOSICIÓN CATALÍTICA DEL PERÓXIDO DE HIDRÓGENO 18 DESCOMPOSICIÓN


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Como el objetivo lo marca, ahora toca el turno de establecer una nueva propiedad o variable que modifica la constante de rapidez de una reacción, descrita como la adición de un catalizador, el cual si por su definición misma es aquella especie química que acelera o incrementa la velocidad de una reacción, invitaba a pensar que pudiera modificar los valores de la constante, y por ende el orden de reacción que esta pudiera poseer, por lo experimentalmente se obtuvieron una serie de valores para la constante de rapidez a diversos volúmenes de catalizador agregado, el cual fue en este caso K 2Cr 2O7, y nos permitió corroborar así algunos puntos indicados como es la modificación del valor ya mencionado. Teniendo de esta manera que conforme la Tabla 11 lo indica, establecemos de manera gene general ral,, que que si yo aume aumento nto la cantid cantidad ad de volum volumen en de catal cataliza izado dorr a la reacci reacción ón,, la constante de rapidez también incrementará, y viceversa, lo cual tiene sentido, ya que si de acuerd acuerdo o a la expres expresión ión (1), (1), si la rapide rapidez z de reacci reacción ón aume aumenta nta,, quier quiere e decir decir que que los los reactivos se transformarán en productos mucho más rápido, lo cual implicará el aumento de nuestra constante. Por otra parte al hacer el análisis de cómo se modifica el orden de reacción, podemos apre apreci ciar ar que que éste éste sí se mant mantie iene ne cons consta tant nte, e, al igua igual, l, que que como como veía veíamo mos, s, con con la temperatura, concluyendo de esta manera que al alterar las condiciones como la presión la temperatura o el catalizador, implica la afección del valor de la constante de rapidez, más no la afección del orden de reacción. Indicando por último que de acuerdo a la Tabla 11, si el crecimiento se pensó lineal, es decir al aumentar el volumen de catalizador, catalizador, se incrementaría incrementaría la constante de rapidez, no fue del todo cierto, ya que se cometieron una serie de errores experimentales, experimentales, los cuales, si bien no tenemos tenemos valores teóricos para corroborar con el % de error, procederemos procederemos con el mismo sistema del análisis de la ordenada al origen, el cual suponiendo que la dicha ordenada debería debería ser cero, indica que mientras más me aleje de este valor, el porcentaje de confiabilidad disminuirá, es decir, el intervalo de error aumentará, teniendo para este caso, que por ejemplo para el experimento 2, la ordenada fue de 2.43, o bien en el experimento 4 fue de 1.2039, explicando de esta manera el porqué de la discrepancia de los valores arrojados en estos punto con el resto de los observados, incluyendo así que se puede deber principalmente a:

a) Errores asociados asociados al instrumento; instrumento; este se califica como el error más importante, importante, ya que como se requirió determinar la cantidad de O 2, existieron probablemente fugas del gas, ya sea por las mangueras, la jeringa, o bien por el conector del matraz kitazato. b) Adicion Adicionalme almente nte se agrega agrega a los mismo mismos, s, el embolo embolo de la jeringa, jeringa, ya que que para los volúmenes 0.7 y 1.2 mL, al estar el embolo tan duro, no se añadieron de manera adecuada, por lo que al presionar con fuerza hubo gotas mas, gotas menos, que afectaron directamente a los valores obtenidos. c) Errores propios del operador, encontrando por ejemplo, la falla en la adición del volumen y los errores de paralelaje al momento de la lectura del volumen de O 2 sobre la bureta a los tiempos señalados.



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d) Y Por Por último último la mala mala preparación preparación de las disoluciones disoluciones trabajadas. trabajadas. Por lo que independientemente de ello, podemos decir que el experimento bajo mejores condiciones de trabajo puede arrojar mejores resultados.

Conclusiones Se pudo observar el comportamiento de la velocidad de la reacción química con distintas concentraciones de catalizador, encontrando que lo único que varia 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 cero, 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. Podemos decir que nuestros resultados son buenos, aunque existen errores como los posibles errores de paralelaje al medir los volúmenes de producto o las posibles fugas de productos por el deterioro del equipo.



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Bibliografía: ✔

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Chang, Chang, Raymond Raymond.. Fisicoq Fisicoquími uímica ca para las ciencias ciencias químicas químicas y biológi biológicas. cas. 3° ed. México. McGraw-Hill Interamericana. Castellan,Gilbert. Fisicoquímica. 3°ed. México. Addison-Wesley Iberoamericana.


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