Tecnológico de Monterrey campus QuerétaroLaboratorio de Química (miércoles 10:30-1:30) Grupo 5

Práctica FinalEquipo #3

Cinética Química: Influencia de la Temperatura, Concentración y Presencia de un CatalizadorTomás Díaz A01205736

Isabel Victoria Bustamante A01207214Miguel Aguilar A01165857

Andrés Pineda Ochoa A00225598Profesora: Araceli Florido

15-05-2013

Objetivos:

1. Estudiar la influencia de la temperatura, concentración y presencia de un catalizador en la velocidad de reacción de una reacción química.

2. Estudiar y aplicar las leyes de la cinética química dentro de la práctica. 3. Investigar la importancia de la cinética química en la industria y comprobarlo mediante la

experimentación.

Introducción:La termodinámica es la parte de la química que estudia los cambios energéticos de una reacción ya que estas siempre están acompañadas de transferencias de energías. A pesar de ser un área muy importante, carece del estudio de la velocidad de una reacción. La rapidez con la que se lleva a cabo una reacción es de gran importancia, especialmente dentro de una industria, ya que puede llegar a maximizar una producción y ahorrar mucha materia prima, haciendo de un proceso lo más eficiente posible y con mayor ganancia final. La cinética química es el área encargada de hacer esto y más específicamente se encarga de analizar cómo cambia la rapidez de una reacción que se encuentra bajo ciertas condiciones específicas y el mecanismo de la reacción para pasar de reactivos a productos. Actualmente existen muchas aplicaciones de la cinética química, entre ellas se destaca la síntesis de productos básicos, refinación del petróleo y la petroquímica, síntesis de productos farmacéuticos y en la industria de los alimentos.La velocidad de reacción se puede definir como la rapidez con la que se lleva a cabo la transformación química de reactivos en productos. Es la cantidad de sustancia que reacción por unidad de tiempo. Por ejemplo, el tiempo que tarda en oxidarse el hierro en condiciones atmosféricas es muy largo, mientras que el tiempo que tarda en reaccionar el butano con el fuego es instantáneo. Al inicio de una reacción, si hay una gran concentración de reactivos, hay mayor probabilidad de que las moléculas de los reactivos choquen entre sí, aumentando la velocidad. Conforme disminuye la concentración también lo hacen las colisiones, y disminuye la velocidad de la reacción. Este principio implica entonces que la velocidad de reacción se mide en unidades de concentración entre el tiempo (moles/s) y es definido por la teoría de las colisiones, propuesta por Max Trautz y William Lewis en 1916 y 1918.La teoría de las colisiones explica como ocurren las reacciones químicas y por qué el tiempo de reacción difiere para distintas reacciones. Se basa en la idea de que para que una reacción se lleve a cabo las partículas reaccionantes deben colisionar con determinada fuerza. Solo cierta parte de las colisiones totales causan un cambio químico en una sustancia, a esta parte se le conoce como colisiones exitosas, o efectivas. Estas colisiones exitosas tienen suficiente energía como para romper los enlaces existentes y formar unos nuevos, esta energía se conoce como energía de activación. Es la energía necesaria para que un sistema inicie un determinado proceso, entre mayor sea la energía de activación, más lento será el tiempo de reacción y entre menor sea la energía de activación, más rápida será. Si los reactivos rompen sus enlaces para formar productos

se dice que las colisiones fueron efectivas y si no se rompen los enlaces del reactivo y no se forma un producto se dice que las colisiones fueron inefectivas.Existen varios factores que aumentan o disminuyen la velocidad de reacción de los reactivos. El más importante es la naturaleza de estos mismos ya que dependiendo de su reactividad pueden o no romper con más facilidad los enlaces existentes para formar unos nuevos. Otros factores son:Concentración: Al tener mayor concentración de reactivos, mayor número de partículas en el mismo espacio y por lo tanto mayor número de colisiones, provocando una reacción más rápida. Al tener menos concentración, más lenta será la reacción. Temperatura: Si se aumenta la temperatura la velocidad de reacción también lo hace, debido al aumento de colisiones moleculares que provoca. Se dice que aproximadamente por cada 10 ˚C de aumento en la temperatura la velocidad se duplica.Estado físico: Dependiendo del estado físico de algún reactivo, las colisiones entre sus partículas pueden aumentar. Esto se debe a que la pulverización, reducción a partículas de menor tamaño, facilita el contacto entre los reactivos, aumentando así la velocidad de la reacción. Cuanta más cantidad de reactivos haya, más rápida será la reacción. Un ejemplo es el tiempo que tarda en calentase un pedazo grande de carbón contra muchos pequeños. También influye la superficie de contacto en la que se da la reacción.Cuando se desea aumentar la velocidad de reacción sin alterar alguna de estas propiedades (concentración, temperatura, etc.) se utiliza una sustancia llamada catalizador. Este proceso se conoce con el nombre de catálisis e interviene en muchos procesos industriales. Se utiliza para no generar productos secundarios de sobra y así poder reducir la cantidad de residuos que generan las reacciones químicas. Un catalizador se utiliza dentro de una reacción química para aumentar su velocidad y mantenerse en el mismo estado desde principio a final, es decir sin intervenir en la ecuación final de la reacción. Para cada reacción se requiere de un catalizador distinto. Puede tener el mismo estado físico que el de los reactivos o bien uno distinto (por lo general sólido si los reactivos son gaseosos). La ecuación de velocidad está dada por las siguientes formulas:

aA + bB pP + qQ

Velocidad=−1a

Δ [ A ]Δt

=−1b

Δ [ B ]Δt

= 1p

Δ [ P ]Δt

=1q

Δ [ Q ]Δt

aA+bB+…→≫+hH +…Velocidad=K [ A ]x [B ]y …

x+ y+…=n=ordentotal de reacci ó nEstas fórmulas relacionan la velocidad instantánea de una reacción en un momento dado utilizando las concentraciones presentes en ese momento. Los símbolos [A], [B], … representan la concentración molar de la sustancia, los exponentes x, y, … se denominan con el nombre de ordenes parciales de la reacción y generalmente son números enteros positivos pero pueden llegar a ser fraccionarios y hasta negativos, y por ultimo tenemos la constante de proporcionalidad K denominada constante de velocidad. La reacción que se llevara a cabo dentro de la práctica será la reacción redox (reducción-oxidación). Se le denomina redox a cualquier reacción química en la cual electrones son transferidos entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación. Una sustancia que cede electrones se oxida y una sustancia que recibe electrones se reduce. La ecuación principal de esta práctica es la siguiente:

MnO4- + C2O4

2- + H+ Mn2+ + CO2 + H2OEsta fórmula está compuesta por permanganato más oxalato en medio acido. El permanganato se oxida mientras que el oxalato se reduce, por esto es que al final tenemos Mn2+ y CO2. Los reactivos que utilizaremos dentro de la experimentación son: permanganato de potasio, ácido sulfúrico y acido oxálico. El permanganato de potasio nos sirve para indicarnos cuando es que se ha terminado la reacción de los reactivos ya que este posee un color muy llamativo, un color rosa/violeta fuerte, que desaparece al terminar la reacción con el ácido oxálico.Aquí es donde se utiliza la permanganometría que es la valorización de un compuesto con el indicador natural de permanganato.

La reacción entre el permanganato, el ácido oxálico y el ácido sulfúrico es una reacción de óxido reducción:

Reacción neta sin espectadores:2 MnO4

−¿+5C2 O4−2+16 H +¿→2 Mn+2+10 C O2+8H 2O ¿ ¿

 

Reacción original balanceada:2 KMnO4+3H 2 SO4+5 H 2C2O4→ K2 S O4+2 Mn SO4+8 H 2 O+10C O2

Se llevaran a cabo tres experimentos, cada uno con el propósito de analizar el cambio de velocidad de reacción que tienen los reactivos sometidos a distintas situaciones. El primero es el estudio del efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción. Para hacer esto se tomaran dos tubos de ensayo, uno con permanganato de potasio y ácido sulfúrico y el otro con ácido oxálico. Se pondrán a cierta determinada temperatura y se mesclaran, haciendo que reaccionen hasta que el color rosa/violeta del permanganato de potasio se elimine y solamente quede un líquido incoloro. Este proceso se repetirá a temperaturas de 45ºC, 35ºC y 25ºC, tomando el tiempo que tarda la reacción desde que se mesclan los reactivos hasta que se elimina el color rosa/violeta.El segundo experimento consiste en estudiar el efecto de la concentración de los reactivos en la velocidad de reacción. Para esto se seguirá el mismo procedimiento del primer experimento pero ahora en vez de modificar la temperatura se modificara la cantidad de sustancia que se le invierte a los tubos de ensayo 1 y 2. Se registrará el tiempo que tarda cada mezcla en terminar de reaccionar.El último experimento consiste en analizar el efecto de la adición de un catalizador en la reacción. El catalizador que se utilizara es el sulfato de manganeso.Se tomaran todos los tatos obtenidos y para cada experimento se realizara una gráfica donde se podrá ver fácilmente la diferencia entre cada tipo de reacción que se llevó a cabo.

Medidas de seguridad:Permanganato potásico: Nota de seguridad nociva por ingestión.Ácido sulfúrico Nota de seguridad: irrita los ojos y la piel, utilizar guantesÁcido oxálico Nota de seguridad: no es dañino.

Resultados:

Preparación de las soluciones:

Ácido Sulfúrico (H 2 SO4) 0.25M

O .25 M=( Moles de H2 SO4 )

1 L

M 1∗V 1=M 2∗V 2

0.5∗V 1=0.25∗100 mL

V 1=50 mLde H 2 SO4 aforar a 150 mL de H 20

Ácido Oxálico (H ¿¿2 C2 O4)❑¿ 1.5∗10−3M

100mL de Ácido Oxálico 1.5∗10−3M 90 gr Ácido Oxálico

1000Ml de Ácido Oxálico 1 mol

= 0.02 gr Ácido Oxálico y aforar a 100mL.

Sulfato de Manganeso (Mn S 04) 0.01M

25mL de Mn S 04 0.01mol de Mn S04M 151 gr Mn S 04

1000Ml de Mn S04 1 mol de Mn S 04

= 0.0378 gr Mn S 04 y aforar a25 m

Permanganato de Potasio. (KMno4) 5∗10−4 M

100mL de KMno 45∗10−4 mol de KMno 4151 gr KMno4

1000Ml de KMno4 1 mol de KMno4

= 0.0079 gr KMno 4 y aforar a 100 mL con agua.

Observaciones de los compuestos.

Ácido Sulfúrico Blanco trasparente turbioÁcido Oxálico Sal cristalinaSulfato de Manganeso Harina BlancaPermanganato de Potasio Cristalino negro al mezclar con el agua se forma

un color morado.

A) EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Tubo 1 2mL3mL

Permanganato de potasio KMn O4

Ácido sulfúrico H 2 S O4

Tubo 2 5mL Ácido oxálico H 2C2 O4

Al calentar el tubo 1 y el tubo 2 por separado aparecieron pocas burbujas en cada tubo.Después de que los tubos hayan llegado a la temperatura deseada, se mezclaron (tubo 1 y tubo 2) y se tomó el tiempo. Los compuestos se tornaron en una solución violeta al mezclar.SE MEZCLÓ SIEMPRE H 2C2 O4 SOBRE KMn O4

Tiempo desde la mezcla hasta que desaparece el color rosa del permanganato.

# de ensayo Temperatura TiempoEnsayo 1 55ºC 5.19 sEnsayo 2 45ºC 40.74 sEnsayo 3 35ºC 60.5 sEnsayo 4 25ºC 140.69 s

Temperatura vs tiempo de la reacción

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

10

20

30

40

50

60

f(x) = − 0.215859845634637 x + 53.3358212633079

Tiempo

Tempe

ratura

B) EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Todas las mezclas fueron realizadas a 45ºC.La mezcla de permanganato de potasio con ácido sulfúrico y ácido oxálico se tornó color violeta.

# de ensayo # de tubo

Compuestos Tiempo

Ensayo 1 Tubo 1 1mL KMn O4 + 1mL H 2O + 3mL H 2 S O4 0.25M

21.05 s

Tubo 2 5mL H 2C2 O4

Ensayo 2 Tubo 3 2mL KMn O4 + 3mL H 2 S O4 1M 53.29 sTubo 4 5mL H 2C2 O4

Ensayo 3 Tubo 5 2mL KMn O4 + 3mL H 2 S O4 0.25M 35.86 sTubo 6 3mL H 2C2 O4 + 2mL H 2O

La mezcla de permanganato de potasio con ácido sulfúrico y ácido oxálico se tornó incolora en el punto final de la reacción.

Ensayos vs tiempo de reacción

Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 30

10

20

30

40

50

60

Tiempo

C) EFECTO DE UN CATALIZADOR EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Todas las mezclas fueron realizadas a 45ºC.La mezcla de permanganato de potasio con ácido sulfúrico y ácido oxálico se tornó color violeta.

Tubo 1 2mL KMn O4 + 3mL H 2 SO4 1M + 1 gota Mn SO4

Al mezclar:Tiempo= 28.24 s

Tubo 2 5mL H 2C2 O4

La mezcla de permanganato de potasio con ácido sulfúrico y ácido oxálico se tornó incolora en el punto final de la reacción

Tiempo con catalizador y sin catalizador

Sin catalizador Con catalizador0

10

20

30

40

50

60

Tiempo

Tiempo

Para comprobar que todos los residuos se desechen en ácidos, medimos el pH de la solución después de la reacción y comprobamos que eran sales en medio ácido.pH= 1

Análisis de resultados:

Todas las reacciones se dan mezclando diferentes concentraciones de los siguientes compuestos:

Las reacciones óxido-reducción son reacciones donde los electrones se transfieren de un reactivo otro. En la química analítica, muchas veces se utiliza un agente oxidante como el permanganato de potasio como valorante del punto final de la reacción.

El permanganato de potasio tiene propiedades oxidantes en medio ácido, en este caso con ácido sulfúrico.La reducción del permanganato en medio ácido está representada por la siguiente ecuación:

MnO4−¿+ 8 H +¿+5 e

−¿↔ Mn+ 2+ 4H 2O¿¿ ¿

En esta reacción el permanganato se reduce y actúa como agente oxidante produciendo un autocatalizador (Mn+2) y agua al ganar 5 electrones. El Mn pasa de tener carga +7 a tener carga +2. Es importante recalcar que el catalizador está en los productos, por lo tanto la reacción es lenta y por eso se necesita que todos los ensayos en el efecto de la concentración y del catalizador extra se mezclen a una temperatura de 45ºC, suficientemente alta para acelerar un poco la reacción. Al principio la reacción es lenta, pero cuando se produce suficiente Mn(II), la reacción aumenta su velocidad gracias a este autocatalizador. Este Mn (II) es incoloro y por lo tanto su presencia es el fin de la reacción y se puede ver.

La otra mitad de la reacción es una reacción de oxidación donde el carbono pierde electrones en el ácido oxálico. En el ácido oxálico el carbono tiene carga +3. Después, al ser parte del dióxido de carbono, el carbono tiene carga +4.

Reacción neta sin espectadores:2 MnO4

−¿+5C2 O4−2+16 H +¿→2 Mn+2+10 C O2+8H 2O ¿ ¿

 

Reacción original balanceada:2 KMnO4+3H 2 SO4+5 H 2C2O4→ K2 S O4+2 Mn SO4+8 H 2 O+10C O2

El permanganato de potasio puede ser usado como oxidante y como indicador redox al mismo tiempo. El KMnO4 tiene un color rosa pálido-transparente cuando está reducido, y un color violeta fuerte cuando está oxidado. Por lo tanto al principio el permanganato de potasio está oxidado y por eso su color violeta intenso. Al

Solución B

Ácido oxálico H 2C2 O4

Solución A

Permanganato de potasio KMn O4

Ácido sulfúrico H 2 S O4

finalizar la reacción, el permanganato se consume y el color desaparece ya que este se reduce, formando Mn (II).

El ácido sulfúrico es espectador, solamente crea un medio ácido en donde se pueda dar la reacción, por eso el pH es 1 al final, aunque todos los productos sean sales o agua. Muchas veces, para que el color en el punto final de la reacción sea más visible, se añade ácido fosfórico a un medio ácido sulfúrico.

La velocidad de una reacción en cinética química depende de la naturaleza de los reactivos, sin embargo, existen varios factores que también influyen en la velocidad de la reacción. Entre ellos están, el estado físico de los reactivos, la concentración, la temperatura y los catalizadores.

A) EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Gráfica 1: Tiempo- Temperatura

La velocidad también aumenta conforme incrementa la temperatura, la cual es directamente proporcional a la energía cinética. Un ejemplo de esto es evidente en la necesidad de introducir los productos lácteos en la refrigeradora, ya que la temperatura ambiente acelera la reacción de putrefacción.

En esta gráfica relacionamos el tiempo con la temperatura y a diferencia de la primera gráfica, mantuvimos constante las concentraciones y cambiamos la temperatura para poder ver su efecto en la velocidad de reacción. La pendiente negativa nos dice que la temperatura y el tiempo tienen una relación indirecta donde cuando el tiempo aumenta, la temperatura es menor.

Como se puede observar en la gráfica, la velocidad de reacción es considerablemente menor con el incremento de la temperatura, esto se debe a que con mayor temperatura, existen más moléculas que igualan o superan a la energía de activación de la reacción por lo que aumenta el número de choques efectivos y por ende la velocidad con la cual se va a realizar este proceso.

Matemáticamente sabemos que la relación que existe entre la velocidad y la temperatura es logarítmica. k=Ae−b /t . Fue Arrhenius quien en 1889 expresó esta relación mediante una fórmula que lleva su nombre. k=Ae−Ea/RT En donde el exponente representa la fracción de colisiones moleculares que tienen una energía igual o mayor a la energía de activación, y donde A es la frecuencia con la que se dan colisiones entre las moléculas del reactivo. Analizando los datos del exponente sabemos que R es la constante de los gases, 8.3145 JK-1mol-1 y Ea es la energía de activación en J/mol, T es la temperatura absoluta en K. A es el factor pre-exponencial cuyas unidades son iguales a las de la constante de velocidad.

lnk=lnA EaRT

Esta forma logarítmica de la ecuación nos ayuda obervar las características principales que se dan entre la

temperatura y la velocidad de reacción ya que la pendiente de la recta, va ser igual a (−Ea )

R. Esto, en una gráfica

donde se relacione el ln de k con respecto al recíproco del tiempo. Para encontrar la variación de energía de activación contamos con la siguiente fórmula

ln k 2k 1

=EaR

( 1T 1

− 1T 2

)

Relacionando todos los conocimientos adquiridos, podemos entender que, a los 55 grados centígrados la reacción se llevó sumamente rápido y pasados los 5 segundos está se tornó de color transparente. También entendemos por qué la velocidad de reacción aun a temperatura de 25 grados centígrados (25 menos que la primera) se demora mucho más tiempo.

B) EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Gráfica 2: Tiempo en función de la concentración después de mezclar A y B

Mientras más concentración en los reactivos, más velocidad. “A medida que la concentración aumenta, la frecuencia de la colisión de las moléculas aumenta, y esto origina velocidades mayores” (Brown, p. 256). Una mayor cantidad de reactivos aumenta las probabilidades de choques efectivos. Esto quiere decir menor concentración, mayor tiempo.

“Los exponentes de una ecuación de velocidad indican cómo influye la concentración de cada reactivo en la velocidad” (Brown, p. 534).

Es necesario determinar experimentalmente la velocidad de cualquier reacción. La ecuación de velocidad de una reacción de determina mediante una tabla que posea número de experimento, concentración de A, concentración de B y el tiempo que tardo la reacción con cada una de las concentraciones. La mayoría de las reacciones cuentan con exponentes en la ecuación de velocidad entre 0 y 2.

Si una reacción es de orden 0 con respecto a un reactivo, concluimos que la velocidad no varía, esto se debe a que cualquier número elevado a la potencia 0, es igual a 1

Si una reacción es de orden 1, los cambios en los reactivos del producto influirán directamente a la velocidad de la reacción. En la reacción de primer orden, la velocidad depende de la concentración de un solo reactivo.

Velocidad=−∆ [ A ]

∆ t=k [ A]

Si se integra, podemos observar la relación existente entre la concentración de A, al comienzo de la reacción con la concentración que posee en cualquier otro tiempo.

ln [ A ] t−ln [ A ] 0=−kt

Si se reescribe la ecuación, obtenemos.

ln [ A ] t=−k∗t+ ln [ A ] 0

y=−m∗x+b

Las ecuaciones de primer orden nos dan una línea recta en la gráfica, es por esto que deducimos que nuestra mezcla no es de primer orden.

Por otro lado si la reacción es de segundo orden, su velocidad se eleva al cuadrado.Para comprobar que nuestra mezcla es de segundo orden, debemos reordenar la fórmula la cuál quedaría de la siguiente manera: (se cambian a términos de logaritmos de base10)

log [ A ] t−log [ A ] 0=−(kt ) /2.303

Este factor de conversión sirve para pasar el valor de e (2.303) a logaritmo base de 10.Químicamente la fórmula quedaría así.

1[ A ] t

=kt+ [ A ] 0

Como la reacción es de segundo orden, la gráfica de esta función seré una línea recta con una pendiente igual al valor de k. Esta gráfica también tendrá una intersección con el eje y en 1. Gracias al cálculo podemos afirmar que si la reacción es de segundo grado, matemáticamente, la formula se vería así.

log 1 0( a−xb−x )=−log10( b

a )+ k (a−b )2.303

∗t

En donde a es la concentración del permanganato de potasio con el ácido sulfúrico en tiempo = a cero. B es la concentración del ácido oxálico en tiempo igual a cero. Y x la disminución de la concentración de a o b.

Vrxn=K [ A ]x [B ]y

En esta práctica no pudimos sacar la velocidad de la reacción porque no tenemos la concentración de A ya que esta mezcla 1 es una mezcla de permanganato de potasio con ácido sulfúrico.

C) EFECTO DE UN CATALIZADOR EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Un catalizador aumenta la velocidad de una reacción.Aunque la reacción produce un autocatalizador, este no aumenta la velocidad cuando está del lado de los productos. En la prueba del efecto de un catalizador en la velocidad se agregó Mn(II) como Mn SO4 a los reactivos (en una pequeña cantidad porque de lo contrario es muy difícil medir el tiempo).La diferencia entre el tiempo de la reacción con un catalizador y sin un catalizador es evidente. Con un catalizador, la solución de 2mL KMn O4 + 3mL H 2 SO4 1M + 1 gota Mn SO4 con 5mL H 2C2 O4 se demoró 28.24 segundos mientras que sin el Mn SO4 se demoró 53.29 segundos. Esto comprueba que cuando un catalizador es reactivo, la reacción se acelera.

Factor de conversión

Como podemos analizar en la gráfica que compara el tiempo de la reacción con los diferentes ensayos, el ensayo número 1 es el más rápido, en comparación con el ensayo número 3 ya que el ácido oxálico se encuentra diluido en agua y por ende tiene menso concentración. Sin embargo el ensayo número 3 tiene una velocidad menor al ensayo 2, haciendo que el tiempo sea menor, esto sucede ya que la concentración de ácido sulfúrico en el ensayo 2 es mucho mayor a la del ensayo 3 si la comparamos con la cantidad de permanganato que existe en cada uno de los tubos. Esto hace que el permanganato demore más realizando la oxidación en mayor tiempo y por eso su coloración se mantuvo por más tiempo. Por otro lado si comparamos el ensayo 1 con el ensayo 2, observamos las mismas características que vimos entre el ensayo 3 y el ensayo 2, pero el tiempo es mucho menor ya que encontramos más cantidad de permanganato, el cual oxida mucho más rápido a una mínima concentración de ácido sulfúrico.

Innovación:

El permanganato de potasio (KMnO4), es un agente oxidante utilizado en el análisis volumétrico porque elimina la necesidad de aplicar otros indicadores. El color púrpura intenso del ión permanganato es suficiente para señalar el punto final. Su ventaja es que es un agente oxidante muy poderoso, fácilmente disponible y barato.

El permanganato de potasio puede ser usado como oxidante y como indicador redox al mismo tiempo. El KMnO4 tiene un color rosa pálido-transparente cuando está reducido, y un color violeta fuerte cuando está oxidado.Ejemplifica a la perfección el estudio de las variaciones en la velocidad que sufre una reacción debido al tiempo, la temperatura y un catalizador

Tan sencillo que se puede estudiar en el laboratorio tan complejo que algunos de sus principios fueron utilizados en la construcción de las obras más grandes y altas del mundo.

Aplicaciones:

• El permanganato de potasio es un agente oxidante, utlilizado en muchas de las empresas relacionadas con la metalurgia. También se relaciona geológicamente con el tratamiento de aguas y suelo. 

• El ácido oxálico, debido a su “fuerza”, se utiliza en la construcción como pulidor de mármol.

• En cuanto al ácido sulfúrico, es usado en el tratamiento de acero y cobre, materiales usados en la industria de la ingeniería civil; es usado para crear explosivos los cuales son usados para la detonación en los procesos iniciales de obras de infraestructura. (No crea una reacción interferente)

• Las reacciones de velocidad son muy importantes en el ámbito de la ingeniería civil, muchas veces se tienen que hacer pruebas de química cinética para poder encontrar el proceso más rápido en la construcción. Muchos proyectos de infraestructura son con plazos de tiempo limitados, por lo que siempre se tienen que realizar los procesos que funcionen de la mejor manera y con la mayor rapidez

profunda. Un ejemplo muy sencillo es la rapidez con la que fragua el cemento en el colado de una losa. Para que el colado quede mejor, ya que está terminado se tiene que agregar agua periódicamente y, de esta forma el cemento va a fraguar mejor, y más rápido.

• Con la permanganometría se pueden valorar disoluciones de ácido arsenioso y ácido oxálico.

• Esta reacción puede ser usada como referencia para realizar un estudio en la calidad de concretos.

Determinación de hierroEl hierro (II) se titula con una solución de permanganato de potasio en medio ácido. Para que el color en el punto final de la reacción sea más visible, se añade ácido fosfórico a un medio ácido sulfúrico. Dicha reacción forma fosfato férrico el cual es incoloro. En el punto final, la solución pasa de ser incolora a ser rosa-morada gracias al permanganato de potasio.

Determinación de Oxalato o CalcioEl permanganato reacciona con oxalato en un medio ácido:

5C2 O4−2+2 MnO4

−¿+16 H 3O−¿↔10 C O2+2Mn+2+24 H2 O¿ ¿

Donde se utiliza ácido sulfúrico para el medio ácido y debe efectuarse a 50°C porque la reacción es muy lenta a temperatura ambiente.El oxalato de amonio con un solución de calcio (II) en ácido clorhídrico neutralizada con amoniaco diluido se titula con permanganato de potasio. Este método se utiliza para determinar la presencia de calcio. Dicho proceso se puede aplicar para la identificación de calizas en el ámbito geológico de la Ingeniería Civil. También, muchas veces el agua puede contar con un porcentaje de calcio u otros minerales que en grandes cantidades son dañinos para la salud. Dicho esto, la determinación de calcio se puede aplicar en la mecánica de fluidos y la purificación de agua.

Optimización:

Gracias a un estudio de tiempos, se implementó un concepto y representación de un diagrama de Pert, con el cual se identificó la ruta crítica en nuestro laboratorio y se determinó el cuello de botella (el calentar las parrillas a la temperatura adecuada). El diagrama PERT es una representación gráfica de las relaciones entre las tareas del proyecto que permite calcular los tiempos del proyecto de forma sencilla. Basándonos en el diagrama de flujo y en la práctica que realizamos solos pudimos observar algunos campos de mejora, pedir más parrillas, colocar el permanganato en todos los tubos desde el principio, para así no tener que lavar las pipetas 2 o más veces y ahorrar tiempo entre otras. Estos conocimientos (el estudio del tiempo y el diagrama de Pert) se complementaron un esquema del diagrama hombre máquina, conceptos que nos sirvieron para dividir el trabajo de tal forma que cada uno de los integrantes del equipo interactuara con las parillas, tubos y pipetas, sin retrasar el proceso realizado por otro integrante del equipo. Gracias a todos estos implementos redujimos el tiempo de la práctica de una hora y media a solo 20 minutos aproximadamente.

Cuestionario:

1. ¿Cuáles son los tipos de catálisis?

Catálisis homogénea y catálisis heterogénea.En la homogénea todos los reactivos y los productos de la reacción están presentes en la disolución o en la mezcla homogénea en que se desarrolla la reacción. En la catálisis heterogénea, la reacción transcurre sobre una superficie sólida adecuada, de modo que los intermedios de reacción cruciales se sitúan sobre la superficie, y el catalizador está en una fase distinta de la de los reactivos y productos de la reacción.

2. ¿Cómo influye un catalizador en una velocidad de reacción?

Es una sustancia que proporciona una secuencia alternativa de la reacción con una menor energía de activación, lo que permite que un mayor número de moléculas sean capaces de superar dicha energía y, por tanto, reaccionar. El catalizador participa en la reacción química sin experimentar un cambio permanente.

3. Menciona la teoría de las colisiones.

La teoría de las colisiones explica como ocurren las reacciones químicas y por qué el tiempo de reacción difiere para distintas reacciones. Se basa en la idea de que para que una reacción se lleve a cabo las partículas reaccionantes deben colisionar con determinada fuerza. Solo cierta parte de las colisiones totales causan un cambio químico en una sustancia, a esta parte se le conoce como colisiones exitosas, o efectivas. Estas colisiones exitosas tienen suficiente energía como para romper los enlaces existentes y formar unos nuevos, esta energía se conoce como energía de activación. Es la energía necesaria para que un sistema inicie un determinado proceso, entre mayor sea la energía de activación, más lento será el tiempo de reacción y entre menor sea la energía de activación, más rápida será.

4. ¿Cuáles son los factores que afectan la velocidad de una reacción y describe cada uno?

Concentración: Al tener mayor concentración de reactivos, mayor número de partículas en el mismo espacio y por lo tanto mayor número de colisiones, provocando una reacción más rápida. Al tener menos concentración, más lenta será la reacción. Temperatura: Si se aumenta la temperatura la velocidad de reacción también lo hace, debido al aumento de colisiones moleculares que provoca. Se dice que aproximadamente por cada 10 ˚C de aumento en la temperatura la velocidad se duplica.Estado físico: Dependiendo del estado físico de algún reactivo, las colisiones entre sus partículas pueden aumentar. Esto se debe a que la pulverización, reducción a partículas de menor tamaño, facilita el contacto entre los reactivos, aumentando así la velocidad de la reacción. Cuanta más cantidad de reactivos haya, más rápida será la reacción. Un ejemplo es el tiempo que tarda en calentase un pedazo grande de carbón contra muchos pequeños.Catalizador: Es una sustancia que proporciona una secuencia alternativa de la reacción con una menor energía de activación, lo que permite que un mayor número de moléculas sean capaces de superar dicha energía y, por tanto, reaccionar. El catalizador participa en la reacción química sin experimentar un cambio permanente.

5. Menciona aplicaciones de las velocidades de reacción en el ámbito profesional.

Las reacciones de velocidad son muy importantes en la industria, ya que todos los procesos tienen una mayor calidad o productividad de acuerdo a la velocidad a la que sean realizados. A través de las velocidades de reacción podemos definir estos tiempos, modificando a su vez con los catalizadores sus velocidades de reacción. Algunos ejemplos interesantes se desarrollan en la ingeniería civil en donde muchas veces se tienen que hacer pruebas de química cinética para poder encontrar el proceso más rápido en la construcción. Muchos proyectos de infraestructura son con plazos de tiempo limitados, por lo que siempre se tienen que realizar los procesos que funcionen de la mejor manera y con la mayor rapidez profunda. Un ejemplo muy sencillo es la rapidez con la que fragua el cemento en el colado de una losa. Para que el colado quede mejor, ya que está terminado se tiene que agregar agua periódicamente y, de esta forma el cemento va a fraguar mejor, y más

rápido.El ácido clorhídrico diluido al 10% en contacto con el carbonato de calcio genera ion calcio, dióxido de carbono y agua. Esta reacción se utiliza para la identificación de calizas en el ámbito geológico de la ingeniería civil.

6. Menciona que es una reacción de reloj y cómo se relaciona con la velocidad de la reacción.

Una reacción de reloj se caracteriza porque concluye con un cambio de color repentino. Es muy utilizado en la química cinética y en la velocidad de reacción ya que nos permite cronometrar el tiempo de manera precisa, logrando así medir y comparar las distintas reacciones con temperaturas y concentraciones diferentes.

7. ¿Cómo afecta un catalizador en el proceso químico?

La ventaja de los catalizadores es que a pesar de que se encuentran dentro de la mezcla para la reacción, éste no tiene ningún impacto en el resultado. Está presente en la reacción pero no sufre ningún efecto en las uniones atómicas que se efectúan con los reactivos.

8. ¿Qué es el equilibrio químico?

Cuando la velocidad de la reacción es igual tanto de producto a reactivo como de reactivo a producto y la concentración de éstos sigue siendo igual.Esto es posible ya que la reacción funciona siempre a una misma temperatura y tanto de producto a reactivo, o al contrario, siempre se tiene la misma concentración, por lo que los factores no afectan la velocidad de la reacción en sí.

9. ¿La velocidad de una reacción es constante?

No, debido a que conforme se va realizando la reacción se van consumiendo los reactivos, y de acuerdo a nuestros factores que afectan la velocidad sabemos que entre menos sea la concentración de los reactivos más se va tardando la reacción en producirse, de esta manera podemos concluir que en efecto la reacción no tiene una velocidad constante.

10. De acuerdo a la Química cinética, ¿En qué unidades se establece el resultado de la velocidad de una reacción?

Mol L-1 S-1

Reflexión Isabel:

Los procesos que se aprendieron en esta práctica son importantes para mi vida profesional y personal. El permanganato de potasio es muy útil como indicador natural para avisar el punto final de una reacción y puede ser utilizado para determinar la cantidad de calcio o hierro en el agua o en una mezcla de concreto. En cuanto a la velocidad de reacción, esta es útil en mi carrera para estimar los efectos de la temperatura, concentración, estado física y catalizadores en los metales y materiales de las construcciones para evitar su oxidación y deterioro.

Reflexión Tomás:

En la ingeniería industrial se busca constantemente efectivizar cada proceso. Por este motivo es de suma importancia conocer los factores que alteran la velocidad de cada una de las reacciones, con el fin de buscar la forma adecuada para que la reacción se lleve a cabo en el menor tiempo posible, sin dañar ninguna de las propiedades de la reacción. Un ingeniero industrial es el encargado de mejorar procesos para que esto se lleven a cabo en el menor tiempo posible sin alterar las características finales del bien o servicio. Es por esto que esta práctica nos ayudó a entender mejor los conceptos y las teorías que tratan sobre la velocidad de reacción para

así poder aplicar estos conocimientos en nuestro campo de estudio. Al mismo tiempo fue interesante poder poner a prueba algunas herramientas de tiempos en ingeniería industrial para optimizar el diagrama de flujo de la práctica para así hacerla más rápido y entender mejor todo el procedimiento.

Reflexión Andrés:

En cualquier empresa o industria lo más importante es obtener la mayor producción al menor costo posible para así obtener la mayor ganancia posible. Uno de los factores que hace esto posible es la cinética química y que en la mayoría de las empresas se trabaja con sustancias químicas y reacciones químicas. Una reacción puede llegar a tardar mucho tiempo en terminar y en cualquier negocio el tiempo es dinero. Con los métodos y temas vistos en esta práctica podemos de distintas maneras reducir el tiempo que tarda en terminar una reacción química. Como Ingeniero en Sistemas Digitales y Robótica, estos métodos son de gran utilidad ya que todo componente eléctrico está compuesto de sustancias que pasaron por reacciones químicas, y para hacer una gran producción de estos componentes se debe de optimizar el método de producción.

Reflexión Miguel:

Personalmente, lo que siento que más me sirvió para mi vida personal y profesional, es el concepto de los catalizadores, ya que muchas veces en la industria de la construcción necesitas que los procesos se aceleren. A mí me agradó mucho la práctica, encuentro mucha relación con la carrera de Ingeniería Civil ya que siempre existen procesos en los que tienes que calcular la velocidad que se necesita y muchas veces en la industria de la construcción necesitas que los procesos se aceleren. Un ejemplo muy claro puede ser el tiempo que tarda en fraguar un concreto. En la vida personal puedo decir que todos los conceptos teóricos son de gran importancia, ya que siempre se generan reacciones con una variante de temperatura importante, y con cambios de concentración.

Conclusión:

En conclusión podemos garantizar que las reacciones de velocidad son muy importantes en la vida profesional diaria. Y en ésta práctica pudimos conocer todos los factores que ayudan a que la velocidad de la reacción se modificaran, pusimos a prueba a la temperatura concluyendo que entre mayor temperatura mayor velocidad, así mismo nos dimos cuenta que entre mayor la concentración, la velocidad también aumenta. Conocimos lo que es un catalizador y cómo es que funciona dentro de la reacción. No solo conocimos estos conceptos sino que a su vez pudimos entenderlos profundamente con la teoría de las colisiones el porqué es que aumenta la velocidad con la modificación de estos factores. Podemos concluir teóricamente que la velocidad en la reacción no es constante, debido a nuestro cambio de concentración durante la reacción, esto la velocidad va disminuyendo.Por otra parte podemos concluir que en nuestra práctica específicamente, la reacción es inversa a una reacción de reloj, ya que el permanganato de potasio el cual tiene un color rosa muy vivo, no es el que aparece, sino que el final de la reacción se encuentra cuando el color desaparece, dejando nuestra sustancia de color transparente. Por otra parte nosotros pensábamos que nuestro catalizador iba a aumentar la velocidad en forma muy importante, sin embargo no fue lo que esperábamos, el catalizador si aumento la velocidad, pero no fue de una manera tan impresionante. Después analizando nos dimos cuenta de que se debía a que la reacción normal y la del catalizador no las hicimos juntas, por lo que nuestro único medio de comparación fueron las tablas y las gráficas; y efectivamente si había aumentado la velocidad, pero pues debido a la teoría nosotros esperábamos un poco de “magia”.Cómo práctica final podemos concluir que el curso nos puede ayudar de manera significativa en nuestra vida diaria, durante cada práctica pudimos lograr entender la relación del tema con nuestra vida personal, entendiendo así la importancia de la química en nuestras vidas. Por otra parte pudimos reafirmar de manera

práctica todos nuestros conocimientos aprendidos en el curso de Química I, lo que nos deja los temas aprendidos mucho más claros.

ÉTICA EN EL LABORATORIO

I. Completen el siguiente cuadro (Como equipo).

Residuo generado ¿Cómo se desechó el residuo?

¿Les parece adecuado el manejo que se le dio? Fundamenten su respuesta

Todos los residuosK2 S O 4+2 Mn SO4+8H2 O+10 C O2

Todos se desecharon en el recipiente para ácidos.

Si, ya que todas las reacciones terminaban como ácidos, con un pH muy bajo (1). La mejor manera de desechar las sustancias fue vaciarlas en el recipiente especial para ácidos.

Referencias:

Skoog, West, Holler, Crouch. (2001). Química analítica. Séptima edición. Editorial Mc. Graw Hill. Impreso en

México. Página 303.

Yález-Sedeño, P., Pingarrón, J., Villena, F. (2003). Problemas resueltos de Química Analítica. Editorial

Síntesis. Impreso en España.

American Chemical Society. (2011). Ley de velocidad y orden de reacción. Recuperado de

http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/24-ley-de-velocidad-y-orden-de-reaccion

González, M. (2010, Mayo 26). Teoría de las colisiones. Recuperado

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Kalipedia. (s.f.). Factores que afectan a la velocidad de una reacción química. Recuperado de

http://mx.kalipedia.com/ciencias-vida/tema/factores-afectan-velocidad-reaccion.html?

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SlideShare. (2010, Marzo 13). Velocidad de reacción. Recuperado de

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Brown, Le May, Bursten. (2004). Química: la ciencia central. Cinética química. Página 506. Editorial Pearson.

Impreso en México.

Universidad de la Serena. (2008). Manual de laboratorio de Química Analítica II, Permanganometría. Recuperado de http://www.slideshare.net/analiticauls/manual-permanganometria-presentation