CINÉTICA QUÍMICA FISICOQUIMICA

Kenny Moreno1, Mónica Torres2, William Cendales2

Ingeniería Ambienta Y Sanitaria, Universidad De La Salle.

RESUMEN

Introducción: La cinética química puede definirse como el estudio de todos los aspectos de la velocidad con que un sistema químico se acerca a una condición de equilibrio. Objetivo: Determinar el orden y la constante de velocidad de una reacción química.

Resultados: Se determinó que según para la reacción corresponde una cinética de orden 2.Conclusión: En esta práctica se comprobó que los diferentes factores que pueden intervenir en una reacción química, para este caso son la naturaleza de los reactantes.

PALABRAS CLAVE: Oxidación, Cromo, Concentración, Orden y velocidad de la reacción

ABSTRACT

Introduction: Chemical kinetics can be defined as the study of all aspects of the rate at which a chemical system approaches an equilibrium condition.Objective: To determine the order and the rate constant of a chemical reaction.Results: It was determined that according to the corresponding reaction kinetics of order 2.Conclusion: In this practice it was found that the different factors that may be involved in a chemical reaction, in this case are the nature of the reactants.

KEYWORDS: Oxidation, Chrome, Concentration, Order and speed of reaction

INTRODUCCIÓN

La cinética química se refiere normalmente a la velocidad con la que se producen las reacciones químicas, en contraste con la termodinámica, que trata únicamente la viabilidad o de la espontaneidad de una reacción, en el sentido de que esta reacción pueda ocurrir, pero no garantizando que este reacción ocurra en un intervalo finito de tiempo. La cinética química tiene por finalidad establecer cuando estará la reacción completa, que formalmente es lo mismo que determinar con que velocidad se producirá la reacción. A pesar de que el objetivo general de la cinética química sea la velocidad con que se produce una reacción, hay otros aspectos más detallados, que deberán ser conocidos si se quiere alcanzar una comprensión completa de cómo se producen las reacciones y, eventualmente, predecir teóricamente las

velocidades de la reacción. De este modo, se necesitara una información específica que permita determinar:

1. El mecanismo por el que se produce la reacción.2. La dependencia de la velocidad de la reacción con la concentración.3. La dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura.

En la práctica de laboratorio para la determinación de la cinética química de la oxidación del etanol por cromo hexavalente, se desconoce el orden y la cinética de la reacción. Partiendo de las gráficas que relacionan el tiempo y la concentración de los reactivos se puede calcular si la cinética es de primer o segundo orden para el caso del cromo hexavalente con los datos obtenidos experimentalmente.En este informe se presenta la metodología aplicada en el laboratorio para determinar la cinética del cromo hexavalente, los resultados hallados experimentalmente y su respectivo análisis.

MARCO TEORICO

La cinética permite conocer con que velocidad se desarrolla y se aproxima al equilibrio, así como cuáles serán las contribuciones cuantitativas de cada uno de los factores que influyen en la velocidad. En los sistemas homogéneos las variables que influyen son la temperatura, la presión y la composición. En los sistemas heterogéneos el problema es, más complejo ya que habrá que considerar el transporte de materia entre fases y el modo en que contactan dichas fases.

Ley de la velocidadLa ley de la velocidad es una ecuación que expresa la velocidad en función de las concentraciones de las sustancias que toman parte en la reacción y que normalmente tienen la forma:

V=k [ A ]x [ B ] y

Donde,V= velocidad o rapidez (m/s)K= constante específica de velocidadX o Y= Orden total de una reacción

Constante de velocidad (K)La constante de velocidad proporciona una medida útil de la velocidad de una reacción química a una temperatura determinada. Es importante hacer notar que sus unidades dependen del orden de la reacción.Las unidades de k vienen determinadas por la forma de la ecuación de velocidad y por el hecho de que la velocidad debe expresarse como cambio de concentración por unidad de tiempo (usualmente en mol/l × s).

Orden de una reacciónEl orden de reacción con respecto a un reactivo es el exponente de su término de concentración en la ley de velocidad. El orden de reacción global es la suma de los exponentes de todos los términos de concentración.

Cinética de orden cero[C ]−[C ]0=−kt

Cinética de orden unoln [C ]−ln [C ]0=−kt

Cinética de orden dos1

[C ]− 1

[C ]0=−kt

Ecuación de ArrheniusEn muchas reacciones y en particular en las reacciones elementales, la expresión de la velocidad puede escribirse como producto de un factor dependiente de la temperatura por otro dependiente de la composición.

lnk=−Ea

RT+ lnA

Donde, K= constante específica de velocidadEa= Energía de activación

Tiempo de vida media (t 1/2)El tiempo de vida media, es el tiempo que debe transcurrir para que la concentración inicial de un reactivo se reduzca a la mitad de su valor (Gómez , González , & Viruela, 2009). Está dado por:

[ A ]=[ A]02

→t ½

El t 1/2 para las reacciones con cinética de diferente orden:

De orden cero: t 1/2=[A ]02k

De orden uno: t 1/2=ln0,5−k

De orden dos: t 1/2=1

k [A ]0

MATERIALES

METODOLOGIA

Fuente: (Autores)

RESULTADOS

3C H 3C H 2OH +4HCrO 4−¿+16H +¿ →3CH 3COOH+4Cr+3+13 H2O ¿¿

2HCrO 4−¿+6 I−¿+14H →3 I2+2Cr+3+8H 2O ¿ ¿

eq−gk2Cr2O7=0.0037mol1000ml

∗10ml∗6eq−g1mol

=2.22×10−4 eq−g

N=

2.22×10−4

V Na2S2O3∗1000ml

1 l

2.22×10−4

2ml+0.4ml∗1000ml

1 l=0.0925

Llenar una bureta con Na2S2O3 al 0.1N

Medir 10 mL de solución de K2Cr2O7

en HCl3,6M en un elermeyer

Adicionar 4 mL de solución de KI al 3%

Titular yodo métricamente

usando almidón como titulante

Averiguar la concentración de biosulfato (0.1N)

Medir 50 mL de la solución de K2Cr2O7 en HCl3.6M en un

elermeyer

Adicionar 2 mL de etanol al momento al momento de colocar el cronómetro en 0

Medir 10 mL de la solución anterior, añadir 4 mL de la

solución de KI al 3%

Titular con Na2S2O3Calcular la concentración de

HCrO4

Repetir el precedimeinto

anterior 5 veces

T0 v (ml)Na2S2O3

(HCrO4) Cinética de orden cero

ln (HCrO4)Cinética de orden uno

1/ (HCrO4)Cinética de orden dos

2,02 1,6 0,0148 -4,2131281 67,56756769,19 1,2 0,0114 -4,47414192 87,7192982

13,26 0,9 0,00832 -4,78909302 120,19230817,43 0,7 0,00647 -5,04057917 154,55950521,24 0,6 0,00647 -5,04057917 154,559505

Fuente: (Autores)

0 5 10 15 20 250

0.005

0.01

0.015

0.02

f(x) = − 0.000469174141843565 x + 0.0154167310632005R² = 0.949627856713369

Cinetica de orden cero

t0

HCrO

4

Fuente: (Autores)

0 5 10 15 20 25

-5.2-5

-4.8-4.6-4.4-4.2

-4-3.8-3.6

f(x) = − 0.0476003523682534 x − 4.11040702766998R² = 0.953782377654586

Cinetica de primer orden

t0

ln (H

CrO

4)

Fuente: (Autores)

0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

f(x) = 5.09466683272393 x + 52.5841841012934R² = 0.93949896096904

Cinetica segundo orden

t0

1/(H

CrO

4)

Fuente: (Autores)

Dadolo anterior se escoge lacinetica de primer ordenconun R2=0.9538

1. Leyde velocidadv=k (HCrO 4)1

k=pendiente=−0.0476(HCrO4 )=paracadaconcentración

v=−0.0476 (−4,2131281 )1=0.200v=−0.0476 (−4,47414192 )1=0.203v=−0.0476 (−4,78909302 )1=0.228v=−0.0476 (−5,04057917 )1=0.239v=−0.0476 (−5,04057917 )1=0.239

Cineticaorden 2

k=pendiente=5.0947

v=5.0947 (67,5675676 )1=2.10 x10−3

v=5.0947 (87,7192982 )1=2.23 x10−3

v=5.0947 (120,192308 )1=2.39 x10−3

v=5.0947 (154,559505 )1=2.52 x 10−3

v=5.0947 (154,559505 )1=2.52x 10−3

2. t 12tiempoen quese debiohaber consumido el(HCrO4 )

t 12=0.693

k

t 12= 0.693

−0.0476=−14.558

Dado quenoes posibleun valor negativo se calculode acuerdo a lacineticade orden2

Cineticaorden 2

t 12= 1

( A0 )= 10.0190

=52.63minutos

( A0 )=1b

( A0 )= 152.584

=0.019

3.Cantidad deacido acetico formado(estequiometria)3C H 3C H 2OH +4HCrO 4−¿+16H +¿ →3CH 3COOH+4Cr+3+13 H2O ¿¿

Reactivos Observación Productos3C H3C H 2OH +4HCrO 4−¿+16H +¿ ¿¿ No se tiene en

cuenta el valor al 3C H 3COOH+4Cr+3+13H 2O

balancear la ecuación

Átomos de C: 2 ¿ Átomos de C: 2Átomos de H: 8 ≠ Átomos de H: 3Átomos de O: 5 ≠ Átomos de O: 3Átomos de Cr: 1 ¿ Átomos de Cr: 1

Se tiene en cuenta el valor al balancear

la ecuaciónÁtomos de C: 6 ¿ Átomos de C: 6

Átomos de H: 38 ¿ Átomos de H: 38Átomos de O:19 ¿ Átomos de O:19Átomos de Cr:4 ¿ Átomos de Cr:4

Fuente: (Autores)

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Las transformaciones que ocurren en una reacción química se rigen por la Ley de la conservación de la masa: Los átomos no se crean ni se destruyen durante una reacción química.

Entonces, el mismo conjunto de átomos está presente antes, durante y después de la reacción. Los cambios que ocurren en una reacción química simplemente consisten en una reordenación de los átomos.Por lo tanto una ecuación química ha de tener el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se dice entonces que la ecuación está balanceada.Entonces para este caso, tres moléculas de 3C H3C H2OH reacciona con cuatro moléculas de HCrO4−¿ ¿ y 16 moléculas de H+¿¿ para producir tres moléculas de 3C H3COOH , cuatro moléculas de Cr+3 y 13 moléculas de H 2O .

Es evidente que el comportamiento de la reacción entre el ácido crómico y el etanol, es más rápido en cuando se mezclan ambas sustancias y disminuye al pasar el tiempo, esta última parte es evidente al observa como la concentración del ácido se reduce drásticamente en las primeras muestras que se tomaron para luego mantenerse en el mismo orden. Además el comportamiento de la reacción no tiene un comportamiento regular, esto se debe a errores tomados al momento de analizar la muestra, La razón por la cual la variación de la velocidad es por la relación ente solvente y soluto y el concepto de sustancia límite, pues en cuanto más solvente se tenga más reaccionara la sustancia que actué como soluto, en cuanto a lo que es la sustancia limite, la sustancia que se encuentre en menor cantidad limitara la reacción a realizar y no se consumirá por completo la que se encuentra en exceso.

Otra causa sobre las diferencias en los resultados obtenidos fue no manejar intervalos rígidos de tiempo, los grados de libertad obtenidos al final iban a ser claramente altos, puesto que el tiempo es una variable que determina claramente el comportamiento de las reacciones químicas en el área de la cinética.

CONCLUSIONES

Los errores descritos se producen al momento de titular, principalmente cuando se agrega el indicador a la misma puesto que este tiende a asentarse y su concentración puede variar el resultado de la práctica.

El tiempo de vida media hallado experimentalmente fue de 52 minutos, un tiempo amplio lo que quiere decir que la reacción ocurre lentamente, y en ese tiempo la concentración del etanol se ha reducido solamente a la mitad.

En esta práctica se comprobó que los diferentes factores que pueden intervenir en una reacción química, para este caso son la naturaleza de los reactantes los cuales varían la velocidad de reacción en función de sus propiedades.

Bibliografía

Cinética de las reacciones químicas. (2004). En J. Izquierdo, F. Cunill, J. Tejero, M. Iborra, & C. Fité, Cinética de las reacciones químicas (pág. 9). Barcelona: Universidad de Barcelona.

Gómez , C., González , R., & Viruela, R. (2009). Open Course Ware. Recuperado el 06 de 11 de 2014, de http://ocw.uv.es/ciencias/1-1/teo_cinetica_nuevo.pdf

Harris, G. M. (1973). Cinetica Quimica. Barcelona: Reverté S.A.Velocidades y mecanismos de las reacciones químicas. (1993). Recuperado el 06 de 11 de

2014, de http://www2.uah.es/edejesus/resumenes/QG/Tema_11.pdf