Universidad de Chile Facultad de Ciencias Departamento de Química
Informe laboratorio N°7: El reloj de Yodo: Yodo: Un experimento clásico de cinética química
Alumno: Diego Ignacio Valderrama alderrama Soto Mail: diego.valderrama.sug.uchile.cl Carrera: Ingeniería en !iotecnología Molecular Fecha: "# de $unio del %&"'
Introduccin Como se e(plic) en el in*orme del la+oratorio anterior ,Un e(perimento simple de Cin-tica uímica/0 la cin-tica uímica se encarga del estudio de la rapide1 de una reacci)n uímica0 inclu2endo a las varia+les ue puedan a*ectar a la velocidad de cierta reacci)n como lo puede ser la temperatura0 concentraci)n de cada compuesto implicado 2 la presencia de catali1adores e inhi+idores. 3n este la+oratorio se estudiar4 la velocidad de una reacci)n uímica a trav-s del relo5 de 6odo0 e(perimento ue permite o+servar el e*ecto de la concentraci)n de las sustancias ue interact7an como tam+i-n el e*ecto producido por la temperatura en la reacci)n uímica del relo5 de 6odo. 8a reacci)n involucrada en este pr4ctico entre el persul*ato de amonio ,,9;/%S%<#/ 2 el 2oduro de potasio ,=I/ se puede e(presar de la siguiente manera0 sin considerar a los elementos ue no participan en la reacci)n:
−¿
−¿
⟺
−2
2 S O4 −2
S2 O 8
+ I ¿3
+ 3 I ¿
8a cual es acoplada a la siguiente reacci)n producida por el tiosul*ato de sodio ,9a%S%<>/:
−¿
−¿
⟺
−2
S 4 O6 −2
2 S2 O 3
+3 I ¿
+ I ¿3
3l acoplamiento de esta reacci)n permitir4 detectar cuando todo el
−2
S 2 O3
es consumido0
2a ue el 2odo li+erado en esta reacci)n es detectado por el almid)n ?"@0 el cual hace ue la soluci)n ue es incolora torne a un color a1ul oscuro. ara calcular la constante de velocidad se usa la siguiente ecuaci)n e(traída del paper descargado para la reali1aci)n del la+oratorio ?%@:
−¿¿ I
V =
¿
[
−2
∆ S2 O 3 ∆ T
] =k S [
−2
2 O8
]¿
Mientras ue para calcular la energía de activaci)n de la ecuaci)n de Arrhenius de la reacci)n se puede reali1ar un gr4*ico de lnB Vs "=0 del cual se o+tiene una representaci)n lineal ue permite o+tener la energía de activaci)n. Sa+iendo ue la ecuaci)n de Arrhenius por literatura ?>@ es:
− E
k = A e
a
RT
(2 )
Donde B es la constante de velocidad A una constante con las mismas unidades ue B 3a es la energía de activaci)n E es la constante de los gases 2 es la temperatura en =elvin. Al aplicar logaritmo natural se o+tiene ue: ln k =ln A −
Ea
( 3 )
RT
Finalmente0 para conocer el orden de la reacci)n se utili1a la siguiente ecuaci)n: −¿ ¿ I ¿ ¿ V = k ¿
Donde m 2 n son n7meros enteros indican el orden de la reacci)n. 8os o+5etivos especí*icos de este pr4ctico son: Determinaci)n de la le2 de velocidad e(perimental. • Determinaci)n de la constante de velocidad 2 su dependencia con la temperatura. • <+tenci)n de la energía de activaci)n. • 3studio del e*ecto de un catali1ador en la activaci)n de la reacci)n. •
!ibujo
Figura ": Monta5e de instrumentos 2 soluciones usadas en el la+oratorio.
!atos "rutos
8os datos o+tenidos en los e(perimentos se muestran e n la siguiente ta+la: a+la I: iempo medido en cada e(perimento. Experiment (NH4)2S2O8 KI (M) KNO3 (NH4)2S2O4 Notas o (M) 25mL 25mL (g) (g) 1 &.% &.% G G G &." &.% G &.>> G 2 3 &.&' &.% G &.'" G &.% &." &.%' G G 4 &.% &.&' &.; G G 5 #°$%°& &.% &." &.%' G ! #°$'(° &.% &." &.%' G 8
&.%
&."
&.%'
G
"
&.%
&."
&.%'
G
1#
&.%
&."
&.%'
G
11
&.%
&."
&.%'
G
& #°$%%° & ) *ota de &u+N,% -' ' *otas de &u+N,% -' % *otas de &u+N,% -'
Tiempo (s) %; "&" "H" >& ' "& >J
"H %J
"'
'
.nálisis de !atos ara o+tener la molaridad de los compuestos de la ecuaci)n ,"/ se procede0 en el caso del IG por e5emplo0 a calcular la cantidad de moles presentes en los %'m8 usados0 para posteriormente calcular la concentraci)n en los J'm8 de la soluci)n: 0.2 moles ⟶ 1 L xmoles ⟶ 0.025 L x =0.005 moles
⟹
⟹
0.005 moles =0.0769 M ≈ 0.077 M 0.065 L
Eeali1ando estos c4lculos a los e(perimentos "G' de la ta+la I0 ue son con los ue se tra+a5ara con la ecuaci)n ,"/ se tiene ue: a+la II: Molaridad de compuestos a utili1ar en ecuaci)n ,"/
Experiment o 1 2 3 4 5
$S2O8%2&
$I%&
−2
S 2 O3
¿
&.&HH &.&># &.&" &.&HH &.&HH
&.&HH &.&HH &.&HH &.&># &.&"
& &.&&"' &.&&"' &.&&"' &.&&"' &.&&"'
Usando la ecuaci)n ,"/ se procede a calcular tanto la velocidad como la constante de velocidad de cada e(perimento. 8os valores calculados son e(presados en la siguiente ta+la: a+la III: Velocidad 2 constante de velocidad e(perimentos "G'. Experimento 'eoi*a* , (M+s) (1+Ms) G' J.%'K"& &.&"&' 1 G' 2 ".;K"& &.&&'" GJ #.HHK"& &.&&J& 3 G' 4 '.&&K"& &.&"H" G' %.';K"& &.&"H; 5 ara poder gra*icar 2 o+tener la energía de activaci)n0 se usaran los e(perimentos ;0 J0 H 2 #0 los cuales presentan distintas temperaturas. ara el gr4*ico ser4 necesario calcular el inverso de la temperatura ,"=/0 la constante de velocidad 2 el lnB: a+la IV: c4lculo del inverso de la temperatura 2 lnB. Experiment 'eoi*a* , 1+K o (M+s) (1+Ms) (K %1) H.#K"&GJ &.&&%H >.J%K"&G> ! ;."HK"&G' &.&";> >.>HK"&G> '.&&K"&G' &.&"H" >.>JK"&G> 4#.#%K"&G' &.&>&" >.%HK"&G> 8 Kse consider) una temperatura am+iente de %'LC Usando el programa
n,
G'." G;.%' G;.&H G>.'&
3%0/
3%01
3(0/
5 3(01 n 4
310/
3101
320/ /0//%'1 /0//%%/ /0//%%1 /0//%(/ /0//%(1 /0//%1/ /0//%11 /0//%2/ /0//%21 3)
In6erso # emperatura +7 -
Figura %: r4*ico "= Vs 8nB 3ste gr4*ico presenta una recta de la *orma
Y =−6887 X + 19.02
0 la cual es an4loga a la
ecuaci)n ,>/0 permitiendo el c4lculo de la energía de activaci)n sa+iendo ue la pendiente
− E
de la recta est4 de*inida como
−6887 =
− E
R
a
donde EN #.>";$=mol:
a
R
E a=6887∗ R
⟹
Ea =
57289 J
mol
Ea = 57.289 kJ / mol
ara calcular el orden de la reacci)n se usar4 la ecuaci)n ,;/ la cual se iguala con la ecuaci)n ,"/ o+teni-ndose:
−¿¿ I
V =
¿ ¿
[
−2
∆ S2 O 3 ∆ T
] =k ¿
A la cual0 al aplicarse logaritmo ueda e(presada como:
−¿¿ I
¿ ¿
log V = log k + m log ¿ log k es una constante denominada C.
3n donde
ara calcular el orden de m es necesario ue
[ S O− ] 2
2
8
sea constante0 por lo ue para
−¿¿ I
gra*icar se considerar4n los e(perimentos "0 ; 2 ' mientras ue para calcular n
¿
ser constante0 de modo ue los e(perimentos a usar ser4n el "0 % 2 >. 8os c4lculos de los logaritmos se e(presan en la siguiente ta+la: a+la V: c4lculo logaritmos de velocidad 2 concentraciones a usar. −¿¿ log V Experimento log [ S
−2
2O8
I
]
¿ ¿
log ¿ 1 2 3 4 5
G>.; G;.#> G'.&J G;.>& G;.J&
G"."" G".;% G".H% G"."" G".""
3l gr4*ico ue permitir4 o+tener el valor de n es el siguiente:
G"."" G"."" G"."" G".;% G".H%
de+e
3(0'
9 3(0( * o 4
3(02
3)08
3)01
3)0'
4o*:+;',%-<3'=
Figura >: r4*ico para la determinaci)n de n. 8a ecuaci)n de la recta de este gr4*ico es:
Y =0.65 X −3.44
3n donde la pendiente nos indica el valor de n0 ue es 3l gr4*ico ue otorga el valor de m es el siguiente:
0.65 ≈ 1
3(0/
3(0(
9 * o 4
3(08
310' 3)08
3)01
3)0'
4o*:I<3=
Figura ;: r4*ico para la determinaci)n de m . 3ste gr4*ico tiene la ecuaci)n de la recta representada como: la pendiente nos indica el valor de n0 ue es
Y =1.41 X −2.69
3n donde
1.41 ≈ 1
or lo ue el orden de la reacci)n es de valor %. Finalmente0 para determinar el e*ecto de un catali1ador0 en especí*ico para este pr4ctico el Cu,9<>/%0 se utili1an los e(perimentos 0 "& 2 ""0 a los cuales se le calcula su velocidad 2 su constante de velocidad: a+la VI: Velocidad 2 constante de velocidad e(perimentos G"". Experimento 'eoi*a* (M+s) , (1+Ms) G' '.HHK"& &.&"H " G; ".&&K"& &.&>;% 1# G; 11 >.&&K"& &."&%' Con estos valores se puede apreciar con claridad el e*ecto de un catali1ador0 pues a medida ue se aumentan las gotas usadas del catali1ador0 aumenta la velocidad de la reacc i)n.
!iscusin Como se pudo apreciar0 el relo5 de 2odo es un e(perimento del cual se puede e(traer +astante in*ormaci)n so+re la cin-tica uímica como lo es la velocidad de reacci)n con su respectiva constante de velocidad el e*ecto producido por la temperatura el orden de la
reacci)n conociendo la concentraci)n de los reactantes 2 el e*ecto de un catali1ador en la reacci)n. 3n la determinaci)n de la le2 de velocidad e(perimental se tra+a5aron con compuestos ue presenta+an iones similares a los iones participantes en la reacci)n principal ,S<;G%
≈
S%<#G%/ e iones iguales en el caso de =9< > 2 =I0 con el o+5etivo de compro+ar ue la velocidad de reacci)n de la reacci)n acoplada es desprecia+le de+ido a ue su velocidad de reacci)n es mucho ma2or a la de la primera reacci)n. 3sto se pudo demostrar por el hecho de ue al comparar el e(perimento " con el % 2 >0 la velocidad disminu2) de+ido a ue la concentraci)n de S%<#G% disminu2) a la mitad en el e(perimento % 2 un cuarto en el e(perimento > con respecto al e(perimento "0 independientemente de ue con los iones similares ingresados la cantidad de producto *ormado sea similar a la del e(perimento ". 3ste mismo caso ocurre con el i)n = G0 lo ue se o+serva al comparar el e(perimento " con los e(perimentos ; 2 ' en donde de disminuía la concentraci)n de =I a la mitad 2 a un cuarto respectivamente0 lo ue tra5o como consecuencia la disminuci)n de la velocidad de reacci)n e indica ue la velocidad de la reacci)n principal solo se ve a*ectada0 en estos e(perimentos0 solo por la concentraci)n de los reactivos principales 2 no de los iones agregados0 lo ue permite in*erir ue la reacci)n acoplada tampoco produce un e*ecto en la velocidad de la reacci)n principal. 3n cuanto a medir el e*ecto de la temperatura en la velocidad de reacci)n0 se pudo notar en la ta+la IV ue a medida ue aumenta la temperatura0 la velocidad de la reacci)n tam+i-n aumente0 es decir la velocidad de reacci)n es directamente proporcional a la temperatura lo ue puede ser e(plicado a un nivel microsc)pico0 lo ue se har4 m4s adelante. or otro lado0 los mismos e(perimentos usados para ver el e*ecto de la temperatura sirvieron para calcular la energía de activaci)n de la reacci)n0 la cual *ue de 57.289 kJ / mol ue comparada a la o+tenida en el paper ue *ue de "%.'Bcalmol ?%@ se o+tuvo un error e(perimental del .'O. Ca+e recordar ue el valor o+tenido en B$mol de+i) ser multiplicado por un *actor de conversi)n de &.%>?;@ o+teni-ndose un valor de ">.J%Bcalmol. 8a di*erencia de este valor con el otorgado por la literatura se puede atri+uir a los propios errores e(perimentales ocurridos durante la e5ecuci)n del pr4ctico. /%/ en la reacci)n. 3sto se pudo o+servar en la ta+la VI en donde a medida ue se aumentan las gotas del catali1ador0 se aumenta la velocidad en ue ocurre la reacci)n dr4sticamente. 3l e*ecto ue tiene el catali1ador es de disminuir la energía de activaci)n para ue el paso de productos a reactantes se realice en un lapso menor de tiempo 2 por ende a una ma2or velocidad. 3n este proceso el catali1ador no participa de la reacci)n principal.
<+servando los e(perimentos a un nivel microsc)pico se puede comentar ue si 2o *uese una mol-cula de =I o+servaría en un principio del e(perimento " ue estaría rodeado de mol-culas de almid)n 2 tiosul*ato de sodio. De este 7ltimo compuesto o+servo como algunas de sus mol-culas se separan en iones de 9a 2 S%<>G% 2 comien1an a despla1arse a lo largo de la red de sílice ue nos contiene. 8uego o+servo como en las alturas comien1an a caer mol-culas de persul*ato de amonio ,?9;@%S%<#/ las cuales al chocar con nosotros comien1an a partirse en dos iones: 9; 2 S%<#G%. 3ste 7ltimo i)n comien1a a interactuar con > iones de IG0 provocando ue el i)n persul*ato se divida en dos iones de S<;G% 2 el i)n de 2odo *orme I>G. osteriormente0 transcurridos %; segundos desde ue comen1) esta interacci)n o+servo como el I>G comien1a a interactuar con dos iones de tiosul*ato0 *orm4ndose un i)n de S; iones de IG. 3s en este momento cuando el almid)n reacciona 2 se torna de un color a1ul oscuro ue nos envuelve a todas las mol-culas. Si *uese la misma mol-cula de =I en el e(perimento % 2 > o+servaría en un principio ue aparte de las mol-culas de almid)n 2 tiosul*ato de sodio ha2 mol-culas de sul*ato de amonio las cuales se separan en iones de 9; 2 S<;G%. 3ste 7ltimo i)n es igual al ue se *orma cuando interact7a el i)n persul*ato 2 los > iones de 2odo de modo ue cuando veo ue caen las mol-culas de persul*ato de amonio ,ue cada ve1 son menos en los e(perimentos % 2 >/0 2a ha+r4n iones de sul*ato en la soluci)n pero ue no interactuarían con los iones de IG pues es poca la cantidad de este i)n ue se *orma0 uedando varios iones de sul*ato ue no participarían en la velocidad de la reacci)n. Una situaci)n similar o+servaría sí estuviese presente en los e(perimentos ; 2 '0 en donde al comien1o o+servaría mol-culas de almid)n0 tiosul*ato de sodio 2 adem4s mol-culas de nitrato de potasio0 el cual se disocia en iones de = 2 9<>G. 3sto provocaría el mismo e*ecto ue en los casos anteriores ,e(perimentos % 2 >/ en donde apreciaría como estos iones no interact7an con los iones principales de la reacci)n 2 por tanto no a*ectan en la velocidad de esta. Ahora0 si 2o *uese la misma mol-cula de 2oduro de potasio pero en los e(perimentos J0 H 2 # e(perimentaría como en el e(perimento J la energía cin-tica presente es mu2 +a5a0 pues o+servo como 2o 2 las dem4s mol-culas de =I0 almid)n0 tiosul*ato de sodio 2 sul*ato de amonio nos despla1amos lentamente esto se de+e a ue macrosc)picamente corresponde al e(perimento reali1ado a una temperatura cercana a los >LC por lo ue la energía cin-tica ue poseo es poca 2 har4 ue cuando caigan las mol-culas de persul*ato de amonio0 estas no logren interactuar e*ica1mente con las dem4s mol-culas 2 se tardar4 demasiado en ue se disocien 2 comiencen a interactuar sus iones lo ue *inalmente producir4 ue el almid)n detecte el IG 2 cam+ie de color. 3n el e(perimento H como macrosc)picamente me encuentro a una temperatura cercana a los %;LC 2o tendría una ma2or energía cin-tica al igual ue las dem4s mol-culas por lo ue al caer las mol-culas de persul*ato de amonio estas se separar4n m4s r4pido de lo ue ocurría cuando esta+a en el e(perimento J0 de modo ue la reacci)n se producir4 a una ma2or velocidad. 3n el e(perimento #0 macrosc)picamente estar- a una temperatura de >>LC0 por lo ue a nivel microsc)pico apreciar- como 2o o+tengo ma2or energía cin-tica ue en los e(perimentos anteriores 2 por ende tiendo a despla1arme con ma2or velocidad lo ue traer4 como consecuencia ue al momento de ingresar las mol-culas de persul*ato de amonio0 estas se disocien r4pidamente e interact7en
con ma2or e*icacia con los iones principales0 haciendo ue se *orme IG con ma2or *recuencia 2 con ello las mol-culas de almid)n provouen ue nustro alrededor se torne de un color a1ul oscuro. Finalmente0 si *uese parte de los e(perimentos 0 "& 2 "" o+servaría ue al comien1o ha2 mol-culas de almid)n0 =9<>0 9a %S%<> 2 unas pocas de nitrato de co+re ,II/. 3stas 7ltimas tienen una *unci)n especial ue logro apreciar en el momento ue chocan las mol-culas de persul*ato de amonio contra nosotros. 8as pocas mol-culas de nitrato de co+re ,II/ hacen ue la interacci)n entre los iones de IG2 S %<#G% sea mucha m4s r4pida ue en el e(perimento #. 8a particularidad ue veo es ue el nitrato de co+re ,II/ si +ien cola+ora en ue la interacci)n se de una *orma e(pedita0 esta mol-cula no participa en la interacci)n por lo ue veo como se mantiene igual. 8a 7nica di*erencia ue se puede o+servar en estos > e(perimentos es ue cada ve1 ha2 m4s mol-culas de Cu,9<>/% por lo ue la a2uda a la interacci)n entre los iones IG2 S %<#G% es cada ve1 m4s e(pedita 2 por tanto las mol-culas de almid)n provocan el cam+io de color a nuestro alrededor en un período de tiempo m4s corto.
"iblio*rafía ?"@ $uan S. )me1G$eria. Guía de trabajos prácticos fisicoquímica II. %&"'. 4g. %;. ?%@ MoeRs0 .C.0 etrucci0 E.. The Oxidation of iodide ion by persulfate ion. $ournal o* Chemical 3ducation ,"J;/. Volumen ;". 4g: ';G''". ?>@ Departamento de 3ducaci)n0 olítica 8ingística 2 Cultura del o+ierno Vasco ,s.*./. Energía de actiaci!n" ecuaci!n de #rrhenius" catálisis. Eecuperado el "# de $unio de %&"'0 de RRR.hiru.com. ?;@ ,s.*/. $onersi!n de unidades $alorías % &oules. Eecuperado el %; de $unio de %&"'0 de RRR.unitsconversion.com.ar.
