Relojes químicos

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

INGENIERÍA FARMACÉUTICA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

Práctico No. IX

“Relojes Químicos.”

Integrantes:

Camacho López Néstor Eduardo

Piña Uribe Jesús Ely

Varela Cardoso Sandra

Grupo:

3FM1

EQUIPO 7

Profesores:

Raquel Nava Álvarez

Minerva Juárez Juárez

Fecha de entrega:

12 de Febrero de 2015

PRÁTICA IX

RELOJES QUÍMICOS.

OBJETIVOS.

Definir cinética química. Conocer las reacciones reloj. Evaluar la influencia de la concentración de un reactivo y

temperatura en la velocidad de una reacción química, mediante la determinación del orden de reacción respecto alreactivo limitante.

INTRODUCCIÓN.

La Cinética Química es la rama de la ciencia que estudia las velocidades con que ocurren las reacciones.

Velocidad de reacción.

Dada la siguiente reacción química:

aA+bB→cC+dD

donde [A], [B], [C] y [D] son la respectivas concentraciones molares instantáneas, se define velocidad de reacción como:

v=−1d [A ]adt

=−1d [B]bdt

=1d[C ]cdt

=1d[D]ddt

O sea, la variación de la concentración de una sustancia (reactivos o productos) en la unidad de tiempo, teniendo en cuentalos coeficientes estequiométricos.

La ecuación que relaciona la velocidad de una reacción con la concentración se conoce como ecuación de velocidad y debe ser determinada experimentalmente.

v=kCAaCB

b=∞t1

K= constante de velocidad

a y b= orden de reacción. Su suma da el orden global de reacción. En la mayoría de las ecuaciones de velocidad, los órdenes de reacción son 0, 1 y 2.

t= tiempo en que finaliza la reacción

α= constante de proporcionalidad

CA y CB= concentración del reactivo A y B respectivamente. Para nuestros experimentos CA es ña concentración de bisulfito de sodio y CB es la concentración de formaldehído.

Principales factores que afectan a la velocidad de reacción:

Concentración de reactivos Temperatura Catalizador o inhibidor Área superficial

La posibilidad de controlar el tiempo de las reacciones está abierta, ya que sabemos que éste depende, por un lado, de la concentración de los reactivos, la temperatura y la presión y, por

otro, de la presencia o no de un catalizador. Todos estos factoresse encuentran bajo nuestro control de tal forma que podemos decidir en qué momento y con qué rápida deseamos que se desencadenen los procesos de nuestro interés.

Las reacciones reloj, son reacciones químicas que se producen de forma casi instantánea y permiten detectar visualmente el tiempo necesario para consumir una cantidad de uno de los reactivos de lareacción principal.

Cada reacción reloj tiene un orden, una constante y un mecanismo de reacción diferentes que le confieren a cada una sus características. Pero todas son similares en presentar una primerafase en la que cierta propiedad permanece constante, lo que se denomina periodo del reloj, y una segunda en la que la propiedad cambia repentinamente; en este momento, la alarma del reloj es activada, por lo que un reloj químico puede compararse también conuna titulación ácido-base o redox. Estas variaciones se pueden detectar por medio de indicadores o a través de un pHmetro o un potenciómetro.

MATERIAL, REACTIVOS Y SOLUCIONES

16 tubos de ensaye 2 buretas graduadas (25mL) 1 cronómetro 1 soporte universal 1 pinza para bureta

Indicador: Dilución al 1% peso de fenolftaleína en una mezcla al 50% de etanol-agua destilada

Solución 1 de bisulfito: Disolver en 750 mL de agua destilada, 36 g de bisulfito de sodio (NaHSO3) y 3.2 g de sulfito de sodio anhídrido (Na2SO3) para dar un cociente molar de:

[bisulfito]/[sulfito]=14

Añadir 7.4 g de sal tetrasódica del ácido atilendiaminotetracético(EDTA) y completar a 1000 mL con agua destilada.

Solución 2 de formaldehído: Medir 180 mL de una disolución al 30% de formaldehído acuoso y completar a 1000 mL con agua destilada

DIAGRAMA DE BLOQUES

RESULTADOS.

Tabla 1. Volúmenes de reactivos, manteniendo la concentración de bisulfitoconstante

No. detubo

Solución 1 Agua Solución 2 Tiempo(s)Volumen

(mL)M

(mol/L)Volumen(mL)

Volumen(mL)

M(mol/L)

1 2.5 0.0865 6.85 0.65 0.0955 572 2.5 0.0865 6.75 0.

750.1099 33

3 2.5 0.0865 6.50 1. 0.1466 24

Preparar cadatubo según loindicado.

Hacer corridapor duplicado

Agregar lasolución de

formaldehído y

Iniciar elconteo del

tiempo

Agregar agua(volumenindicado)

Añadir a ladisolución debisulfito 5

004 2.5 0.0865 6.00 1.

500.2198 16

5 2.5 0.0865 5.50 2.00

0.2931 8

6 2.5 0.0865 5.00 2.50

0.3664 4

Tabla 2. Volúmenes de reactivos, manteniendo la concentración de formaldehídoconstante

No. detubo

Solución 1 Agua Solución 2 Tiempo(s)Volumen

(mL)M

(mol/L)Volumen (mL)

Volumen(mL)

M(mol/L)

7 0.65 0.0227 8.1 1.25 0.1832 48 0.

750.0259

8.00

1.25

0.1832

9

9 1.25

0.0432

7.50

1.25

0.1832

15

10 2.50

0.0865

6.25

1.25

0.1832

21

11 3.75

0.1297

5.00

1.25

0.1832

31

12 5.00

0.1730

3.75

1.25

0.1832

37

13 6.25

0.2162

2.50

1.25

0.1832

390

Tabla 3. Regresión lineal para determinar el orden de la reacciónLn(1/t) Ln(CA) Ln(1/t) Ln(CB)-4.0430 -2.3486 -1.3862 -3.7853-3.4965 -2.2081 -2.1972 -3.6535-3.1780 -1.9200 -2.7080 -3.1419-2.7725 -1.5191 -3.0445 -2.4476-2.0794 -1.2272 -3.4339 -2.0425-1.3862 -1.0040 -3.6109 -1.7544

-5.9661 -1.5315

-4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

f(x) = 0.548702369750687 x − 0.153903683242541R² = 0.961566960903848

Ln (Concentración de Bisulfito de sodio)

Ln (

1/t)

Gráfica 1. Regresión lineal de ln (1/t) vs ln (C de bisulfito)

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

f(x) = − 0.553345905515788 x − 4.38888718305432R² = 0.762224748096825

Ln (Concentración de formaldehído)

ln (

1/t)

Gráfica 2. Regresión lineal de ln (1/t) vs ln (C de formaldehído)

v=KCAaCBb=a

1t

lnK+alnCA+¿blnCB=lnα+ln 1t

¿

ln1t

=alnCA+z

y=0.5487x−0.1539∴a=0.5487

ln 1t

=blnCB+z

y=−0.5533x−4.3889∴a=−0.5533

Obteniendo los órdenes parciales:

Orden de reacción del bisulfito (a): 0.5487

Orden de reacción del formaldehído (b): -0.5533

Orden global

∑ [A ] [B ]=(0.5487 )+(−0.5533)=−0.0046

ANÁLISIS DE RESULTADOS.

En la reacción reloj el cambio de color marca el final de la transformación de los reactivos en productos. El tiempo que transcurre hasta el final de la reacción depende de la concentración de las especies químicas implicadas en la misma.

El tiempo de reacción tomado desde que se inicia la reacción hastala observación del cambio de color del indicador, disminuye por elincremento de la concentración inicial de sulfito a concentraciones iniciales de formaldehido y bisulfito constantes.

El indicador utilizado fue fenolftaleína. Incoloro a pH<8.0 y rojopor encima de este pH. La disolución permanece incolora durante aproximadamente más de un minuto para casi todas las disoluciones,sin embargo el pH da un “salto” y el líquido se vuelve rosa. Es

decir, el pH aumenta solo cuando todo el bisulfito original ha reaccionado completamente (la reacción se acerca a la conversión total). El aumento del pH indica que se da una producción de ioneshidroxilos.

De manera bibliográfica para mejores resultados experimentales, sesugiere utilizar un electrodo de vidrio para registrar el pH de esta reacción, donde se podría obtener un gráfico como el siguiente.

Figura 1. Variación del pH en función del tiempo en la reacción reloj de formaldehido.

(HARRIS, 2007)

Así podemos decir que el tiempo de reacción se puede ajustar cambiando la temperatura, las concentraciones o el volumen.

En el reloj de formaldehído sucede lo siguiente:

El formaldehído en medio acuoso presenta un equilibrio con el metilenglicol. Esta deshidratación es el paso que controla la velocidad de la reacción.

El formaldehído reacciona con el sulfito produciendo un intermediario que en medio ácido forma el sulfonato de hidroximetano. El medio ácido es proporcionado por el equilibrio bisulfito-sulfito.

Al disminuir la concentración de sulfito (especie atacante del formaldehído), el equilibrio bisulfito-sulfito se desplaza hacia la derecha, produciendo sulfito e H+; este último neutraliza al intermediario.

Cuando la concentración de H+ disminuye, el intermediario es neutralizado con protones del agua y, como consecuencia, el pH de la disolución se eleva provocando el cambio de color.

Para conocer cómo influyen las concentraciones en el tiempo que tarda la reacción, se realizaron varias mediciones manteniendo constante el volumen añadido de la disolución 1 y variando en cadaprueba el volumen de la disolución 2. Después se mantuvo constanteel volumen de la disolución 2 y se varió el de la disolución 1.

Con los datos anteriores se construyó una tabla de mililitros agregados, concentración inicial de los reactivos y tiempo que tarda la reacción (Tabla 1 y 2).

De acuerdo con las gráficas 1 y 2 observamos que al aumentar la concentración de formaldehído en la disolución el tiempo en que transcurre la reacción disminuye y al incrementar la concentraciónde bisulfito aumenta el tiempo en que se activa la alarma del reloj, siempre manteniendo constante el cociente molar bisulfito/ sulfito.

En la figura 2 se observa el cambio de la propiedad en el tiempo. La región constante es el periodo y en el cambio drástico se presenta la alarma de reloj. Podemos observar que el producto de la reacción se forma desde el mezclado inicial hasta alcanzar una concentración tal que se provoque un cambio notorio en el medio.

Figura 2. Modelo de una reacción reloj.

El experimento se realizó a temperatura ambiente, lo cual no afecto a la velocidad de reacción, sin embargo de hacerse bajo otras circunstancias, la temperatura si sería un parámetro crucialpara controlar la velocidad de cualquier proceso químico y, en específico, para un reloj químico. La velocidad de reacción aumenta a medida que aumentamos la temperatura. Esto es así debidoa la existencia de una barrera u obstáculo energético asociado a la formación o ruptura de enlaces químicos, la llamada Energía de Activación.

Figura 5. Curva de distribución de la energía cinética.

Así, a mayor temperatura, la curva de distribución se desplazará en la dirección de energías cinéticas mayores. Esto resulta en queel número de moléculas que tienen capacidad para reaccionar aumenta con un incremento en la temperatura y por lo tanto la rapidez de reacción aumenta.

Orden global de reacción

Ordenglobal=a+b=(0.5487 )+(−0.5533 )=−0.0046

Lo que indica que la velocidad no depende de las concentraciones de los reactivos. Para el caso de los órdenes de reacción de a y b, la constante de velocidad o constante cinética sus unidades dependen del orden de la reacción.

Existen otros métodos para determinar orden y constante de velocidad de una reacción química. A continuación se describen algunos de ellos.

Métodos para determinar el orden de reacción.

Método de las velocidades iniciales: (utilizado en la práctica).Se mide la vo en experimentos con la misma [B]o y distintas [A]o. De un gráfico de log vo en función de log de [A]o, se obtiene el orden respecto de A.

Las ventajas que presenta este método es que es barato y fácil de hace, sin embargo tiene limitantes como la exactitud en la medición del tiempo al inicio y final de la reacción ya que si no los datos y las gráficas no serían confiables y la exactitud en las concentraciones porque se podría retrasar o adelantar la reacción.

Método del aislamiento: Se fundamenta en aislar uno de loscomponentes, colocando los demás en gran exceso. Se determina elorden de reacción con respecto a ese componente.

Método gráfico: Se deben realizar los gráficos correspondientesy se debe observar cual se ajusta a una recta.

Métodos para determinar la velocidad de reacción. Métodos Químicos: Análisis fuera del reactor. Métodos Físicos: Análisis dentro del reactor. Métodos dilatométricos. Cambio en el Volumen. Métodos Ópticos Polarimetría. Cambio en la polaridad. Refractometría. Cambio en el índice de refracción. Colorimetría. Cambio en el color. Espectrofotometría. Variaciones en el espectro de luz. Métodos eléctricos conductimetría. Cambio en la

conductividad. Potenciometría. Cambio en la potencia. Polarografía. Cambio en la polaridad.

Los relojes químicos tienen aplicaciones en la conservación de losalimentos y la industria cosmética, en la refinación del petróleo,síntesis te productos básicos y productos farmacéuticos y en laregulación de procesos biológicos.

CONCLUSIONES.

Las reacciones reloj son un caso particular de la cinética químicaque ayudan a determinar el comportamiento de una reacción en undeterminado tiempo.

Al mantener constante a un reactivo, se puede conocer la manera enque influye el otro reactivo en la reacción; para de esta maneraconocer el orden de cada uno de los reactivos y con base en estoel orden de la reacción global.

De acuerdo con el tratamiento de los datos obtenidos, se observóque con respecto al formaldehido se tuvo un orden negativo, locual, de acuerdo a la bibliografía, indica que la velocidad dereacción disminuye con el incremento en su concentración, lo cuales congruente con la experimentación.

La medida de la velocidad de reacción se obtiene a partir de lacurva cinética que se consigue observando los cambios de laconcentración del indicador con el tiempo de reacción.

REFERENCIAS. Avery, H. E. (2002). Cinética química básica y mecanismos de reacción. Barcelona España: Reverté .

C., H. D. (2007). Análisis químico cuantitativo. Barcelona, España: Reverté.

Cinética Química. (s.f.). Recuperado el 11 de noviembre de 2013, de http://materias.fi.uba.ar/6302/TP6.pdf

Cortés, F. (2010). La química y el tiempo. Reacciones Reloj. . Recuperado el 11 de noviembre de 2013, de http://www.chem.arizona.edu/tpp/EdQuimReloj.pdf

ITESCAM. (2011). Cinética Química. . Recuperado el 11 de noviembrede 2013, de http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r91120.PDF

MENDEZ, M. (agosto de 1997). aplicación de la reacción reloj de formaldehido. Recuperado el 12 de octubre de 2013, de http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0610_Q.pdf

MEMORIA DE CÁLCULO.

Concentraciones de bisulfito y formaldehído.

Solución 1 de bisulfito.

Tabla 1 (Concentración de bisulfito constante).

Tabla 2.

Solución 2 de formaldehído.

Tabla 1.

Tabla 2 (Concentración de formaldehído constante).