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PRÁCTICA 4 QUÍMICA INDUSTRIAL | CINÉTICA QUÍMICA

INTEGRANTES OBJETIVOS  Observar el efecto que tiene sobre la velocidad de reacción, cada uno de los siguientes factores: superficie de contacto, concentración y temperatura.  Explicar el efecto que produce la presencia de un catalizador en una reacción química.  Determinar el valor de la energía de activación.

RESUMEN En esta práctica, se realizaron cuatro experimentos, con el objetivo de observar prácticamente el efecto de la velocidad de reacción en cuatro escenarios diferentes. En el primer experimento, se analizó la velocidad de reacción mediante la modificación de la superficie de contacto, ayudándonos de tres pastillas efervescentes, añadimos una pastilla completa, una en partida en tres pedazos y la última fue añadida después de ser pulverizada en el mortero en tres vasos de agua destilada con en 50 ml cada vaso. Aquí, pudimos observar que la velocidad de reacción fue mayor en el vaso con la pastilla hecha polvo, dicha reacción tardó 32 segundos en ocurrir. En el segundo experimento, añadimos en cinco vasos 10 ml de yodato de potasio (KIO3) a diferentes concentraciones molares, a este reactivo, le añadimos 1 ml de almidón y 10 ml de bisulfito de sodio (NaHSO3), medimos el tiempo que tardaba en ocurrir la reacción en cada concentración. El resultado fue que la reacción que más rápido ocurrió fue la que estaba a mayor concentración, tardando 39 segundos y a una velocidad de 𝟏. 𝟓𝒙𝟏𝟎−𝟑

𝒎𝒐𝒍 𝑳𝒔

.

En el tercer experimento, medimos 2 ml de permanganato de potasio (KMnO 4) y 1 ml de ácido sulfúrico (H2SO4) en un tubo de ensayo, y en otro tubo agregamos 9 ml de ácido oxálico (C2H2O4) y los calentamos a baño maría durante 2 minutos para que alcanzara la temperatura del agua (calentada previamente a una determinada temperatura); añadimos el ácido oxálico al permanganato de potasio y comenzamos a agitar la solución mientras mediamos el tiempo que tardaba en hacerse transparente, o sea, medimos el tiempo que tardaba en reaccionar. Repetimos este experimento con temperaturas de 30, 40, 50 y 60 °C. Con este experimento pudimos determinar la energía de activación, la cual fue de 𝟓𝟖𝟏𝟒𝟒. 𝟓𝟏𝟓𝟕

𝑱 𝒎𝒐𝒍

.

Finalmente, para el experimento cuatro, repetimos el experimento anterior, solo que esta vez solo lo hicimos con la temperatura de 30 °C; además de que añadimos un catalizador a la solución. Añadimos cinco gotas de sulfato de manganeso a la solución, el tiempo de reacción fue mucho menor. ABSTRACT In This practice, four experiments were carried out, with the aim of observing practically the effect of the reaction speed in four different scenarios. In the first experiment, The reaction rate was analyzed by modifying the contact surface, helping us with three effervescent tablets, we added A Pill Complete, one in three pieces and the last was added after being pulverized into the mortar in three glasses of distilled water with at 50 ml Every glass. Here, we could see that the reaction rate was higher in the cup with the pill made powder, this reaction took 32 seconds to occur. In The second experiment, we added in five glasses 10 ml of potassium iodide (KIO 3) at different molar concentrations, to this reagent, we add 1 ml of starch and 10 ml of sodium bisulfite (NaHSO3), we measured the time it took for the reaction to occur at each concentration. The result was that the fastest reaction occurred was the one that was at the highest concentration, taking 39 seconds and at a speed of 𝟏. 𝟓𝒙𝟏𝟎−𝟑

𝒎𝒐𝒍 𝑳𝒔

.

In The third experiment, we measured 2 ml of potassium permanganate (KMnO4) and 1 ml of sulfuric acid (H2SO4) In a test tube, and in another tube we add 9 ml of oxalic acid (C2H2O4) and heat them to Bain-marie for 2 minutes to reach the water temperature (pre-heated to a certain temperature); We added oxalic acid to potassium permanganate and began to agitate the solution while mediating the time it took to become transparent, that is, we measured the time it took to react. We Repeat this experiment with Temperatures of 30, 40, 50 and 60 ° C. With This experiment we were able to determine the activation energy, which was 𝟓𝟖𝟏𝟒𝟒. 𝟓𝟏𝟓𝟕

𝑱 𝒎𝒐𝒍

.

Finally, for experiment Four, we repeat the previous experiment, only this time we only did it with the temperature of 30 °C; Plus, we add a catalyst to the solution. We Added five drops of manganese sulfate to the solution, the reaction time was lower.

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INTRODUCCIÓN TEÓRICA Material y equipo. • 2 Tubos de ensayo de 16 x 150 mm • • • • • • • • • • • • • •

1 Gradilla de madera 1 Probeta de 50 mL 1 Vaso de precipitados de 500 mL 4 Vasos de precipitados de 100 mL Soporte universal con anillo 1 Tela de alambre con asbesto 1 Mechero de Bunsen Pinzas para tubo de ensayo 1 Termómetro (-10 a 110°C) 1 Pipeta graduada de 10 mL 1 Cronómetro 1 Mortero con pistilo 1 Agitador de vidrio Buretas de 25 mL, en un soporte

Sustancias. • 0,25 M de H2SO4 • 0,0025 M de KMnO4 • 0,0025 M de C2H2O4 • 0,045 M de MnSO4 • 0,005, 0.01, 0.013, • 0,017 y 0,02 M de KIO3 • 0,01 M de NaHSO3 • al 1% peso de almidón • agua destilada • Tabletas efervescentes

La velocidad de la reacción sería una expresión de la forma:

es decir, se trata de ver la variación del número de moles “ n” (o concentración “[ ]”) de una sustancia, que intervenga en la reacción, con respecto al tiempo. Por lo tanto, la velocidad de una reacción, “v”, es una magnitud positiva que nos permite determinar la variación que experimenta cualquier reactivo o producto con respecto al tiempo. Para la siguiente reacción genérica: aA + bB à cC + dD

Es así como se define la velocidad, y por lo tanto, su unidad será Molaridad/seg, es decir, mol.L-1.s-1

En general, la velocidad depende de las concentraciones de los reactivos, y a medida que estos se consumen, la velocidad de reacción disminuye. Es importante destacar que, en la mayoría de las reacciones, los reactivos nunca se agotan. Llega un momento en que la concentración de reactivos y productos no varía con el tiempo, a pesar de que la reacción siga transcurriendo. Lo que realmente ocurre es que la velocidad con la que los reactivos desaparecen para formar productos es la misma con la que los productos reaccionan entre sí para formar de nuevo los reactivos (por eso no se agotan). Cuando esta situación se produce, decimos que se ha alcanzado el equilibrio.

2

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DIAGRAMAS DE BLOQUES.

Experimento 1.

Experimento 2.

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Experimento 3.

Experimento 4.

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Por regresión lineal: r=-0.97 No podemos hacer los cálculos ya que r no cumple con “𝑟 ≥ 0.985”. Hacemos un ajuste y obtenemos la siguiente tabla: Tiempo T de Temperatura 1/T (k) (°C) reacción (°k) (s). 1 30 296 303.15 3.2987𝑥10−3 2 40 143 313.15 3.1933𝑥10−3 3 50 72 323.15 3.00945𝑥10−3 4 60 37 333.15 3.0016𝑥10−3

Cálculos y resultados. I.- Tabla modificación de la superficie de contacto. Tableta Tiempo de reacción (s) 1 Entera 50 2 Dos partes 39 3 Polvo 32 II.-Tabla efecto de la concentración. 𝒎𝒐𝒍 𝒎𝒐𝒍 [𝑲𝑰𝑶𝟑 ] [𝑵𝒂𝑯𝑺𝑶𝟑 ] 𝑳 𝑳 1 2 3 4 5

0.005 0.01 0.013 0.017 0.02

0.01 0.01 0.01 0.01 0.01

Tiempo de reacción (s). 158 64 51 41 39

𝑪𝒇 − 𝑪𝟎 𝒕𝒇 − 𝒕𝟎 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 0.01 − 0.005 𝐿 𝐿 = −𝟓. 𝟑𝟏𝟗𝟏𝒙𝟏𝟎−𝟓 𝒎𝒐𝒍 𝑉12 = 64 𝑠 − 158 𝑠 𝑳𝒔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 0.013 − 0.01 𝐿 𝐿 = −𝟐. 𝟑𝟎𝟕𝟗𝒙𝟏𝟎−𝟒 𝒎𝒐𝒍 𝑉23 = 51 𝑠 − 64 𝑠 𝑳𝒔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 0.017 − 0.013 𝐿 𝐿 = −𝟒𝒙𝟏𝟎−𝟒 𝒎𝒐𝒍 𝑉34 = 41 𝑠 − 51 𝑠 𝑳𝒔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 0.02 − 0.017 𝐿 𝐿 = −𝟏. 𝟓𝒙𝟏𝟎−𝟑 𝒎𝒐𝒍 𝑉45 = 39 𝑠 − 41 𝑠 𝑳𝒔 𝑽=

1 2 3 4

5.69 4.97 4.28 3.61

Por regresión lineal: r*=0.99 r cumple con “𝑟 ≥ 0.985”, por lo tanto, podemos obtener “m” y “b”. m* = 6993.1464 b* = -17.3726 Energía de activación: 1 ln(𝑡) = 𝑚 ( ) + 𝑏 𝑡 1 ln(𝑡) = 6993.1464 °k ( ) − 17.3726 𝑡 𝐸𝑎 = 𝑚𝑅 𝐽 𝐸𝑎 = 6993.1464 °k (8.3145 ) 𝑚𝑜𝑙°𝑘 𝑱 𝑬𝒂 = 𝟓𝟖𝟏𝟒𝟒. 𝟓𝟏𝟓𝟕 𝒎𝒐𝒍

Velocidad de reacción:

III.-Tabal efecto de la temperatura. Vol. Vol. Vol. 𝑲𝑴𝑵𝑶𝟒 𝑪𝟐 𝑯𝟐 𝟎𝟒 𝑯𝟐 𝑺𝑶𝟒 T(°C) 0.0025 M 0.0025 0.25M (ml) M (ml) (ml) 30 9 2 1 40 9 2 1 50 9 2 1 60 9 2 1

ln(t)

lV.-Tabal efecto del catalizador. t (s). 296 143 72 37

1

5

T(°C)

Vol. 𝑲𝑴𝑵𝑶𝟒 0.0025 M (ml)

30

2

Vol. 𝑯𝟐 𝑺𝑶𝟒 0.25M (ml) 1

Catalizador

t (s).

𝑀𝑛𝑆𝑂𝟒

23

7.

CUESTIONARIO 1.

2.

3.

¿Cuál es la relación entre la variación de la superficie de contacto y el tiempo de reacción? Entre mayor sea la superficie de contacto mayor será el tiempo en que tarde en completarse la reacción y viceversa, entre menor sea la superficie de contacto la reacción será más rápida. ¿Qué diferencia hay entre velocidad de reacción y tiempo de reacción? El tiempo de reacción es el tiempo que tarda en efectuarse una reacción química y es inversamente proporcional a la velocidad de reacción. Mayor tiempo de reacción - menor velocidad. Menor tiempo de reacción - mayor velocidad. Con los datos experimentales anotados en la tabla N°2, represente en una gráfica, la variación de la concentración con respecto al tiempo.

8.

9.

Concentración

Valores Y 0.025

0.02 0.017 0.013 0.01

0.02 0.015 0.01

0.005

0.005 0 0

50

100

150

Tiempo

5.

6.

Calcule la velocidad media de la reacción llevada a cabo en el experimento N°2 ¿Qué significado tiene el signo negativo que se antepone al cálculo? 𝑋𝑓 − 𝑋𝑜 0.02 − 0.01 𝑚𝑜𝑙 𝑣= = = −8.4036𝑥10−5 𝑡𝑓 − 𝑡𝑜 39 − 158 𝐿𝑠𝑒𝑔 El signo negativo significa que es una reacción exotérmica y está desprendiendo calor. Explique con base en lo que establece la teoría de las colisiones, cual es el efecto que se produce al aumentar la concentración y la temperatura en una reacción química. Al aumentar la concentración el número de partículas chocando es mayor por lo cual la reacción será más rápida de igual manera al aumentar la temperatura las partículas comenzaran a moverse más rápido y hará que la reacción se realice en menos tiempo Construya la grafica de ln θ (eje y) vs 1/T (eje x) donde θ este en segundos y T en unidades kelvin.

Valores Y

Tiempo

4.

5.69 4.96 4.27 6 3.61 4 2 0 0.0029 0.003 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034

Temperatura

Calcule el valor de la energía de activación (Ea) para la reacción llevada a cabo en el experimento N°3. Exprese el resultado en KJ/mol. 𝐸𝑎 1 ln(𝑡) = ( ) ( ) + 𝐶 𝑅 𝑇 𝐸𝑎 = 𝑚 ∴ 𝐸𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑅 = 6993.1464 ∗ 8.314 𝑅 𝑘𝐽 = 58141.0191 𝑚𝑜𝑙 𝐾 Establezca la ecuación que relacione el tiempo de reacción con la temperatura y calcule el tiempo que tardaría en llevarse a cabo esta reacción a 25°C 𝐸𝑎 58141.0191 ln(𝑡) = = − 17.3726 = 80.7682 𝑅𝑇 1.987 ∗ 298.15 ln(𝑡) = 80.7682 𝑒 −80.7682 = 1.19𝑥1035 𝑠.

200

¿Qué función desempeña un catalizador? Explique en términos de su acción sobre la energía de activación. El catalizador altera la velocidad de reacción para acelerar o disminuir la reacción dando o quitando energía. 10. ¿Qué importancia tiene desde un punto de vista industrial, el conocer los factores y como modifican la velocidad de un proceso de transformación química? En la industria los tiempos son muy importantes y saber cómo disminuirlos podría hacer que la producción de algún producto mejore disminuyendo el tiempo del proceso de este o también como hacer que el tiempo se eleve en caso de ser necesario, de esta manera aprovechando los recursos disponibles al máximo y evitar desperdicios.

CONCLUSIÓN En el experimento de superficie de contacto se concluye que la pastilla que se hizo polvo, tardo menos tiempo en reaccionar, esto debido a que a menor tamaño de partícula (en este caso, las partículas de polvo son más pequeñas que las de la pastilla entera), mayor superficie de contacto para la misma cantidad de materia y a mayor superficie de contacto, mayor velocidad de reacción. El efecto de la concentración de los reactivos en alguna solución también afecta la velocidad de reacción, se observó que a mayor concentración de KIO3, la velocidad de reacción al colocar el NaHSO3 fue más rápida. La diferencia de tiempos con los demás equipos es debido a que se pudo haber agregado más o menos KIO3 por eso la velocidad de reacción fue distinta. La temperatura representó un tipo de energía presente en la reacción, observamos que a mayor temperatura la velocidad de reacción es más rápida. Otro efecto que ayudo a que esta reacción ocurriera más rápido, fue la agitación del contenido con la varilla, ya que se mezclaron íntimamente los reactivos aumentando la superficie de contacto entre ellos logrando así, que la coloración violeta desapareciera. En cuanto al catalizador que se agregó a la mezcla de reacción, logró acelerar la velocidad de reacción, comparada con la reacción a la misma temperatura en la que no se utilizó catalizador.