Informe Reloj De Yodo 6y416n

ESTUDIO DE LA CINÉTICA QUÍMICA DE UNA REACCIÓN DE RELOJ

MURCIA E, RIOS K e MORENO E 1

Universidad de la Amazonia, Facultad de Ciencias Básicas, Programa de Química Correo-e: [email protected]

RESUMEN – A palavra RESUMO deverá ser digitada em letras maiúsculas e o texto em letras minúsculas, em itálico, continuando na mesmo linha em um único parágrafo com letra Times New Roman 12 e espaçamento simples. Depois da margem esquerda e antes da direita deverá haver um espaço de 10 mm. O texto deverá conter o objetivo do trabalho, a metodologia empregada e os principais resultados quantitativos e qualitativos.

1. INTRODUCCIÓN La ley de velocidad es la dependencia observada de la reacción de las concentraciones de las especies reactivas, por lo regular los reactivos, pero en algunos casos también los productos. En la expresión matemática para la expresión de la ley de velocidad (Ec. 1) las concentraciones de los reactivos y los productos están elevados por una potencia que puede ser positiva, negativa, cero o fraccional, para el caso de 𝐴 + 𝐵 → 𝐶 la ley de velocidad se puede expresar así: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑘[𝐴]m[B]n

Ec.1

Donde k es la constante de velocidad, los valores m y n son las potencias a las cuales están elevadas las concentraciones A y B respectivamente. (Kuhn et al.,2009). Normalmente las reacciones conducen a un equilibrio con concentraciones medibles de los reactivos y los productos. Ver Figura 1.

Figura 1. Reactivos y productos en equilibrio en un determinado tiempo.

Una serie de reacciones de gran fascinación de importancia para explicar conceptos de

cinética química son las reacciones tipo reloj. Algunos autores solo consideran que una reacción de reloj solo es apropiada para reacciones que presentan relación estequiométrica tal que el final del periodo se caracteriza por el agotamiento de un reactivo. Sin embargo, se ha demostrado que la reacción entre Sulfito (SO32-) y Yodato (IO3-) no solo depende del agotamiento del Sulfito sino también de la producción auto catalítica de Yoduro (I-) y H+ para mostrar la abrupta formación de Yodo. (Sant'anna et al, 2013)

2.METODOLOGIA 2.1. Materiales En la tabla 1 está especificado los materiales e instrumentos de trabajo que fueron utilizados en esta práctica. Tabla 1.Material de trabajo

Material

Cantidad

Cronometro

1

Pipeta de 10 mL

2

Pipeta de 5 mL

2

Beaker de 50 mL

6

Como reactivos de trabajo (Tabla 2) se utilizó 200 mL de Ácido Sulfúrico 0,7 M (H2SO4), 60 mL de Bromato de Potasio 0,01 M en H2SO4 0,7 M (KBrO3 0,01 M) y 250 mL de Yoduro de Potasio 0,005 M en H2SO4 0,7 M (KI 0,005 M). Tabla 2. Reactivos utilizados en la práctica.

Reactivo

Descripción

Cantidad (mL)

Ácido Sulfúrico

H2SO4 0,7 M

200

Bromato de Potasio

KBrO3 0,01 M

60

Yoduro de Potasio

KI 0,005 M

250

2.2. Reacción del Reloj de Yodo Para el estudio cinético de la reacción del reloj de Yodo, se realizó 6 mezclas diferentes y rotuladas de 1 a 6,en beakers de 50 mL, en donde se varió la concentración de uno de los reactantes en estudio, en el caso del Bromato de Potasio (Tabla 3), la cantidad de su volumen fue adicionado creciente mente (2 mL,3 mL, 4 mL, 5 mL, 6 mL y 7 mL) y a la vez la vez el volumen de Ácido sulfúrico 0,7 M fue de manera decreciente (6 mL, 5 mL, 4 mL, 3 mL, 2 mL y 1 mL), no se adicionó volumen de Agua y al final se adicionó para cada

Beaker 2 mL de Yoduro de Potasio 0,005 M. Nota: Cuando se había adicionado la mitad de volumen de KI 0,005 M (1 mL) a la mezcla se toma el tiempo en el cronometro y se detuvo el tiempo cuando la solución pasó de color café rojizo a color amarillo nítidamente definido. Tabla 3. Determinación de Orden de Reacción del Bromato de Potasio.

Reactivo/mezcla KBrO3 0,01 M H2SO4 0,7 M H2O KI 0,005 M

1 (mL) 2 6 0 2

2 (mL) 3 5 0 2

3 (mL) 4 4 0 2

4 (mL) 5 3 0 2

5 (mL) 6 2 0 2

6 (mL) 7 1 0 2

Para la determinación del orden de reacción del Ácido sulfúrico (Tabla 4) de igual manera se procedio realizando 6 soluciones 1 a 6 rotuladas, que en este caso el H2SO4 0,7 M, fue adicionado en volúmenes crecientes ( 1 mL, 2 mL, 3 mL, 4 mL, 5 mL y 6 mL), y agua destilada de manera decreciente, el volumen de Bromato de Potasio 0,001 M fue constante en las 6 soluciones (2 mL), de igual manera el volumen de KI 0,005 M, fue de 2 mL en las seis soluciones. Nota: Cuando se había adicionado la mitad de volumen de KI 0,005 M (1 mL) a la mezcla se toma el tiempo en el cronometro y se detuvo el tiempo cuando la solución pasó de color café rojizo a color amarillo nítidamente definido. Tabla 4. Determinación de orden de Reacción del Ácido Sulfúrico

Reactivo/mezcla KBrO3 0,01 M H2SO4 0,7 M H2O KI 0,005 M

1 (mL) 2 1 5 2

2 (mL) 2 2 4 2

3 (mL) 2 3 3 2

4 (mL) 2 4 2 2

5 (mL) 2 5 1 2

6 (mL) 2 6 0 2

Para la determinación del orden de reacción del Yoduro de Potasio (Tabla 5) de igual manera se procedió realizando 6 soluciones 1 a 6 rotuladas, el volumen de Bromato de Potasio 0,001 M fue constante 5 mL en las 6 soluciones, el volumen de H2SO4 0,7 M, fue adicionado de manera de manera decreciente (18 mL, 16 mL, 14 mL, 12 mL, 10 mL y 8 mL), no hubo adición de Agua destilada y el volumen de KI 0,005 M fue adicionado de manera creciente (2 mL, 4 mL, 6 mL, 8 mL, 10 mL y 12 mL) en las seis soluciones respectivamente. Nota: Cuando se había adicionado la mitad de volumen de KI 0,005 M a cada mezcla se toma el tiempo en el cronometro y se detuvo el tiempo cuando la solución pasó de color café rojizo a color amarillo nítidamente definido. Tabla 5. Determinación del Orden de Reacción del Yoduro de Potasio.

Reactivo/mezcla KBrO3 0,01 M H2SO4 0,7 M H2O KI 0,005 M

1 (mL) 5 18 0 2

2 (mL) 5 16 0 4

3 (mL) 5 14 0 6

4 (mL) 5 12 0 8

5 (mL) 5 10 0 10

6 (mL) 5 8 0 12

Resultados Se reconoce que el orden de reacción ejerce su influencia durante el proceso de la reacción (rnx). Dado que el orden controla el cómo afecta las concentraciones a la velocidad de rxn, y finalmente también es apoyada en la temperatura, (Química Cinética) a la cual se determine pues puede generar una mayor energía al sistema incrementando así su velocidad dando una mayor colisión de partículas (Química general). Y finalmente podemos decir que el orden de reacción no está necesariamente relacionado a la estequiometria de la reacción, a menos que la reacción sea elemental. Reacciones complejas pueden tener o no órdenes de reacción iguales a sus coeficientes estequiométricos. Para ellos en las tablas 6, 7 y 8 se encuentran los datos respectivos para las determinaciones del orden de reacción para el Bromuro, Ácido sulfúrico y el yoduro de potasio, siguiendo el método de las velocidades iniciales que facilita encontrar tales órdenes siguiendo la siguiente ecuación de recta como se muestra en la ecuación 1, donde α es el orden de reacción. 𝐿𝑜𝑔 𝑣0 = α ∗ Log[A] + 𝐿𝑜𝑔𝑘

Ec 2

Tabla 6. Determinación del orden de reacción para el Bromuro. Tiempo

Concentración

Vel 1

Vell 2

V Final

Ln de []

Ln V

301

0,002

-5,51528

1,01173E-05

1,0117E-05

-6,2146081

-11,5012668

223

0,003

-4,08476

1,50131E-05

1,5013E-05

-5,80914299

-11,1065868

161

0,004

-2,94768

2,05455E-05

2,0546E-05

-5,52146092

-10,7928668

109

0,005

-1,994

2,67294E-05

2,6729E-05

-5,29831737

-10,5297468

95

0,006

-1,73724

2,86916E-05

2,8692E-05

-5,11599581

-10,4589068

Teniendo en cuenta la tabla número 6 se puede observar que a medida que avanza la reacción y se aumenta la concentración y disminuye el tiempo de reacción., posterior a ellos también se puede decir que entre menor sea la concentración del KBrO3 más tiempo tarda la reacción, lo cual indica que la velocidad de la reacción depende de la concentración del KBrO3, esto se puede ver en la gráfica 1 determinación del orden de reacción para el Bromato en donde se evidencia en la gráfica izquierda lo anteriormente mencionado y finalmente en la gráfica del lado derecho se determina el orden de reacción para el KBrO3 de orden 1, con un coeficiente de correlación de 0,9991 lo que indica que el dato es confiable.

Grafica 1. Determinación del orden de reacción del Bromato Tabla 7. Determinación del orden de Reacción para el Ácido Sulfúrico. Tiempo 779 621 523 490 395 301

Concentración 0,07 0,14 0,21 0,28 0,35 0,42

Vel 1 -2436,0848 -1941,9872 -1635,5216 -1532,324 -1235,24 -941,2832

Vel 2 0,000277284 0,000521673 0,000772043 0,000880985 0,001288251 0,001876269

V Final 2,77e-04 0,00052167 0,00077204 0,00088098 0,00128825 0,00187627

LN De [] -2,65926004 -1,96611286 -1,56064775 -1,27296568 -1,04982212 -0,86750057

LN V -8,19047006 -7,55847006 -7,16647006 -7,03447006 -6,65447006 -6,27847006

Teniendo en cuenta la tabla 7 se puede observar que a medida que avanza la reacción y se aumenta la concentración y disminuye el tiempo de reacción y correlacionado a la gráfica 2 donde se observa lo anteriormente explicado, Entonces se puede observar Determinación del orden de reacción para el ácido sulfúrico (H2SO4) entre mayor concentración de H2SO4 tarda menos tiempo en llevarse a cabo la reacción lo cual indica que la velocidad de la reacción depende de la concentración del H2SO4 siendo esta también de orden 1 como se puede ver en la parte la gráfica derecha con un coeficiente de correlación de 0,971 lo que indica que el dato es confiable.

Grafica 2. Determinación del orden de reacción del ácido Sulfúrico

Tabla 8. Determinación del Orden de Reacción para el Yoduro.

Tiempo 242 336 348 370 402 509

Concentración 0,0004 0,0008 0,0012 0,0016 0,002 0,0024

Vel 1 -0,02482 -0,03046 -0,03118 -0,0325 -0,03442 -0,04084

Vel 2 3,73664E-06 9,83931E-06 1,11338E-05 1,39654E-05 1,94177E-05 5,84567E-05

V final 3,7366E-06 9,8393E-06 1,1134E-05 1,3965E-05 1,9418E-05 5,8457E-05

LN [] -7,82404601 -7,13089883 -6,72543372 -6,43775165 -6,2146081 -6,03228654

LN V -12,4973246 -11,5291246 -11,4055246 -11,1789246 -10,8493246 -9,74722456

Teniendo en cuenta la tabla número 8 se puede observar que a medida que avanza la reacción y se aumenta la concentración y aumenta el tiempo de reacción, entonces entre menor cantidad de tenga el KI se va a tener menor tiempo de reacción (ver grafica 2 izquierda) datos que se pueden verificar en la tabla 2, y en la en la gráfica 3 diseñada en el lado derecho se logra determinar que el orden para IK es de 1 con un coeficiente de correlación de 0,956 lo que indica que el dato es confiable.

Grafica 3. Determinación del orden de reacción del Yoduro de Potasio

Una vez obtenido los órdenes de reacción se procedió a determinar la constante de velocidad, como se observa en la ecuación 3, donde b es el valor del intercepto que arroja la ecuación de cada recta. Esta ecuación se deriva de la ecuación 2. 𝑘 = 10𝑏

Ec 3

Tabla 9Constantes cinéticas.

Experimento Bromato Ácido Yoduro

Constante(M-1* s-1) 1,9E+5 3,8E+5 4,8E+4

Los valores de la constante de velocidad nos indican el número de moles por unidad del volumen de la sustancia que reaccionaron en una unidad de tiempo. Al agregar Yodo molecular (I2) al inicio de la reacción, habrá reacción Bromato-Yodo yy esta se puede explicar en dos etapas (Chinake & Simoyi, 1995). 1) La primera etapa indica el agotamiento del yodo hasta que el IBr alcanza su máximo valor, como se muestra en la reacción 1 𝐵𝑟𝑂3− + 𝐼2 → 𝐼𝑂2− + 𝐼𝐵𝑟

Rx. 1

2) La segunda etapa se muestra el agotamiento del IBr hasta la formación de Bromo molecular, mientras el Bromato actúa formando yodato, como se muestra en la reacción 2. 𝐵𝑟𝑂3− + 𝐼𝐵𝑟 → 𝐼𝑂3− + 𝐵𝑟2

Rx. 2

En el anexo 1 se muestra una secuencia de reacciones con sus respectivas constantes cinéticas, en esta secuencia se presentan todas las reacciones que participan en el mecanismo de interés (reacción Yoduro-Bromato), por lo tanto se puede analizar este mecanismo teniendo en cuenta las constantes cinéticas. En la primera etapa 𝐾 = 44,3 𝑀−1 𝑠 −1 , esta constante es baja en relación a las demás presentes en la secuencia, por lo tanto hay un lento consumo de Yoduro que produce ácido bromoso y ácido hipoyodoso, como se muestra en la Error! Reference source not found. 3. En la segunda etapa 𝐾 = 3,1. 1012 𝑀−1 𝑠 −1, esta constante indica hay un rápido consumo de yoduro, el cual reacciona con el ácido hipoyodoso para producir Yodo molecular, como se muestra en la reacción 4. En la tercera etapa 𝐾 = 8 ∗ 108 𝑀−1 𝑠 −1 , la constante revela que el yodo molecular y el ácido hipoyodoso ligeramente forman bromuro de yodo, como se muestra en la reacción5. En la cuarta etapa 𝐾 = 8 ∗ 10−4 𝑀−1 𝑠 −1, la constante indica que el bromuro de yodo reacciona lentamente con el bromato para producir yodato, como se muestra en la reacción 6Error! Reference source not found.. En la etapa cinco 𝐾 = 4,1 ∗ 109 𝑀−1 𝑠 −1 , según el valor de la constante se descifra que hay una rápida reacción entre bromuro y el ácido hipobromoso para producir bromo molecular, como se muestra en la reacción 7Error! Reference source not found.. 𝐵𝑟𝑂3− + 𝐼 − + 2𝐻 + → 𝐻𝐵𝑟𝑂2 + 𝐻𝑂𝐼

Rx. 3

𝐻𝑂𝐼 + 𝐼 − + 𝐻 + → 𝐼2(𝑎𝑐) + 𝐻2 𝑂

Rx. 4

𝐼2(𝑎𝑐) + 𝐻𝑂𝐵𝑟 → 𝐼𝐵𝑟(𝑎𝑐) + 𝐻𝐼𝑂

Rx. 5

𝐵𝑟𝑂3− + 𝐼𝐵𝑟 + 𝐻2 𝑂 → 𝐼𝑂3− + 𝐵𝑟 − + 𝐻𝑂𝐵𝑟 + 𝐻 +

Rx. 6

𝐵𝑟 − + 𝐻𝑂𝐵𝑟 + 𝐻 + → 𝐵𝑟2 (𝑎𝑐) + 𝐻2 𝑂

Rx. 7

Por otro lado existe una competencia cinética entre las reacciones que involucran mismas especies, en el caso del bromato, que está presente en la etapa 1 y 4 hay una competencia clara, pues es más lenta la reacción 4 𝐾 = 8 ∗ 10−4 𝑀−1 𝑠 −1 que la 1 𝐾 = 44,3 𝑀−1 𝑠 −1 . Como bien se observa en la Error! Reference source not found. hay menor cantidad de especies que reaccionan en esta, a diferencia de lo que ocurre en la Error! Reference source not found., que las especias que participan son más, las cuales forman otras y para esto necesitaran más tiempo de reacción, o sea velocidad más lenta. Con respecto al yoduro (I-) que aparece en las etapas 1 y 2, en la Error! Reference source not found. este se consume lentamente K=44,3 M^(-1) s^(-1), mientras que en la Error! Reference source not found. actúa ligeramente con el ácido hipoyodoso formando yodo molecular, la competencia cinética se inclina para la reacción 2 que es más rápida. Por su parte el Yodo participa como reactivo en la etapa 3 𝐾 = 8 ∗ 108 𝑀−1 𝑠 −1 que es una de las más rápidas, y como producto en la etapa 2, la competencia en la etapa 3 es poca, pues el yodo es necesario allí para la formación de las dos especies que se producen.

Conclusiones

El orden global de la reacción para el reloj de yodo es de orden 3, ya que para cada uno de las órdenes de reacción para el bromato, ácido sulfúrico y el yoduro de potasio fueron de orden 1, y la constante de velocidad para la reacción. Observando las gráficas de concentración vs tiempo se puede afirmar que la reacción con exceso de KI es una reacción lenta, cuando hay en exceso KBrO3 la velocidad de reacción es rápida y lo mismo sucede cuando se agrega en exceso ácido, además los valores de las constantes obtenidas en la tabla lo confirman.

REFERENCIAS CERON J, LANDA V, ROBLES J, Química general, universidad católica del Peru: Lima http://corinto.pu.edu.pe/quimicageneral/contenido/como-citarnos.html CHINAKE C, & SIMOYI R, Kinetics and Mechanism of the complex Bromate-Iodine Reaction J. Phys. Chem. 100, p.1643-1656, 1995 KUHN H, FORSTERLING H-D, WALDECK D, Principios de Fisicoquímica. México D.F: Editorial Cengage Learning, 2009. Laboratorio CCAA_V4 Práctica 1 Cinética Química. (2018) https://www.ingenieriaquimica.net/media/kunena/attachments/22253/LabCCAA13-14.pdf SANT'ANNA RTP, MONTEIRO EV, PEREIRA JRT, Faria RB, The Ozone-Iodine-Chlorate Clock Reaction. PLoS ONE 8(12): e83706. (2013) https://doi.org/10.1371/journal.pone.0083706