Química. Factores que influyen a la velocidad de reacción: Concentración y Temperatura

En esta práctica queremos observar la influencia de la concentración y la temperatura en la velocidad de reacción.

La reacción química entre el tiosulfato de sodio (Na₂S₂O₃) y el acido clorhídrico (HCl) puede durar un tiempo considerable. En la misma se produce azufre (S) que enturbia la reacción y se desprende dióxido de azufre (SO₂) según: Na₂S₂O₃ (dis. ac.) + 2HCl (dis. ac.) → H₂O + SO₂ (g) + S (coloidal).

Puede determinarse la velocidad de reacción estableciendo el tiempo requerido para que la solución alcance cierto grado de turbidez, en nuestro caso tomamos el momento en el cual una cruz negra dibujada debajo del recipiente en el que se produce la reacción deja de ser visible cuando se la observa a través de la misma.

Los materiales necesarios para la realización de la práctica son: un matraz Erlenmeyer, una probeta, un cronómetro, un mechero, una cruz y una pipeta y los productos son Ácido clorhídrico 2M, Tiosulfato de sodio (40 gr/litro) y agua destilada. Después de tener todo esto, nos podemos poner ¡manos a la obra!:

1ª EXPERIENCIA: INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN

Se va estudiar la reacción entre el tiosulfato sódico (Na₂S₂O₃) y el acido clorhídrico (HCl) siendo el tiempo que tarda en aparecer el azufre coloidal el que marque la velocidad de la reacción. El procedimiento es el siguiente:

1º. Se toman 50 ml de disolución de tiosulfato sódico y se colocan en un matraz Erlenmeyer.

2º. Se añaden 6 ml de acido clorhídrico con una pipeta y, al mismo tiempo, se pone en marcha el crónometro.

3º. Se agita suavemente el Erlenmeyer a intervalos regulares de tiempo y se coloca sobre el papel con la cruz ya marcada.
4º. Se mira la cruz marcada a través de la disolución y cuando se deje de ver se para el cronómetro anotando el tiempo transcurrido para la reacción.

Esta experiencia la repetimos tres veces pero tomando cantidades cada vez menores de tiosulfato sódico y diluyendo con agua destilada  (H₂O), obteniendo los resultados que muestra la tabla adjunta:

Representando los datos obtenidos, nos resulta la siguiente gráfica dónde observamos como a medida que disminuye la cantidad de Na₂S₂O₃, va aumentando el tiempo de reacción, tardando cada vez más en desaparecer la cruz marcada en el papel, es decir, la velocidad de reacción está disminuyendo.

 Uno de los factores que afectan a la velocidad de reacción es la concentración. La velocidad de reacción depende directamente de este factor ya que a más cantidad de sustancia, mayor número de moléculas y por tanto mayor es la probabilidad de que estas choquen y se produzca reacción. En este caso vemos que cuando aumentamos la cantidad de Na₂S₂O₃ disminuye el tiempo de reacción por lo que aumenta la velocidad, produciéndose la reacción cada vez más rápido.

2ª EXPERIENCIA: INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA

En esta segunda parte, repetimos la experiencia sin modificar la concentración de los reactivos, y solo variando la temperatura de la reacción. Para ello antes de añadir el acido clorhídrico hay que calentar la disolución de 10 ml de tiosulfato sódico y 40 ml de agua destilada y realizarla a las temperaturas aproximadas de 20ºC, 30ºC, 40ºC y 50ºC, obteniendo los resultados que muestra la tabla adjunta:

Representando los datos obtenidos, nos resulta la siguiente gráfica dónde observamos que a medida que la temperatura aumenta, disminuye el tiempo de reacción y, por lo tanto, aumenta la velocidad.

Según la teoría cinético-molecular, al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas de sustancia y por lo tanto aumenta la velocidad de reacción, haciendo que haya mayor número de choques entre las moléculas. Por lo tanto al aumentar el número de choques, se produce antes la reacción, en este caso observamos como desaparece la cruz marcada en el papel cada vez más rápido.

Durante el desarrollo de la práctica nos encontramos con algunos inconvenientes: a la hora de realizar la segunda experiencia calentábamos el agua cada vez a una mayor temperatura, sin embargo, el espacio donde la calentábamos, estaba alejado de donde estábamos realizando la experiencia, por lo que en el desplazamiento pudo perderse parte del calor obtenido, por lo que las mediciones de temperatura no serían totalmente exactas. De ahí que las temperaturas de las experiencias 2 y 3 no sean totalmente coherentes en lo referente a la teoría cinético-molecular. En general, la práctica ha dado los resultados esperados.
Aquí nos podéis ver haciendo la práctica paso a paso, con los resultados obtenidos y una más que divertida explicación del proceso:

GRUPO I: Miguel Salazar, Laura López, María José García, Sergio Fernández y Estela Torres, 2ºBachillerato-B

Química. Cinética química en los métodos de conservación de alimentos

Para que una reacción química tenga lugar, no sólo es necesario que esté favorecida termodinámicamente, sino que además, es necesario que se dé con una velocidad suficiente.
En algunos casos interesa acelerar las reacciones químicas, como en los procesos de acción de fármacos y en otros interesa retardar los procesos, como en la conservación de alimentos.

La cinética química estudia la velocidad a la que ocurren las reacciones químicas según factores como la concentración de las sustancias que intervienen, su naturaleza, los catalizadores e inhibidores que la afectan o la temperatura. Esta velocidad de reacción nos indica la transformación desde los reactivos hasta los productos en un intervalo de tiempo.

La conservación de alimentos es el proceso de manipulación de los alimentos de tal forma que se evite o ralentice su deterioro (pérdida de calidad, comestibilidad o valores nutricionales). Esto suele lograrse evitando el crecimiento de levaduras, hongos y otros microorganismos, así como retrasando la oxidación de las grasas que provocan su enraciamiento.

El vinagre

 El vinagre es un conservante utilizado desde hace siglos en la preservación de los alimentos, contiene ácido acético que tiene la cualidad de acabar matando los microbios que afectan a los alimentos y que aceleran su deterioro. Se usa para hacer las conocidas como salmueras a través de las que se conservan sobre todo vegetales y frutas.

La forma más tradicional de producir vinagre es por la acción de bacterias del tipo Mycoderma aceti sobre el vino en presencia de oxígeno, lo que produce una oxidación del etanol a ácido acético, es decir, vinagre. Aunque el olor a vinagre significaba que se había echado a perder la barrica de vino, se descubrieron dos propiedades interesantes en este vino picado, por una parte su peculiar sabor ácido y por otra sus cualidades para conservar alimentos.

El prefijo acet- que en química orgánica significa dos átomos de carbono, viene del nombre latino de vinagre. El vinagre es un ácido orgánico débil. Que sea ácido quiere decir que en agua se disocia y aumenta la concentración de iones de hidrógeno, es decir, que baja el pH del medio. Este cambio en el pH dificulta el crecimiento de algunas bacterias y hongos, por lo que sirve de conservante. Los encurtidos, escabeches y otros tipos de alimentos no se hacían solo por el sabor ácido, sino por ser una forma de almacenar alimentos perecederos como pescados o verduras. Esta acidez es capaz de desnaturalizar proteínas, que pierden su función biológica al variar el pH, influyente en la velocidad de la reacción, induciendo un cambio en el aspecto y textura, por ejemplo el boquerón en vinagre no se parece en nada al pescado crudo. También previene la oxidación de la fruta.
La propiedad de ser un ácido orgánico débil quiere decir que un medio ligeramente ácido estará sin disociar y será una molécula sin carga, por lo que podrá atravesar sin demasiados problemas la membrana celular de muchos microorganismos. En el citoplasma el pH es de 7,5, por lo que el vinagre se disociará y hará que baje el pH del medio intracelular, dañando los microorganismos. Si baja el pH las enzimas dejan de funcionar y la célula muere. Por eso el vinagre es un conservante tan eficiente.
Lo más interesante es que los hongos no mueren sin defenderse, algunos han desarrollado mecanismos moleculares para hacer frente a esta acidificación del citoplasma (como el Zygosaccharomyces bailii que causa millones de pérdidas a la industria alimentaria).

La sal

La salazón es otro de los métodos más antiguos para conservar los alimentos. Las salazones más antiguas que se conocen son en la antigua China en el tercer milenio antes de Cristo. Se sabe que los antiguos egipcios ya empezaban a poner las carnes en salazón con el objeto de poder almacenarlas y mantenerlas comestibles durante largos periodos de tiempo.
La importancia de la salazón hizo que la producción y la comercialización de la sal hayan sido en una de las prioridades de las distintas potencias desde tiempos del Imperio Romano. Al echar sal sobre algún alimento (la carne y/o pescado son los más habituales) hace que el agua que contiene el alimento salga hacia fuera por ósmosis y evita que los microorganismos entren en el alimento, lo que hacemos es deshidratar el alimento inhibiendo la proliferación de microorganismos. Al eliminar el agua de un alimento hacemos que este tarde más en descomponerse y pudrirse ya que los microorganismos necesitan un medio húmedo para reproducirse. Además los microorganismos no pueden estar cerca de la sal, porque se deshidratarían y morirían.

 

Se podría decir que los medios de conservación de alimentos como la sal o el vinagre actúan como inhibidores ante el crecimiento de los microorganismos y ante la actividad catalítica de las reacciones, disminuyendo su velocidad. Por ello son dos de los métodos más usuales en la conservación de alimentos aunque en este ámbito también podamos encontrar otros más simples como la refrigeración.

Química. La entropía

La termodinámica fija su estudio en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor entre un sistema y otro y tiene sus propias leyes. Uno de los soportes fundamentales de la Segunda Ley de la Termodinámica ("La evolución espontánea de un sistema aislado se traduce siempre en un aumento de su entropía.") es la entropía. 

 

Hay situaciones (normalmente a 0ºK) en las que los átomos de una sustancia están perfectamente ordenados en una estructura cristalina, pero no siempre las estructuras responden a ese modelo pues presentan un cierto desorden debido, por ejemplo, a la presencia de una temperatura distinta a 0; para medir el grado de desorden de un sistema, fue definida la llamada entropía, representada por la letra S. Cuando mayor el desorden de un sistema, mayor su entropía y cuanto mayor la temperatura de una sustancia, mayor el movimiento de sus partículas y por tanto, mayor es su entropía. La entropía en el estado gaseoso es mayor que aquella en el estado líquido, que, por su vez, es mayor que la del estado sólido. La variación de entropía en una transformación, depende apenas de los estados inicial y final del sistema, independientemente de cómo los reactivos se transforman en productos, es decir, del mecanismo de reacción.

En el universo, constituido por un sistema y sus alrededores, es un sistema aislado. Podemos calcular la variación de entropía del sistema y sus alrededores, sumando ambas magnitudes se puede llegar a calcular la entropía total del universo utilizando el teorema de Clausius determinando que la entropía del universo siempre crece para cualquier transformación irreversible que se produzca y es constante en cualquier transformación reversible.

1-A-2



2-B-1

 

Además la entropía sólo puede incrementarse con el tiempo, y nunca disminuir, es la tendencia al desorden de todo sistema organizado pudiendo ser útil para distinguir entre pasado y futuro.
La función de la entropía no se limita únicamente a los campos de la química o la física sino que va más allá de ellos, ¿Qué funciones "desconocidas" puede llegar a tener la entropía?:

En biología sin ir más lejos podemos encontrar un ejemplo de entropía; en las cadenas tróficas al ir subiendo de un nivel a otro desde los productores hasta los consumidores se va perdiendo energía química potencial pero va aumentando la correspondiente al calor. Cada vez que subimos tenemos menos control sobre la energía química potencial necesaria para realizar trabajo ya que ésta ha sido transformada en calor que no nos resulta del todo aprovechable, es decir, ha aumentado el grado de desorden que tenemos sobre la cadena trófica.

 Otro punto a tener en cuenta en el ámbito de la biología son los procesos por selección natural que postuló Darwin, las especies evolucionan hacia formas más complejas, es decir, hacia formas más ordenadas, por lo que disminuyen la entropía de sus componentes. Con la selección natural se demuestra cómo las especies evolucionan y sólo permanecen las más capacitadas para la supervivencia, este cambio genético en las poblaciones es lo que provoca la disminución de la entropía de los seres vivos.






En la geología terrestre volvemos a encontrarnos con la entropía; la teoría de la tectónica de placas no se basa en más que una serie de choques y desplazamientos aleatorios imprevisibles y desordenados. En su origen todas las masas de tierra que ahora forman los continentes estuvieron reunidas en una sola denominada Pangea, que nosotros tomaríamos como el orden perfecto, con el paso del tiempo ese gran supercontinente empezó a fragmentarse propiciando la separación de continentes, dando lugar a gran sistema entrópico que hoy conocemos.

Otro campo dónde está presente la entropía es en las relaciones humanas; la sociedad puede verse como un conjunto de individuos relacionados entre sí y la entropía como el costo para mantener el vínculo creado en las relaciones sociales dentro de un marco determinado por el tipo de sociedad, un gran sistema de relaciones humanas con intereses particulares.


Un proceso curioso dónde interviene la entropía es en un reloj de arena; la cantidad de arena en el reloj es constante, ni se crea ni se destruye. Aunque la cantidad de arena en el reloj sea constante, su distribución está constantemente cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía de la segunda ley de la termodinámica, en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior) aumenta constantemente. La arena de la cavidad superior (la de menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee más energía.

Estos son sólo algunas de las situaciones en las que la entropía entra en juego, lo que nos permite afirmar que el desorden es algo mucho más importante de lo que tenemos estipulado y que juega un papel esencial en casi todas las cosas que condicionan la vida de un ser humano.