Física y Química 3.º ESO · Práctica: factores que influyen en la velocidad de reacción. Catalizadores
Práctica: la temperatura y la concentración cambian la velocidad de reacción
Objetivo: Al terminar, sabrás diseñar y realizar una experiencia para estudiar cómo influyen la temperatura o la concentración en la velocidad de una reacción (pastilla efervescente, magnesio con ácido), controlando variables y representando los datos.
Explicación
Recuerda: ¿de qué depende la velocidad de una reacción?
La velocidad de reacción indica lo rápido que se gastan los reactivos o se forman los productos. Según la teoría de colisiones, para que haya reacción las partículas de los reactivos tienen que chocar con energía suficiente y con la orientación adecuada (choques eficaces). Todo lo que aumente el número de choques eficaces por segundo hace la reacción más rápida:
| Factor | Si aumenta… | ¿Por qué? |
|---|---|---|
| Temperatura | la reacción es más rápida | las partículas se mueven más deprisa: chocan más veces y con más energía |
| Concentración de los reactivos | la reacción es más rápida | hay más partículas en el mismo volumen: chocan más veces |
| Superficie de contacto (trozos más pequeños) | la reacción es más rápida | hay más partículas expuestas al choque |
| Catalizador | la reacción es más rápida | ofrece un camino con menor energía de activación: más choques eficaces (y no se gasta) |
Cómo se diseña un experimento
Para saber si un factor influye, hay que cambiar solo ese factor y dejar todo lo demás igual. Es el control de variables:
- Variable independiente: la que cambiamos a propósito (por ejemplo, la temperatura del agua).
- Variable dependiente: la que medimos para ver el efecto (por ejemplo, el tiempo que tarda la reacción).
- Variables controladas: todas las demás, que mantenemos iguales (volumen de agua, tipo y tamaño de la pastilla, recipiente, si se agita o no…).
Para comparar velocidades medimos el tiempo que tarda la reacción en terminar: cuanto menos tarda, más rápida es.
Práctica: la pastilla efervescente
Al echar una pastilla efervescente en agua, dos sustancias de la pastilla (un ácido y el bicarbonato) reaccionan y desprenden dióxido de carbono, : son las burbujas.
Material: 4 vasos de precipitados iguales, probeta, termómetro, cronómetro, 4 pastillas efervescentes iguales, agua fría, del grifo y caliente (de un hervidor, la pone el profesor). Seguridad: gafas, y cuidado con el agua caliente.
- Echa 200 mL de agua en cada vaso, a temperaturas distintas (por ejemplo, unos 10, 20, 40 y 60 °C), y mide la temperatura con el termómetro.
- Echa una pastilla entera en el primer vaso y pon en marcha el cronómetro a la vez. No agites.
- Para el cronómetro cuando ya no salgan burbujas. Anota el tiempo en una tabla.
- Repite con los demás vasos.
- Representa el tiempo frente a la temperatura y escribe una conclusión.
Variante para la concentración: se echa un trozo de 2 cm de cinta de magnesio en ácido clorhídrico diluido de distintas concentraciones (siempre el mismo volumen y a la misma temperatura) y se mide lo que tarda en desaparecer el magnesio: . El ácido lo prepara el profesor y se trabaja con gafas.
Puntos clave
- La temperatura, la concentración, la superficie de contacto y los catalizadores aumentan la velocidad de reacción.
- La teoría de colisiones lo explica: más choques eficaces por segundo, reacción más rápida.
- En un experimento se cambia una sola variable (independiente), se mide otra (dependiente) y las demás se mantienen iguales (controladas).
- Cuanto menos tarda una reacción en terminar, mayor es su velocidad.
- Los datos experimentales se representan como puntos; luego se traza la línea o curva que mejor se ajusta.
Errores frecuentes
ErrorCambiar dos cosas a la vez (por ejemplo, la temperatura y el volumen de agua).
Cómo corregirloSi cambian dos variables, no sabrás cuál ha producido el efecto. Cambia solo la que estudias.
ErrorPensar que si la reacción tarda más tiempo es más rápida.
Cómo corregirloLa velocidad es mayor cuanto menos tarda en completarse la reacción.
ErrorUnir los puntos experimentales con segmentos en zigzag.
Cómo corregirloLos puntos tienen pequeños errores de medida: traza una línea o curva suave que pase cerca de todos.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. ¿Influye la temperatura en la pastilla efervescente? experimental (diseño y resultados)
Un grupo de alumnos hace la práctica de la pastilla efervescente con 200 mL de agua en cada vaso y obtiene estos resultados (aproximados):
Temperatura (°C) 10 20 30 40 50 60 Tiempo (s) 78 55 40 30 24 19 a) Indica la variable independiente, la dependiente y tres variables controladas. b) Observa la gráfica de los datos. ¿Qué conclusión se obtiene? c) Explícala con la teoría de colisiones.
Resolución
a) Independiente: la temperatura del agua. Dependiente: el tiempo hasta que dejan de salir burbujas. Controladas: el volumen de agua (200 mL), el tipo y tamaño de la pastilla (entera, misma marca), el vaso y no agitar.
b) Los puntos bajan: al aumentar la temperatura, la reacción tarda menos, es decir, es más rápida. No es una recta: la curva baja mucho al principio y luego menos. A 60 °C tarda unas cuatro veces menos que a 10 °C ().
c) A mayor temperatura, las partículas se mueven más deprisa: chocan más veces y con más energía, así que hay más choques eficaces cada segundo.
Ejemplo 2. Cinta de magnesio en ácido clorhídrico gráfico (concentración)
El profesor echa trozos iguales de 2 cm de cinta de magnesio en 50 mL de ácido clorhídrico de distintas concentraciones, todos a 20 °C, y mide cuánto tarda en desaparecer el magnesio. La reacción es . Resultados (aproximados):
Concentración del HCl (g/L) 10 20 30 40 Tiempo (s) 255 132 86 66 a) ¿Qué variable se ha cambiado? ¿Cuáles se han mantenido? b) ¿Qué ocurre con el tiempo al duplicar la concentración de 10 a 20 g/L? c) Conclusión y explicación.
Resolución
a) Se ha cambiado la concentración del ácido. Se han mantenido el tamaño de la cinta (2 cm), el volumen de ácido (50 mL) y la temperatura (20 °C).
b) Pasa de 255 s a 132 s: tarda aproximadamente la mitad ().
c) Al aumentar la concentración, la reacción es más rápida. Con más concentración hay más partículas de ácido en el mismo volumen, así que chocan más veces por segundo con la superficie del magnesio.
Ejercicios
De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.
1. Fácil
Lucía quiere comprobar si la temperatura influye en la velocidad de la reacción de una pastilla efervescente. Echa una pastilla en 100 mL de agua a 20 °C y otra en 200 mL de agua a 60 °C. ¿Está bien diseñado su experimento? Justifícalo.
Ver solución
No: cambia dos variables a la vez (temperatura y volumen de agua).
No está bien diseñado: cambia a la vez la temperatura y el volumen de agua, así que no podrá saber cuál de las dos produce la diferencia. Debe usar el mismo volumen de agua (por ejemplo, 200 mL) en los dos vasos y cambiar solo la temperatura.
2. Fácil
Queremos saber si el tamaño de los trozos influye en la rapidez con que la tiza (carbonato de calcio, ) reacciona con el vinagre. Indica la variable independiente, la dependiente y tres variables controladas.
Ver solución
Independiente: tamaño de los trozos (superficie). Dependiente: tiempo de burbujeo. Controladas: masa de tiza, volumen y tipo de vinagre, temperatura.
- Independiente: el tamaño de los trozos de tiza (entera, en trozos, en polvo), es decir, la superficie de contacto.
- Dependiente: el tiempo que tarda en dejar de burbujear (o la cantidad de gas en un tiempo fijo).
- Controladas: la misma masa de tiza, el mismo volumen del mismo vinagre, la misma temperatura, el mismo recipiente, sin agitar.
3. Media
Con los datos de la pastilla efervescente:
Temperatura (°C) 10 20 30 40 50 60 Tiempo (s) 78 55 40 30 24 19 a) Representa los puntos en los ejes y traza una curva suave. b) Estima cuánto tardaría a 35 °C. c) ¿Cuánto tardaría aproximadamente a 70 °C: más o menos de 19 s?
Ver solución
b) Unos 35 s (entre 40 y 30 s). c) Menos de 19 s (unos 15 s).
a) Puntos (10, 78), (20, 55), (30, 40), (40, 30), (50, 24), (60, 19), unidos por una curva suave que baja cada vez menos. b) 35 °C está entre 30 °C (40 s) y 40 °C (30 s): leyendo en la curva, unos 35 s. c) Siguiendo la tendencia, a más temperatura tarda menos: menos de 19 s, unos 15 s (es una estimación: no se puede saber exactamente sin medir).
4. Media
Explica con la teoría de colisiones por qué un ácido más concentrado ataca más deprisa un trozo de mármol que uno diluido.
Ver solución
Más concentración → más partículas de ácido por volumen → más choques eficaces por segundo.
Para reaccionar, las partículas del ácido tienen que chocar con las del mármol con energía y orientación adecuadas. Si el ácido está más concentrado, hay más partículas en el mismo volumen, así que se producen más choques por segundo y, por tanto, más choques eficaces: la reacción es más rápida.
Para practicar más
1. Fácil
¿Por qué guardamos los alimentos en el frigorífico? Relaciónalo con uno de los factores de la velocidad de reacción.
Ver solución
Al bajar la temperatura, las reacciones que estropean los alimentos son más lentas.
Los alimentos se estropean por reacciones químicas (muchas, causadas por microorganismos). Al bajar la temperatura, esas reacciones son más lentas, porque las partículas se mueven más despacio y chocan menos y con menos energía. Así el alimento dura más días.
2. Fácil
Ordena cada pareja indicando qué reacción es más rápida y qué factor lo explica: a) Un tronco o la misma masa de astillas ardiendo en una chimenea. b) Un vaso de leche dentro o fuera de la nevera, en verano, poniéndose agria. c) Unas gotas de vinagre puro o de vinagre diluido con agua sobre un trozo de caliza.
Ver solución
a) Astillas (superficie). b) Fuera de la nevera (temperatura). c) Vinagre puro (concentración).
a) Las astillas: tienen más superficie de contacto con el oxígeno del aire. b) Fuera de la nevera: a más temperatura, la reacción es más rápida. c) El vinagre puro: tiene más concentración de ácido.
3. Media
Diseña un experimento para comprobar si la concentración del vinagre influye en la rapidez con que reacciona con un trozo de tiza (carbonato de calcio, ). Indica: a) las variables independiente, dependiente y controladas; b) cómo prepararías vinagres de distinta concentración; c) qué medirías y cómo presentarías los resultados.
Ver solución
Respuesta modelo: independiente, concentración del vinagre (diluido con agua); dependiente, tiempo hasta que deja de burbujear (o masa que pierde la tiza en un tiempo fijo); controladas, trozos de tiza iguales, volumen total de líquido, temperatura.
Respuesta modelo: a) Independiente: la concentración del vinagre. Dependiente: el tiempo que tarda en dejar de burbujear (o la masa que ha perdido la tiza al cabo de 10 min). Controladas: trozos de tiza iguales (misma masa y tamaño), el mismo volumen total de líquido, la temperatura y el recipiente. b) Mezclando vinagre y agua: 100 mL de vinagre puro; 75 mL de vinagre + 25 mL de agua; 50 mL + 50 mL; 25 mL + 75 mL. c) Mediría el tiempo con un cronómetro (mejor repitiendo cada medida dos o tres veces), haría una tabla y representaría los puntos (tiempo frente a la proporción de vinagre) sin unirlos en zigzag.
4. Difícil
Se echa una pastilla efervescente en agua en dos experimentos, A y B, iguales salvo la temperatura del agua. Se recoge el gas y se mide su volumen. La gráfica muestra los resultados.
a) ¿En qué experimento es más rápida la reacción? ¿Cómo lo ves en la gráfica? b) ¿En cuál estaba el agua más caliente? c) ¿Por qué al final se obtiene el mismo volumen de gas en los dos?
Ver solución
a) En A (la curva sube más deprisa). b) En A. c) Porque había la misma cantidad de reactivos (la misma pastilla): la temperatura cambia la rapidez, no la cantidad de producto.
a) En A: a los 20 s ya ha desprendido 60 mL, mientras que B solo 29 mL. Su curva sube más inclinada. b) En A, porque a más temperatura la reacción es más rápida. c) Las dos pastillas son iguales, así que tienen la misma cantidad de reactivos y producen la misma cantidad de gas (90 mL). La temperatura solo cambia lo rápido que se forma, no cuánto se forma.