2015 Sede Interuniversitaria de Alajuela

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Estudio Cinético de la Reacción de Cr(III) con EDTA

José Daniel Herrera González* Gabriela Monge Castro

*

*Escuela de Química, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Sede Interuniversitaria de Alajuela, Universidad Nacional de Costa Rica.

RESUMEN: Se describe el estudio cinético de la reacción entre el ion cromo (III) y el ácido

etilendiaminotetraacético con una evaluación café a verde. A partir de la sal disódica de EDTA y nitrato de

cromo (III) nonahidratado se prepararon las correspondientes disoluciones de EDTA y cromo (III) ajustando el

pH de la disolución de EDTA a 4,5. Seguidamente, se preparon disoluciones con un exceso de EDTA para

lograr que la velocidad de reacción sea únicamente dependiente de la concentración de Cr3+

y del pH. Para

obtener el orden de reacción se leyó periódicamente la absorbancia de dichas disoluciones las cuales se

graficaron. La cinética de reacción que mejor se ajustó entre la reacción de Cr3+

y el EDTA fue la de orden 2.

Palabras claves: química verde, cinética, velocidad de reacción, cromo, EDTA, absorbancia.

PRINCIPIOS DE QUÍMICA VERDE

(1) Prevención. Es mejor prevenir la formación de

residuos a tener que gastar energía y dinero en su

tratamiento una vez formados.

(2) Economía Atómica. Los métodos de síntesis deben

estar diseñados para maximizar la incorporación de

todos los reactantes (sin incluir solventes o catalíticos)

dentro del producto final.

(5) Disolventes y Auxiliares Seguros. Es mejor evitar

el uso de sustancias auxiliares como disolventes y en el

caso de que se empleen, deberán ser lo más inocuos

posibles.

(6) Eficiencia Energética. Los requerimientos

energéticos en un proceso químico se catalogan por su

impacto económico y al medio ambiente; por lo tanto,

se sugiere llevar a cabo los métodos de síntesis a

temperatura y presión ambiente.

(12) Evitar el Riesgo de Accidentes Químicos. Las

sustancias y la forma de una sustancia usada en un

proceso químico deberá ser elegida para reducir el

riesgo de accidentes químicos, incluyendo las

emanaciones, explosiones e incendios.

FUNDAMENTO TEÓRICO

La cinética química es el estudio de las velocidades de las

reacciones químicas y de las variables que la afectan

(concentración, temperatura, presión, entre otras), esta rama

introduce la variable tiempo, pues la cinética informa del

tiempo necesario para que se alcance el equilibrio en una

reacción. A partir del estudio de las velocidades de reacción,

se puede conocer el camino por el que transcurre la

reacción, el mecanismo de reacción (1).

La velocidad de una reacción química se define como el

cambio en la concentración de los reactivos con respecto al

tiempo o bien como la velocidad de decrecimiento de la

concentración de los reactivos y está asociada a dos

parámetros, la constante de velocidad y el orden de reacción

(2).

Se estudió la velocidad de reacción entre el ion cromo (III) y

el ácido etilendiaminotetraacético, un ligando hexadentado

que puede formar complejos con un metal que tenga una

estructura de coordinación octaédrica. La especie que se

forma es el anión complejo [Cr(EDTA).]. Se utilizó un

exceso de EDTA de modo que la velocidad de reacción

dependiera solamente de la concentración de Cr3+

y del pH

de la mezcla (concentración iones hidronio). Al combinar

ambas disoluciones no se observó evidencia de que

estuviese ocurriendo una reacción, sin embargo al cabo de

un tiempo el color verde inicial de la mezcla cambió a

púrpura intenso asociado a la formación del complejo

[Cr(EDTA).]. La intensidad del color púrpura se debe al

aumento en la concentración del complejo y a la

desaparición del ion cromo (III).

METODOLOGÍA

Las disoluciones acuosas iniciales se prepararon utilizando

EDTA disódico (3,7229 g, 10,00mmol) y nitrato de cromo

nonahidratado (0,1236 g, 0,35mmol) en concentraciones 0,1

mol/L y 0.012 mol/L respectivamente, y se ajustó el pH de la

disolución de EDTA a ~ 4,5 utilizando hidróxido de sodio 0,1

mol/L. Se agregaron a tubos Eppendorf 5 mL de la disolución

de EDTA y 2,00; 4,00 y 6,00 mL de la disolución de nitrato de

cromo a dichos tubos. Inmediatamente se leyó la absorbancia

de las disoluciones a intervalos de 10 min durante

aproximadamente una hora. Una vez finalizado este tiempo se

colocaron las disoluciones en un baño de agua a 100 °C por 10

min.

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Finalmente se leyó la absorbancia de las disoluciones por

última vez y se realizaron las respectivas gráficas para

determinar qué orden de reacción se ajustó más a la reacción

estudiada

EVALUACIÓN DEL ACERCAMIENTO VERDE

Etapa 1. Construcción del diagrama de flujo

b) Añadir 5 mL EDTA a cada

vaso de precipitados

conTenidos con

2 ml, 4 mL y 6 mL de Cr3+

c) Obtener un espectro de

absorción en ámbito 320-650

para cada mezcla cada 10 min,

durante 3 h.

d) Colocar cada disolución en

Un baño de agua 100°C

aproximadamente 10min,

enfriar a temperatura

ambiente, obtener las

absorbancias respectivas

5(5)

1(4)

12(7)

6(2)

1(5)

6(6)

Evaluación total del proceso

a.1) 30 mL

NaOH + H2O+EDTA

d.1) 25 mL

NaOH + [Cr-EDTA]-

+NaNO3+H2O+Cr(NO3)3

2(8)

6(8)

a) Ajustar el pH a la disolución

de EDTA con NaOH (pH�4,5)

6

Esquema 1. Estudio Cinético de la Reacción entre Cr3+

con EDTA

3(5)

1(2)

5

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Etapa 2. Evaluación al acercamiento verde

Tabla 1. Evaluación de los pasos para el experimento realizado.

RESULTADO DE LA EVALUACIÓN VERDE

Se determinó mediante la sumatoria de todas las

evaluaciones realizadas (39) la cual se divide entre el total

de eventos analizados (8), que el resultado de la práctica

“Estudio cinético de la reacción de cromo (III) con EDTA”

se considera como transición café a verde (5).

Paso Descripción

Paso a Se preparó la disolución de EDTA a partir de su sal disódica, la cual se le ajusto el pH a 4.5 para obtenerla

como H2Y2-

, se utilizó una sustancia auxiliar de una disolución amoniacal concentrada, la cual es

corrosiva, produce vapores irritantes que afectaban el sistema respiratorio, presentando un riesgo para la

salud, obedeciendo al principio 5, sin embargo se empleó una pequeña cantidad (gotas), capaz de

alcanzar un pH cercano a indicado anteriormente, por lo que se calificó como un ligero acercamiento verde

(5).

Asimismo, al ajustar el pH ocurrió un consumo de energía por parte del pH-metro. El cual consumió

0,167 Wh, inclinándose al principio 6, calificándolo con un buen acercamiento verde (8) debido a que el

consumo de Wh es pequeño comparado a otros equipos empleados.

Paso a.1 Como resultado del ajuste del pH de EDTA, se generó una mezcla de una disolución amoniacal (corrosiva,

inocua) y EDTA (nociva) la cual se desechó como un residuo, debido a que el volumen era considerable se

calificó con el principio 1 como café (4).

Paso b Al terminar el ajuste del pH, se procedió a añadir tres porciones de igual volumen de EDTA (5mL)a tres

vasos de precipitados, posteriormente se agregó a cada uno volúmenes distintos (2,4,6 mL) de una

disolución de nitrato de cromo (III), el cual es oxidante pero al estar en baja concentración, se califica bajo

el principio 3 calificándolo como transición café a verde (5). Además, estas disoluciones se consideran

nocivas e irritantes, incorporando un riesgo para la salud por lo que se califica con el principio 12, con un

acercamiento a verde (7), debido a que el volumen empleado es mínimo.

Paso c Al mezclar las disoluciones, se procedió a determinar las absorbancias (cada 10 min por 3 horas),

manejando el espectrofotómetro cumpliendo con el principio 6, calificándolo como medianamente café

(2), debido a que consumió aproximadamente 2364 Wh, siendo un gasto considerable.

Paso d Al finalizar las lecturas (después de las 3 horas), cada disolución se procedió a calentar durante unos 10

min máximo, empleando el calentador el cual produjo un consumo de 170 Wh aproximadamente, el cual

obedece al principio 6, por lo que se logra calificar con un acercamiento a verde (6).

Paso d.1 Este paso, es consecuencia de los lavados a las celdas que se realizaron durante la toma de las

absorbancias, esta mezcla contenía; hidróxido de amonio, [Cr-EDTA]- , trazas de Cr(NO3)3 y nitrato de

sodio respectivamente se considera un residuo por lo que cumple con el principio 1, ya que estos

productos son corrosivos, irritantes, comburentes individualmente por lo que se califica como muy café (2)

debido a que se encontraban diluidos.

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REFERENCIAS

[1] Velocidad de Reacción. Universidad Autónoma de

Madrid.http://www.uam.es/docencia/reyero00/docs/velocida

d_de_reaccion2.pdf (Accesado el 22 de octubre del 2015)

[2] Avery, H. E. Cinética Química Básica y Mecanismos de

Reacción. 2002, pp 29-30

[3] Piedra, G. Q.; Alfaro, J. R.; Mora, R. Manual de

Laboratorio de Inorgánica. Universidad Nacional: Costa

Rica, 2015; pp 78-79 , M.; Marina, L. Martínez, J; Sánchez,

L. B.; Hernández, O. M.; Razo, G. A.; Valdivia, A. O.;

Ruvalcaba, R. M. ¿Qué tan verde es un experimento?.

INVENTARIO DE DESECHOS Y REACTIVOS

Sustancia Fórmula

molecular

Clasificación Toxicidad/

Estabilidad

Observaciones y

precauciones

especiales

Etapa

donde fue

generada

Cantidad

consumida

/generada ONU UNA

DE

SE

CH

OS

Lavados

H2O+ NH4OH+

EDTA

8. Corrosivo

1. Bases inorgánicas

Corrosivo Irritante

Tóxico

Alejar de materiales incompatibles. Emplear equipos de protección personal: guantes

Paso a.1 30,00 mL

Lavados

NH4OH + Cr-

EDTA- + trazas de

Cr(NO3)3 + nitrato

de sodio

8. Corrosivo

1. Base inorgánica

Corrosivo Irritante

Utilizar equipo de protección persona: guantes.

Paso d.1 20,00 mL

ANEXO

Cuadro 1. Masa de las sales para le preparación de las disoluciones respectivas. por el método de diferencia en una balanza analítica electrónica.

Masa gramos Cr(NO3)3 . 9H2O 0,1236 EDTA-2Na 3,7229

Cálculo para la preparación de una disolución de Cr3+

0,012 mol/L a partir de nitrato de cromo (III)

nonahidratado

0,012 mol/L400,15 g

1 molx0,025L= 0,1200 g

Cálculo para la preparación de una disolución 0,1 mol/L

de EDTA a partir de la sal disódica de EDTA

0,01 mol/L 372,24g

1 molx0,1L= 3,7224 g

Cálculo de la energía consumida por el pH-metro

5 min

60 min= 0,083

Energía eléctrica = 2 W𝑥0,083h = 0,167 Wh

Cálculo de la potencia y energía eléctrica consumida

por parte del espectrofotómetro

Potencia Eléctrica (W) = 250Vx3,15 A = 788 W

Energía eléctrica = 788 W𝑥 3h = 2364Wh

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Cálculo de la energía eléctrica consumida por la

plantilla

10𝑚𝑖𝑛

60 𝑚𝑖𝑛= 0,167 h

Energía eléctrica = 1020 Wx 0,167 h = 170,34 Wh

Cálculo de la energía eléctrica total

Energía eléctrica total = 0,167 Wh + 2364 Wh +

170,34 Wh =2535 Wh