DEMOSTRACIÓN DE LA VELOCIDAD DE HIDRATACIÓN DEL DIÓXIDO DE CARBONO

OBJETIVOS

Se plantearon los objetivos de demostrar que la hidratación del dióxido de carbono y la deshidratación del ácido carbónico requieren de un tiempo de reacción que puede determinarse.

INTRODUCCIÓN

La estructura y ciertas propiedades del dióxido de carbono, ácido carbónico y el ion bicarbonato son estudiadas constantemente. Los temas discutidos incluyen la solubilidad del dióxido de carbono en agua y en varios solventes polares y no polares y, en comparación con otras moléculas simples, la termodinámica de la hidratación del dióxido de carbono y la ionización del H2CO3, la velocidad de hidratación del CO2 y la deshidratación del ion bicarbonato o el H2CO3, y la catálisis de las reacciones de hidratación y deshidratación de varias moléculas y iones orgánicos e inorgánicos. Ciertas discrepancias inexplicables entre los datos existentes se señalan, con una particular referencia hacia la verdadera constante de ionización del H2CO3 y las constantes de velocidad para las reacciones de hidratación y deshidratación a varias temperaturas.

La velocidad de hidratación del CO2 puede conducir a la formación de H2CO3, pero también a la formación de H+ y ion bicarbonato; una afirmación inversa se cumple para la reacción de deshidratación. Por lo tanto, se puede escribir la reacción esquemática como:

(1)

La tasa global de conversión del CO2 disuelto a bicarbonato es:

-(d[CO_2])/dt=k_31^' [CO_2 ]-k_13^' [H^+ ][HCO_3^-] (2)

La reacción

CO_2+H_2 O□(→┴k^'' )H_2 CO_3 (3)

resulta importante, porque hace una significativa contribución a la velocidad total de desaparición del CO2 en solución acuosa a un pH por arriba de 7.5; con un pH mayor a 10, domina la reacción de hidratación.

Es también de gran interés en relación con el mecanismo de la reacción catalizada por el anhídrido carbónico, el cual probablemente procede de la donación de OH- al CO2 en la dirección de la hidratación, y de la remoción de OH- del HCO3- en la reacción de deshidratación. Considérese este caso, utilizando el indicador azul de bromotimol.

Inicialmente la solución de ácido carbónico y azul de bromotimol es amarilla, puesto que el indicador torna a las soluciones ácidas de ese color; al añadir base fuerte, la disolución se vuelve azul, pero poco después el color azul se desvanece y la disolución vuelve a ser amarilla. Este proceso puede repetirse hasta que se ha agregado tanta base que la disolución presente un color azul permanente.

Estos fenómenos se deben a que el ácido carbónico reacciona muy rápidamente con los iones OH- para formar HCO3- y algo de CO32-. El equilibrio de formación del ácido carbónico queda desplazado hacia la izquierda, por lo que el CO2 debe hidratarse para poder reaccionar de nuevo con el ion OH-. Este proceso de hidratación requiere de un tiempo medible. El H2CO3 formado por la hidratación de CO2 reacciona de inmediato con el exceso de OH- y continúa formándose más H2CO3 hasta que toda la base se neutraliza, o hasta que se consume todo el CO2.

Entonces, la ecuación de velocidad puede expresarse como:

-d[CO_2 ]/dt=k_(-1) [CO_2 ]-k_1 [H_2 CO_3 ]

Donde k1 es la constante de velocidad para la reacción directa (formación de ácido carbónico) y k2 es la constante de velocidad para la reacción inversa (deshidratación del ácido carbónico).

HIPÓTESIS

La velocidad de reacción de formación de ácido carbónico disminuye cuando la concentración de iones OH- se incrementa en el sistema acuoso, porque el equilibrio se desplaza a la formación de ion bicarbonato, tornando la solución de color azul y tardando en regresar al color amarillo, indicador de la presencia de ácido carbónico. Asimismo, la velocidad de reacción se encuentra en proporción directa con la temperatura: cuando la temperatura se incrementa, la velocidad de reacción hace lo mismo.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Se partió de una solución fría y saturada con CO2.

Para la primera parte de la práctica, se tomaron 50 ml de dicha solución y se depositaron en un matraz Erlenmeyer. Posteriormente,

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