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Fuente: Laboratorio del Dr. Michael Evans, Georgia Institute of Technology
La constante de equilibrio, K, para un sistema químico es la relación de las concentraciones de producto de las concentraciones de reactivo en el equilibrio, cada una elevada a la potencia de sus respectivos coeficientes estequiométricos. Medición de K implica la determinación de estas concentraciones para los sistemas en equilibrio químico.
Sistemas de reacción que contienen un solo componente coloreado pueden ser estudiados mediante espectrofotometría. La relación entre absorbancia y concentración para el componente de color es medida y utilizada para determinar su concentración en el sistema de reacción de interés. Las concentraciones de los componentes incoloros pueden calcularse utilizando la ecuación química balanceada y la concentración medida de la componente de color.
En este video, curva de la ley de la cerveza para Fe(SCN)2 + es determinada empíricamente y aplicada a la medición de K para la reacción siguiente:
Cuatro sistemas de reacción con diferentes concentraciones iniciales de reactantes se investigan para ilustrar que K se mantiene constante independientemente de las concentraciones iniciales.
1. determinar la curva de ley de la cerveza para Fe(SCN)2 +
2. medición de K para el sistema de tiocianato de hierro (III)
| Número de tubo | Volumen 1.0 x 10-4 M de Fe (NO3)3 (mL) |
Volumen 0,50 M KSCN al (mL) |
Volumen 0,10 M HNO3 (mL) |
| 1 | 1.0 | 5.0 | 4.0 |
| 2 | 2.0 | 5.0 | 3.0 |
| 3 | 3.0 | 5.0 | 2.0 |
| 4 | 4.0 | 5.0 | 1.0 |
| 5 | 5.0 | 5.0 | 0.0 |
Tabla 2. Adecuados volúmenes de Fe (NO3)3KSCN al y HNO3 soluciones para ser colocados en tubos de 2-5.
| Número de tubo | Volumen 0,0025 M Fe (NO3)3 (mL) |
Volumen 0,0025 M KSCN al (mL) |
Volumen 0,10 M HNO3 (mL) |
| 6 | 1.0 | 1.0 | 5.0 |
| 7 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
| 8 | 2.0 | 2.0 | 3.0 |
| 9 | 2.0 | 3.0 | 2.0 |
Tabla 3. Volúmenes adecuados de 0,0025 M Fe (NO3)3, 0.0025 M KSCN al y 0,10 M HNO3 soluciones.
Determinar la constante de equilibrio de una reacción química puede proporcionar información importante acerca de la magnitud a la que se forman productos con el tiempo.
Cada reacción química está asociada con una constante de equilibrio, K, que refleja la relación de las concentraciones de los productos y reactivos, cuando la reacción ha dejado de progresar. Para medir K, estas concentraciones deben ser determinadas.
Si una reacción contiene un único componente coloreado, se puede medir su interacción con la luz para discernir su concentración. Las concentraciones de los componentes incoloros entonces se pueden calcular utilizando la ecuación química balanceada. Este video ilustra el uso de un espectrofotómetro para determinar empíricamente la constante de equilibrio para una reacción de thiocyanante de hierro.
Reacciones químicas más proceden en direcciones hacia adelante y reversas. Conforme avanza la reacción, llega a un punto donde se producen las reacciones hacia adelantadas y hacia atrás a la misma velocidad. Esto se conoce como equilibrio químico. En este estado estable, el cociente de las concentraciones de producto de las concentraciones del reactivo, cada una elevada a la potencia de sus coeficientes estequiométricos, corresponde a la constante de equilibrio, K. A medida K para un sistema de interés, los coeficientes deben conocerse, y deben determinarse las concentraciones, ya sea directa o indirectamente. Según la ley de Beer-Lambert, la concentración de una especie de color es proporcional a la absorbancia, que es la cantidad de energía que absorbe a una longitud de onda específica de luz. Esto puede expresarse matemáticamente, donde A es absorbancia, epsilon es el coeficiente de atenuación molar, que es específico del compuesto, l es la longitud del camino a través de la muestra y c es la concentración. Una curva de calibración se crea por múltiples soluciones de concentración conocida y trazar los valores de absorbancia obtenidos. Con esta curva de calibración, se pueden estudiar soluciones de concentración desconocida. Las mediciones de absorbancia se utilizan para determinar la concentración de las especies coloreadas. Entonces, se pueden calcular las concentraciones de los reactantes y productos restantes. El procedimiento siguiente estudiará la reacción de hierro tres con tiocianato para formar un complejo de tiocianato de hierro.
Una vez que las concentraciones han sido determinadas, el valor de K puede ser calculado con un inicial cambio de equilibrio, o con hielo, mesa que será explicado más lejos en los resultados.
Ahora que usted comprende cómo los métodos espectrofotométricos se pueden utilizar para determinar la constante de equilibrio, usted está listo para comenzar el procedimiento.
Antes de medir la muestra, se debe generar una curva de calibración.
Para comenzar, cero un espectrofotómetro de UV-vis utilizando agua destilada como blanco para no representar la absorbancia. Cuando se inserta una cubeta en el espectrofotómetro, asegurarse de que está orientada para que la luz pasa a través de los lados transparentes, y que el nivel de líquido está por encima de la trayectoria del haz.
Entonces, prepare 5 tubos de ensayo que contiene los volúmenes indicados de cada solución de reactivo, como se muestra en el protocolo del texto, que producirá concentraciones variables del producto. Cubrir cada tubo con un dedo enguantado y agitar suavemente para mezclar. Permita que los tubos reposar 10 min uso un Pasteur pipeta para transferir una pequeña cantidad de solución 1 en una cubeta y coloque en el espectrofotómetro. Adquirir un espectro y registrar el λmáximo y su absorbancia. Repita este proceso para soluciones de 2 a 5, usando una cubeta nueva para cada serie.
Represente la medida absorbancia versus concentración de tiocianato de hierro para cada solución. Determinar la línea de mejor ajuste para los datos. La pendiente de esta recta es el coeficiente de atenuación molar.
Ahora que se ha adquirido los datos para las soluciones estándar, prepare cuatro tubos de ensayo medianos que contiene los volúmenes indicados de soluciones como se indica en el protocolo de texto.
Tapar cada tubo con un dedo y agitar suavemente para mezclar. Déjelo reposar durante al menos 10 minutos. Este período de descanso permite que las soluciones alcanzar el equilibrio químico.
Utilice una pipeta Pasteur transferir una pequeña cantidad de solución 6 a una cubeta y coloque en el espectrofotómetro. Adquirir un espectro y registrar el valor λmáximo y la absorbancia medida en el λmáximo. Repita este proceso para soluciones de 7 – 9.
Una vez que todas las muestras han sido medidos, se pueden analizar los datos de molaridad y absorbancia para soluciones de 1 – 5. Un exceso de tiocianato se utilizó para asegurarse de que todo el hierro ha reaccionado, que simplifica el análisis.
Los datos se trazan para crear una curva de calibración. La longitud del camino de la luz, l, es típicamente 1 cm y puede tenerse fuera de los cálculos. La pendiente de la línea, que se calculó en 7600, es por lo tanto el coeficiente de atenuación. Las soluciones de ensayo 6 – 9, este valor y la absorbancia se utilizan para calcular las concentraciones de tiocianato de hierro en el equilibrio. Con estos datos, entonces podría utilizarse la tabla de hielo.
Las concentraciones de reactivo inicial se basan en la molaridad conocida de hierro y tiocianato añadido a la solución y el volumen total de la reacción. Porque el producto está formado por la reacción 1:1 de hierro y tiocianato, la concentración de equilibrio de cada uno disminuye en la cantidad de producto formado. Ahora se conoce la concentración de equilibrio de cada especie. Estos valores se utilizan para calcular la constante de equilibrio para cada solución. Los valores son más o menos constantes sobre el rango de concentraciones estudiado.
El concepto de la constante de equilibrio es importante para una amplia gama de campos científicos. La constante de equilibrio puede utilizarse para proporcionar información útil sobre la medida en que una reacción se forma productos con el tiempo. En este ejemplo, se observaron dos reacciones que contiene cristal violeta.
La primera solución fue compuesta de violeta cristal e hidróxido de sodio. El color fue observado para cambiar rápidamente de púrpura a incoloro. Esta reacción tiene un valor muy grande de K, que indica que los productos de forman casi totalmente con el tiempo.
Violeta cristal entonces fue reaccionada con acetato de sodio. Esta solución permanecía púrpura indefinidamente. Esta reacción tiene un valor muy bajo de K, por lo que no procede avanzar a un grado significativo.
Por último, la constante de disociación: un tipo específico de constante de equilibrio, puede ser utilizado para describir el comportamiento de la proteína. En este ejemplo, cambios en la estructura del ARN fueron supervisados en almacenadores intermediarios de la reacción de magnesio.
RNA purificado fue había mezclado en solución con concentraciones conocidas de magnesio y permite alcanzar el equilibrio. Entonces, la estructura resultante del RNA fue trazada.
En este caso, altas concentraciones de magnesio causaron sitios reactivos en ARN para protegerse menos, produciendo un Kd que era la mitad del valor.
Sólo ha visto la introducción de Zeus para determinación espectrofotométrica de la constante de equilibrio. Ahora debe comprender la relación definida por la ley de Beer-Lambert, cómo determinar la concentración de absorbancia con un espectrofotómetro y cómo calcular una constante de equilibrio con las concentraciones de equilibrio.
¡Gracias por ver!
La determinación de la constante de equilibrio de una reacción química puede proporcionar información importante sobre la medida en que formará productos con el tiempo.
Toda reacción química está asociada a una constante de equilibrio, K, que refleja la relación entre las concentraciones de los productos y reactivos cuando la reacción ha dejado de progresar. Para medir K, se deben determinar estas concentraciones.
Si una reacción contiene un solo componente de color, se puede medir su interacción con la luz para discernir su concentración. Las concentraciones de los componentes incoloros se pueden calcular indirectamente utilizando la ecuación química equilibrada. Este video ilustrará el uso de un espectrofotómetro para determinar empíricamente la constante de equilibrio para una reacción de tiocianante de hierro.
La mayoría de las reacciones químicas se producen tanto en dirección directa como inversa. A medida que la reacción progresa, llega a un punto en el que las reacciones hacia adelante y hacia atrás ocurren a la misma velocidad. A esto se le conoce como equilibrio químico. En este estado estacionario, la relación entre las concentraciones de producto y las concentraciones de reactivos, cada una elevada a la potencia de sus coeficientes estequiométricos, corresponde a la constante de equilibrio, K. Para medir K para un sistema de interés, se deben conocer los coeficientes y determinar las concentraciones, ya sea directa o indirectamente. Según la ley de Beer-Lambert, la concentración de una especie coloreada es proporcional a su absorbancia, que es la cantidad de energía que absorbe a una longitud de onda específica de la luz. Esto se puede expresar matemáticamente, donde A es la absorbancia, épsilon es el coeficiente de atenuación molar, que es específico del compuesto, l es la longitud del camino a través de la muestra y c es la concentración. Una curva de calibración se crea probando múltiples soluciones de concentración conocida y trazando los valores de absorbancia resultantes. Con esta curva de calibración se pueden estudiar soluciones de concentración desconocida. Las mediciones de absorbancia se utilizan para determinar la concentración de las especies coloreadas. A continuación, se pueden calcular las concentraciones de los reactivos y productos restantes. El siguiente procedimiento estudiará la reacción del hierro tres con el tiocianato para formar un complejo de tiocianato de hierro.
Una vez que se han determinado las concentraciones, el valor de K se puede calcular con una tabla de equilibrio de cambio inicial, o ICE, que se explicará más adelante en los resultados.
Ahora que comprende cómo se pueden usar los métodos espectrofotométricos para determinar la constante de equilibrio, está listo para comenzar el procedimiento.
Antes de medir la muestra, se debe generar una curva de calibración.
Para empezar, ponga a cero un espectrofotómetro UV-vis utilizando agua destilada como blanco para representar la ausencia de absorbancia. Al insertar una cubeta en el espectrofotómetro, asegúrese de que esté orientada de manera que la luz pase a través de los lados transparentes y que el nivel de líquido esté por encima de la trayectoria del haz.
A continuación, prepare 5 tubos de ensayo que contengan los volúmenes indicados de cada solución reactiva como se muestra en el protocolo de texto, lo que producirá concentraciones variables del producto. Cubra cada tubo con un dedo enguantado y agite suavemente para mezclar. Deje reposar los tubos durante 10 minutos.
Utilice una pipeta Pasteur para transferir una pequeña cantidad de la muestra de concentración media, solución 3, a una cubeta, y colóquela en el espectrofotómetro. Adquiera un espectro y registre el ?max (longitud de onda máxima), lambda max y su absorbancia. Luego, comenzando con la solución más diluida, mida la absorbancia de todas las soluciones restantes en el ?max (lambda max). Use la misma cubeta para todas las mediciones, asegurándose de enjuagar 3 veces entre cada muestra. Repita este proceso para las soluciones 2 ? 5.
Trace la absorbancia medida frente a la concentración de tiocianato de hierro para cada solución. Determine la línea de mejor ajuste para los datos. La pendiente de esta recta es el coeficiente de atenuación molar.
Ahora que se han adquirido los datos para las soluciones estándar, prepare cuatro tubos de ensayo medianos que contengan los volúmenes indicados de soluciones como se muestra en el protocolo de texto.
Cubra cada tubo con un dedo y agite suavemente para mezclar. Déjalos reposar durante al menos 10 minutos. Este período de reposo permite que las soluciones alcancen el equilibrio químico.
Utilice una pipeta Pasteur para transferir una pequeña cantidad de solución 6 a la cubeta y colóquela en el espectrofotómetro. Adquiera un espectro y registre la absorbancia medida a la temperatura predeterminada ?max. Repita este proceso para las soluciones 7 a 9.
Una vez que se han medido todas las muestras, los datos de molaridad y absorbancia para las soluciones 1 ? 5 pueden ser analizados. Se utilizó un gran exceso de tiocianato para garantizar que todo el hierro reaccionara, lo que simplifica el análisis.
Los datos se trazan para crear una curva de calibración. La longitud de la trayectoria de la luz, l, suele ser de 1 cm, y se puede excluir de los cálculos. La pendiente de la línea, que se calculó en 7600, es por lo tanto el coeficiente de atenuación. Para las soluciones de prueba 6 ? 9, este valor y la absorbancia se utilizan para calcular las concentraciones de tiocianato de hierro en equilibrio. Con estos datos, se podría utilizar la tabla ICE.
Las concentraciones iniciales del reactivo se basan en las molaridades conocidas de hierro y tiocianato añadidos a la solución, y en el volumen total de la reacción. Debido a que el producto se forma a partir de la reacción 1:1 de hierro y tiocianato, la concentración de equilibrio de cada uno disminuye según la cantidad de producto formado. Ahora se conoce la concentración de equilibrio de cada especie. Estos valores se utilizan para calcular la constante de equilibrio para cada solución. Los valores son aproximadamente constantes en el rango de concentraciones estudiado.
El concepto de constante de equilibrio es importante para una amplia gama de campos científicos. La constante de equilibrio se puede utilizar para proporcionar información útil sobre el grado en que una reacción formará productos con el tiempo. En este ejemplo, se observaron dos reacciones que contienen cristal violeta.
La primera solución estaba compuesta de cristal violeta e hidróxido de sodio. Se observó que el color cambiaba rápidamente de púrpura a incoloro. Esta reacción tiene un valor K muy grande, lo que indica que los productos se forman casi por completo con el tiempo.
A continuación, el violeta cristalino se hizo reaccionar con acetato de sodio. Esta solución permaneció morada indefinidamente. Esta reacción tiene un valor K muy bajo, por lo que no avanza en un grado significativo.
Por último, la constante de disociación ? un tipo específico de constante de equilibrio ? se puede utilizar para describir el comportamiento de las proteínas. En este ejemplo, los cambios en la estructura del ARN se monitorearon en tampones de reacción de magnesio.
El ARN purificado se mezcló en una solución con concentraciones conocidas de magnesio y se permitió que alcanzara el equilibrio. A continuación, se trazó la estructura de ARN resultante.
En este caso, las concentraciones más altas de magnesio hicieron que los sitios reactivos en el ARN estuvieran menos protegidos, produciendo un Kd que era la mitad del valor.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la determinación espectrofotométrica de la constante de equilibrio. Ahora debe comprender la relación definida por la ley de Beer-Lambert, cómo determinar la concentración a partir de la absorbancia usando un espectrofotómetro y cómo calcular una constante de equilibrio usando concentraciones de equilibrio.
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