Laboratorio virtual de la cruz que desaparece: velocidad

Este laboratorio virtual de la cruz que desaparece corresponde al segundo método de la práctica obligatoria (required practical) de AQA GCSE Chemistry sobre velocidades de reacción: seguir una reacción por el cambio de turbidez. Los estudiantes mezclan tiosulfato de sodio con ácido clorhídrico sobre una cruz dibujada en un papel y cronometran cuánto tarda el azufre en ocultarla. Repiten con cinco concentraciones, representan 1/t frente a la concentración y luego suben la temperatura. Un modo colorímetro cubre el laboratorio de cinética de AP Chemistry con cristal violeta (consulta la Ampliación).

Relación con el currículo

• AQA GCSE Chemistry 4.6.1.2 (factores que afectan a la velocidad de las reacciones químicas) y su práctica obligatoria sobre cómo la concentración afecta a la velocidad, usando el cambio de turbidez. En Combined Science: Trilogy el mismo contenido es el 5.6.1.2. Para el método del volumen de gas de la misma práctica, consulta el laboratorio virtual de velocidad de reacción.
• AP Chemistry Unit 5, temas 5.1 Reaction Rates, 5.2 Introduction to Rate Law y 5.3 Concentration Changes Over Time (reacciones de primer orden y ln A frente al tiempo).
• NGSS HS-PS1-5 (estándar de EE. UU.): explicar el efecto de cambiar la concentración o la temperatura en la velocidad de una reacción.

Simulic no está afiliado al College Board ni a AQA, ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Pide a los estudiantes que se comprometan con una predicción, en papel o como pregunta 1 del enlace de clase:

"A 20 °C, 50 mL de disolución de tiosulfato de sodio hacen desaparecer la cruz en unos 25 segundos. En su lugar usas 25 mL de tiosulfato y 25 mL de agua. ¿Cuánto tardará en desaparecer la cruz?"

Algunos estudiantes dicen "lo mismo, porque el volumen es el mismo". No los corrijas todavía.

Método en la simulación

Cada medida usa un matraz nuevo: el volumen elegido de Na₂S₂O₃ 0,15 M, completado con agua hasta 50 mL, más 10 mL de HCl 2 M.

1. Pon Método en "Cruz que desaparece", Temperatura en 20 °C y Ritmo del tiempo en ×2.
2. Pon Na₂S₂O₃ 0,15 M en 50 mL. Pulsa Añadir HCl e iniciar.
3. Observa el círculo de la "Vista desde arriba". Pulsa Sin cruz – parar (o toca la imagen) en cuanto dejes de ver la cruz.
4. Repite dos veces más y calcula el tiempo medio. Medida automática cronometra una medida por ti, con una dispersión de alrededor del 3 %, como un observador cuidadoso.
5. Repite con 40, 30, 20 y 10 mL de tiosulfato. El agua se añade sola.
6. Calcula 1/t para cada media. Pulsa 1/t – concentración para ver la gráfica.
7. Vuelve a poner el volumen en 50 mL y repite a 30 °C y 40 °C. Pulsa 1/t – temperatura.

V Na₂S₂O₃ (mL)	V agua (mL)	[S₂O₃²⁻] (M)	t₁ (s)	t₂ (s)	t₃ (s)	t media (s)	1/t (s⁻¹)
50	0	0,125
40	10	0,100
30	20	0,075
20	30	0,050
10	40	0,025

Resultados esperados

Después de cada medida, la simulación muestra el tiempo del modelo, el momento en que la cruz desaparece de verdad. Las medidas sueltas se dispersan alrededor del 3 % en torno a ese valor. A 20 °C:

V Na₂S₂O₃ (mL)	50	40	30	20	10
Tiempo del modelo t (s)	25,2	31,6	42,2	63,8	130
1/t (s⁻¹)	0,0397	0,0317	0,0237	0,0157	0,0077

• 1/t es proporcional a la concentración de tiosulfato: los puntos quedan sobre una recta que pasa por el origen. Reducir la concentración a la mitad (de 50 a 25 mL) duplica el tiempo, de 25,2 s a 50,8 s.
• Las medidas reales se dispersan: nuestras medidas automáticas con 50 mL dieron 26,3; 25,4 y 25,5 s.
• Temperatura, 50 mL: 52,0 s a 10 °C, 25,2 s a 20 °C, 12,8 s a 30 °C y 6,8 s a 40 °C. Cada aumento de 10 °C aproximadamente duplica 1/t.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Cómo cambia el tiempo cuando usas 25 mL de tiosulfato y 25 mL de agua en lugar de 50 mL de tiosulfato?
2. ¿Por qué se añade agua hasta completar 50 mL en todas las medidas?
3. Con 20 mL de tiosulfato y 30 mL de agua a 20 °C, ¿cuál es el tiempo medio que tarda en desaparecer la cruz?
4. Con 50 mL de tiosulfato, ¿cuántas veces mayor es 1/t a 30 °C que a 20 °C?
5. ¿Por qué se puede usar 1/t como velocidad y cómo se podría cronometrar con más exactitud?

Respuestas para el docente: (1) Aproximadamente se duplica, de 25 s a 51 s. (2) Para mantener igual el volumen total, y la profundidad de líquido a través de la que miras, de modo que solo cambie la concentración de tiosulfato. (3) Unos 64 s (se acepta 59–69 s). (4) Unas 2,0 (se acepta 1,75–2,2). (5) Todas las medidas se detienen cuando se ha formado la misma cantidad de azufre, así que la velocidad es una cantidad fija dividida entre t, que es proporcional a 1/t. El punto final es una apreciación, así que conviene el mismo observador, la misma cruz y la misma iluminación, repetir y calcular la media, o usar un sensor de luz para detectar el punto final.

Ideas erróneas frecuentes

• "El volumen total es el mismo, así que la concentración es la misma." Añadir agua en lugar de tiosulfato baja la concentración del reactivo.
• "Un tiempo más largo significa una reacción más rápida." El tiempo y la velocidad son inversamente proporcionales, y por eso la gráfica usa 1/t.
• "Calentar solo hace que las partículas choquen más a menudo." El efecto mayor es que una proporción mayor de las colisiones tiene energía suficiente para reaccionar.

Ampliación

• AP: colorimetría del cristal violeta. Cambia Método a "Colorímetro", pon [OH⁻] en 0,02 M y 25 °C, y pulsa Empezar a medir. Compara las gráficas A – t, ln A – t y 1/A – t: solo ln A – t es recta (R² 0,9999), así que la reacción es de primer orden respecto al colorante. Obtuvimos k' = 4,0×10⁻³ s⁻¹ y t½ = 173 s. Con OH⁻ 0,04 M, k' se duplicó a 8,0×10⁻³ s⁻¹ (R² 0,9996 para ln A y 0,88 para las otras dos gráficas), así que también es de primer orden respecto al OH⁻, con k = 0,200 M⁻¹ s⁻¹.

Preguntas frecuentes

¿Por qué no hacer directamente la práctica real?

La reacción real desprende dióxido de azufre, que es tóxico y puede desencadenar asma. La simulación da un conjunto completo de datos sin riesgo, con repeticiones en segundos. Úsala antes de un laboratorio real o en su lugar.

¿Por qué mis tiempos son un poco distintos de los de la tabla?

Cada medida se cronometra a ojo, o con Medida automática con una dispersión de alrededor del 3 %. Por eso los estudiantes repiten cada medida y usan la media.

¿Sustituye esto al método del volumen de gas?

No. La práctica de AQA pide los dos métodos: uno que mide el volumen de gas y otro que sigue un cambio de color o de turbidez. El método del volumen de gas está en el laboratorio virtual de velocidad de reacción, así que los dos paquetes juntos cubren toda la práctica.

Simulaciones y guías relacionadas

Medición del volumen de gas en el tiempo – rapidez media e instantánea de reacción Velocidad de reacción: modelo de choques (concentración, temperatura, catalizador, superficie)

Para más actividades de química, consulta ideas de clases interactivas de química. Para hacer la predicción como un ciclo completo, consulta predecir, observar, explicar con simulaciones.