Laboratorio virtual de velocidad de reacción: ácido y gas

Este laboratorio virtual de velocidad de reacción corresponde a la práctica obligatoria (required practical) de AQA GCSE Chemistry sobre velocidades de reacción, con el método de recogida de gas. Los estudiantes echan trozos de carbonato de calcio en ácido clorhídrico, recogen el dióxido de carbono en una jeringa de gases y representan el volumen frente al tiempo. Después repiten la prueba con distintas concentraciones de ácido. Calculan velocidades medias, comparan tiempos con velocidad ∝ 1/t y explican los resultados con la teoría de colisiones. También sirve de apoyo al laboratorio de cinética de AP Chemistry con mármol y ácido, en el que los estudiantes comparan velocidades iniciales para hallar el orden de reacción.

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, midiendo el volumen de gas producido. En Combined Science: Trilogy el mismo contenido es el 5.6.1.2. El segundo método de esa práctica, el cambio de color o de turbidez (la "cruz que desaparece"), no está en esta simulación.
• AP Chemistry Unit 5, Topics 5.1 Reaction Rates y 5.2 Introduction to Rate Law: consulta la Ampliación.
• 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:

"Duplicas la concentración del ácido de 1,0 M a 2,0 M y mantienes todo lo demás igual. ¿Qué les pasa al volumen total de gas y a la rapidez con que se forma?"

Muchos estudiantes esperan "el doble de gas". No los corrijas todavía.

Método en la simulación

El matraz contiene 50 mL de HCl. La prueba se reproduce a diez veces la velocidad real, así que 300 segundos de reacción duran 30 segundos. Cada prueba queda en la gráfica y la tabla de resultados las recoge todas.

1. Deja los valores iniciales: CaCO₃, Trozos, m = 0,40 g, C(HCl) = 1,0 M, temperatura 25 °C. Pulsa Iniciar y espera a que el cronómetro llegue a 05:00.
2. Las marcas naranjas t₁ y t₂ empiezan en 20 s y 60 s. Arrástralas a 30 s y 60 s. La línea de fórmulas muestra el volumen de gas en los dos tiempos.
3. Lee V final y t para ½ del V final en la tabla.
4. Pulsa Nueva medición, cambia solo C(HCl) a 0,5; 1,5 y 2,0 M, y repite los pasos 1–3 con cada una.
5. Calcula la velocidad media durante los primeros 60 s (volumen a 60 s ÷ 60) y la velocidad como 1/t½.

C(HCl) (M)	V a 30 s (mL)	V a 60 s (mL)	V final (mL)	t½ (s)	Velocidad media 0–60 s (mL/s)
0,5
1,0
1,5
2,0

Resultados esperados

Todas las lecturas salen de la simulación con 0,40 g de trozos de CaCO₃ a 25 °C:

C(HCl) (M)	0,5	1,0	1,5	2,0
V a 30 s (mL)	17,9	33,6	47,1	58,7
V a 60 s (mL)	32,7	57,5	75,4	87,3
V final (mL)	99,2	99,2	99,2	99,2
t½ (s)	103	49	32	24
Velocidad media 0–60 s (mL/s)	0,55	0,96	1,26	1,46

• Todas las pruebas terminan en 99,2 mL. Los 0,40 g de CaCO₃ (4,00 mmol) son el reactivo limitante, e incluso el ácido 0,5 M está en exceso.
• Las curvas son más pendientes al principio y se estabilizan a medida que se gastan los trozos.
• Duplicar la concentración reduce t½ a la mitad (de 49 s a 24 s), así que la velocidad, medida como 1/t½, aproximadamente se duplica.
• La velocidad media en 60 s no se duplica (de 0,96 a 1,46 mL/s): con 2,0 M la reacción casi ha terminado a los 60 s. Por eso las velocidades se comparan al principio, o como el tiempo necesario para recoger un volumen fijo.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) Si duplicas la concentración del ácido, ¿qué les pasa al volumen final y a la rapidez de la reacción?
2. ¿Qué variable debes mantener igual en todas las pruebas?
3. Con 1,0 M, ¿cuál es la velocidad media de reacción durante los primeros 60 s?
4. Usando velocidad ∝ 1/t½, ¿cuántas veces más rápida es la reacción con 2,0 M que con 1,0 M?
5. ¿Por qué el ácido 2,0 M reacciona más deprisa pero no produce más gas?

Respuestas para el docente: (1) El mismo volumen final, recogido más deprisa. (2) La masa y la forma del CaCO₃ y la temperatura. (3) 57,5 mL ÷ 60 s = 0,96 mL/s (se acepta 0,94–0,98). (4) 49 ÷ 24 ≈ 2,0 (se acepta 1,85–2,15). (5) Más partículas de ácido por unidad de volumen dan colisiones más frecuentes con la superficie del CaCO₃, así que la velocidad aumenta. El CaCO₃ es el reactivo limitante, así que la cantidad de CO₂ queda fija en 4,00 mmol (99,2 mL).

Ideas erróneas frecuentes

• "Un ácido más fuerte produce más gas." El reactivo limitante fija la cantidad de producto. La concentración solo cambia la rapidez con que se forma.
• "Una concentración mayor hace que las partículas se muevan más deprisa." La rapidez de las partículas depende de la temperatura. La concentración aumenta el número de colisiones por segundo, no su energía.
• "La velocidad se mantiene constante durante una prueba." La pendiente de V(t) es máxima al principio y baja hasta cero.

Ampliación

• AP: orden de reacción. Arrastra t₁ a 0 s y lee "v en t₁" en la tabla: 0,657; 1,314; 1,971 y 2,628 mL/s para 0,5; 1,0; 1,5 y 2,0 M. La velocidad inicial es proporcional a la concentración, así que en este modelo la reacción es de primer orden respecto a H⁺.
• Área superficial y temperatura: con 1,0 M, cambia a Polvo: t½ baja de 49 s a 10 s. De nuevo con trozos a 35 °C: t½ es de 24 s, la mitad del valor a 25 °C.

Preguntas frecuentes

¿Pueden los estudiantes hacer la práctica sin campana de gases ni jeringa de gases?

Sí. Obtienen un conjunto completo de datos, gráficas y cálculos con la simulación. Úsala para enseñar el método antes del laboratorio real, o en lugar de él.

¿Por qué el ácido está en exceso en todas las pruebas?

Con 0,40 g de CaCO₃ y 50 mL de ácido, incluso el HCl 0,2 M (10 mmol) supera los 8 mmol necesarios. Así el volumen final es siempre el mismo y solo cambia la velocidad.

¿La simulación incluye el método de la "cruz que desaparece"?

No. Solo usa la recogida de gas. Haz el método del tiosulfato de sodio como laboratorio real, o usa el modelo de colisiones enlazado abajo para la imagen de partículas.

Simulaciones y guías relacionadas

Velocidad de reacción: modelo de choques (concentración, temperatura, catalizador, superficie)

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