«Εν Χημικόν ωρολόγιον» Το χημικό ρολόι Β ΛΥΚΕΙΟΥ-ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ Η. Γαβρίλης

Αρχή της μεθόδου Δύο αντιδράσεις πραγματοποιούνται χωρίς αρχικά να υπάρχει εμφανής χημική αλλαγή. Μετά όμως από κάποιο χρονικό διάστημα το υγρό γίνεται σκούρο μπλε. Το χημικό ρολόι υπάρχει σε αρκετές παραλλαγές.

Η παραλλαγή με Η2Ο2 Η αντίδραση ξεκινά από ένα διάλυμα Η2Ο2 οξινισμένο με H2SO4. Στο διάλυμα αυτό προστίθενται 1-2 σταγόνες διάλυμα αμύλου, και διάλυμα Na2S2O3. Κατόπιν προστίθεται διάλυμα ΚΙ.

Οι αντιδράσεις και η εξήγηση της εμφάνισης του χρώματος. H2Ο2 (aq) + 3 I- (aq) + 2 H+(aq)  I3- (aq) + 2H2O (Ι) [αργή]. I3-(aq) + 2 S2O32- (aq)  3 I- (aq) + S4O6 2- (aq) (ΙΙ) [ταχύτατη]. Η αντίδραση (ΙΙ) είναι ταχύτατη, πρακτικά ακαριαία. Μόλις το Ι3- σχηματιστεί αντιδρά αμέσως με το S2O32- . Συνεπώς το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να καταναλωθεί ορισμένη ποσότητα S2O3-2 εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία παράγεται το Ι3- στην αντίδραση (Ι). Όσο γρηγορότερα παράγεται το Ι3- τόσο πιο σύντομο είναι το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να καταναλωθεί το Η2Ο2. Η ταχύτητα όμως παραγωγής Ι3- εξαρτάται από τις αρχικές συγκεντρώσεις που με κατάλληλη ρύθμιση, ρυθμίζεται και το χρονικό διάστημα της εμφάνισης του χρώματος ιωδίου-αμύλου. Έχουμε δηλαδή ένα χημικό τρόπο μέτρησης χρόνου με ρύθμιση των αρχικών συγκεντρώσεων.

Η παρουσίαση στους μαθητές. Ε H2Ο2 + 2I- + 2 H+  I2 + 2H2O (Ι) [αργή]. H2O2+I- I2 I2 + 2 S2 O32-  2 I- + S4O82- (ΙΙ) [ταχύτατη]. I- πορεία

Το πηγάδι με τα S2O32- στην κορυφή. Αν έβγαιναν απ΄το πηγάδι Θα βάφανε το άμυλο. Ι2+άμυλομπλε Ι2 S2O3-2 I- slow fast Η2Ο2 + Ι-

Όταν τα S2O3-2 εξαντληθούν επικρατεί το χρώμα. Ι2+άμυλομπλε Ι- Η2Ο2 + Ι-

Η δοσολογία 10 ml διαλύματος Η2Ο2 3%(w/w). 2 σταγόνες διάλυμα αμύλου 0,5 %. 4 σταγόνες Na2S2O3 0,2M 4 σταγόνες διάλυμα H2SO4 1,5%. 4 σταγόνες ΚΙ 0,4Μ. Μετράμε το χρόνο μέχρι να εμφανιστεί το χρώμα. Ο χρόνος αυτός αντιστοιχεί στο χρόνο κατανάλωσης της συγκέντρωσης των θειοθειϊκών d[S2O3]/dt.

Η επίδραση της [Η2Ο2] Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 10 ml διαλύματος Η2Ο2 3%,1,5%και 0,75% αντίστοιχα. Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 2 στγ διάλυμα αμύλου, 4 στγ διάλυμα Na2S2O3 , 4 στγ H2SO4, και 4 στγ διάλυμα ΚΙ με τη σειρά που αναφέρθηκαν στη δοσολογία, ανακινώντας πριν από κάθε προσθήκη. Στη συνέχεια μετράται ο χρόνος εμφάνισης του χρώματος.

Η επίδραση της [Ι] Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 10 ml διαλύματος Η2Ο2 3%. Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 2 στγ διάλυμα αμύλου, και 4 στγ διάλυμα Na2S2O3 και 4 στγ διάλυμα H2SO4. Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 4-2-1στγ στγ διάλυμα ΚΙ αντίστοιχα, με τη σειρά που αναφέρθηκαν στη δοσολογία, ανακινώντας πριν από κάθε προσθήκη. Στη συνέχεια μετράται ο χρόνος εμφάνισης του χρώματος.

Η επίδραση του ΡΗ Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 10 ml διαλύματος Η2Ο2 3%. Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 2 στγ διάλυμα αμύλου, και 4 στγ διάλυμα Na2S2O3 Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 4-2-1 στγ διάλυμα H2SO4 αντίστοιχα. Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 4στγ στγ διάλυμα ΚΙ. με τη σειρά που αναφέρθηκαν στη δοσολογία. Ανακινούμε πριν από κάθε προσθήκη. Στη συνέχεια μετράται ο χρόνος εμφάνισης του χρώματος.

Η επίδραση της θερμοκρασίας Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 10 ml διαλύματος Η2Ο2 3%,1,5%και 0,75% αντίστοιχα. Σε κάθε ποτήρι προσθέτουμε 2 στγ διάλυμα αμύλου, 4 στγ διάλυμα Na2S2O3 , 4 στγ H2SO4, και 4 στγ διάλυμα ΚΙ με τη σειρά που αναφέρθηκαν στη δοσολογία, ανακινώντας πριν από κάθε προσθήκη. Βυθίζουμε τα ποτήρια σε λουτρό διαφορετικής θερμοκρασίας (ζεστό νερό-κανονικό νερό-νερό με πάγο). Στη συνέχεια μετράται ο χρόνος εμφάνισης του χρώματος.

Ο νόμος ταχύτητας Πειραματικά αποτελέσματα: I ΙΙ ΙΙΙ Πείρ [Η2Ο2] [I] [S2O3] [PH] t d[S2O3]/dt I 0,838M 7,6.Exp(-3) M 3,8.Exp(-3) M 2 45 min 8,44Exp(-5) M/min ΙΙ 0,419M 90 min 4,22Exp(-5) M/min ΙΙΙ 0,209M 170 min 2,23Exp(-5) M/min

Η ρύθμιση του ΡΗ στα πειραματικά δεδομένα. Το ΡΗ διατηρείται πρακτικά σταθερό στην τιμή 2 με την προσθήκη του διαλύματος του H2SO4. (Τα διαλύματα ισχυρών οξέων και βάσεων είναι ρυθμιστικά).

Από τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώνουμε ότι: Από τη στοιχειομετρία των εξισώσεων φαίνεται ότι: V=d[H2O2]/dt=(1/2)d[S2O3]/dt

Αντικαθιστούμε τα πειραματικά δεδομένα στο νόμο ταχύτητας:

Η τιμή της k και της ψευδοσταθεράς k’ για Αρα:

H3AsO3 + Ι3- + H2O  HAsO42- + 3Ι- + 4H+ Μετά την ανάμιξη διαλυμάτων IO3- και Ι- πραγματοποιείται η αντίδραση: IO3- + Ι- + 6Η+  3Ι3- + 3Η2Ο Αν όμως προστεθεί στο μίγμα ορισμένη ποσότητα αρσενικώδους οξέος H3AsO3 το παραγόμενο Ι3- αντιδρά περαιτέρω και δίνει εκ νέου Ι-. H3AsO3 + Ι3- + H2O  HAsO42- + 3Ι- + 4H+ Αν στο σύστημα έχει προστεθεί λίγο υδατοδιαλυτό άμυλο το χαρακτηριστικό κυανό χρώμα ιωδίου αμύλου εμφανίζεται αφού καταναλωθεί το H3AsO3.

Η παραλλαγή των υπερθειϊκών Εδώ χρησιμοποιείται υπερθειϊκό αμμώνιο για να οξειδώσει τα Το ιώδιο δημιουργείται: 2I-(aq) + S2O82-(aq) → I2 (aq) + 2SO42-(aq) Και κατόπιν αναγεννάται: I2 (aq) + 2S2O32-(aq) → 2I-(aq) + S4O62-(aq)