Studio della velocità di reazione

Materiali occorrenti:

Permanganato di potassio sol.0.02 M - Acido ossalico sol.0.1 M - Acido solforico 95 % - Cloruro di manganese cristallino - Carbonato di calcio in polvere - Marmo - Acido cloridrico sol.1:3 - Agitatore magnetico - Vetreria.

Esecuzione delle esperienze:

In quattro beckers da 100 mL si pongono, utilizzando una pipetta, 10 mL di sol.0.02 M di permanganato di potassio (KMnO₄); in altri quattro beckers si versano, utilizzando altra pipetta, 10 mL di acido ossalico è(COOH)₂ ] sol.0.1 M. Nei beckers della seconda serie si aggiungono, con cautela, 2 mL di acido solforico 95 % . La reazione che avviene è:

2KMnO₄ + 5(COOH)₂ + 3H₂SO₄ ¾®K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 10CO₂ + 8H₂O ,

ovvero, in termini di ossidoriduzione:

5(COOH)₂ ¾®10CO₂ + 10H⁺ + 10e
2MnO₄^- + 10e + 16H⁺ ¾® 2Mn²⁺ + 8H₂O
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾-----------------------¾¾
5(COOH)₂ + 2MnO₄^- + 6H⁺ ¾® 10CO₂ +2Mn²⁺ + H2O

Il carbonio si ossida passando da n.o. +3 a +4, mentre il manganese si riduce passando da n.o. +7 a +2.

Nota operativa: Al fine di avere una omogenea agitazione nel corso delle varie fasi, se disponibile, si raccomanda l'uso di un agitatore magnetico. Pertanto si immergono nei 4 beckers contenenti la soluzione di permanganato di potassio 4 ancorette magnetiche in modo da averle pronte al momento della reazione; contemporaneamente si predispone l'agitatore magnetico sul tavolo di esercitazione. Qualora l'apparecchiatura non fosse disponibile è possibile procedere manualmente con l'uso di una bacchetta in vetro, anche se ciò risulterà abbastanza noioso.

Parte prima: influenza della concentrazione:

Si prende uno dei beckers contenente acido ossalico ed acido solforico e lo si versa in uno di quelli contenenti il permanganato di potassio e l'ancoretta magnetica e si pone il tutto sull'agitatore, facendo partire un cronometro. Alla completa decolorazione si annota il tempo di reazione impiegato,
indicandolo con " T1".

Si prendono altri due beckers delle due serie e ad essi si aggiungono, a ciascuno, 10 mL di acqua distillata. Le due soluzioni divengono, così, più diluite, esattamente a titolo 0.01 M il permanganato di potassio e a titolo 0.05 M l'acido ossalico. Si procede come nel primo esperimento versando l'acido ossalico e l'acido solforico nel becker con il permanganato di potassio e l'ancoretta magnetica, ponendo il sistema sull'agitatore e facendo partire il cronometro fino al compimento della reazione. Il tempo impiegato si indica con " T2".

Si confrontano i tempi delle due reazioni e si osserva che T1 < T2 ; questo indica una influenza delle concentrazioni dei reagenti sulla velocità di reazione.

Infatti le reazioni avvengono quando le particelle vengono a collisione; più grande è il numero di urti nell'unità di tempo, più alto sarà il numero di particelle che si trasformano; di conseguenza, la velocità di reazione sarà più elevata. In altre parole, si può dire che in una soluzione più concentrata maggiore è il numero delle particelle per unità di volume per cui maggiori sono anche le collisioni tra le stesse nell'unità di tempo e maggiore la velocità.

Guldberg e Waage stabilirono che la velocità di reazione è proporzionale al prodotto delle concentrazioni, espresso in moli, delle sostanze che reagiscono.

V = k [A] · [B] ove V = velocità, k = costante di velocità, A e B i reagenti .

La costante di velocità tiene conto dei fattori che possono influire, quali la natura dei legami, la temperatura, la presenza di catalizzatori; essa ha un valore caratteristico ed uguale per una certa reazione che si svolga in identiche condizioni.

Parte seconda: influenza della temperatura:

Si sottopongono a riscaldamento un becker della prima serie ed uno della seconda, fino ad una temperatura di circa 50 °C; si procede, quindi, nel modo consueto annotando il tempo di reazione, che sarà quasi istantaneo, tanto da non dover neppure porre il becker sull'agitatore. Il tempo rilevato si indica con " T3 "; confrontandolo con " T1 " (uguali concentrazioni dei reagenti) si osserva che T3 < T1 , ovvero una notevole influenza della temperatura sulla velocità di reazione.

Ad ulteriore conferma di ciò può essere effettuata una prova con le soluzioni portate a temperatura di circa 5/10 °C; si osserva, in questo caso, un aumento del tempo di reazione, per cui risulta T3 > T1 .

Parte terza: presenza di un catalizzatore:

Si prende una coppia di beckers e in quello contenente l'acido ossalico si scioglie una punta di spatola di cloruro di manganese ( MnCl2 ); si versa poi il contenuto nel becker con il permanganato nel quale è immersa l'ancoretta magnetica, lo si pone sull'agitatore e si e si rileva il tempo di reazione; questo viene indicato con " T4 ". Rapportando questo valore con quello del primo esperimento (uguali concentrazioni dei reagenti ed uguale temperatura) si osserva che T4 < T1 a dimostrare l'attività di un catalizzatore positivo che ha favorito la reazione.

I catalizzatori sono sostanze capaci di influire sulla velocità di reazione senza partecipare alla direttamente alla stessa. Possono essere classificati in:

Catalizzatori omogenei: quando si trovano nello stesso stato fisico dei reagenti.

Catalizzatori eterogenei: quando si trovano in uno stato fisico diverso da quello dei reagenti (es. spugne di platino in reazioni in soluzione)

Parte quarta: area della superficie dei reagenti:

Si prende un pezzo di marmo e sulla sua superficie ruvida si gocciola della soluzione 1:3 di acido cloridrico; si osserva una effervescenza dovuta allo sviluppo di biossido di carbonio, secondo la reazione:

CaCO₃ + 2HCl ¾® CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Si pone poi una spatolata di carbonato di calcio in polvere fine su un vetro da orologio aggiungendo alcune gocce di acido cloridrico; si nota lo sviluppo di biossido di carbonio ma la reazione appare decisamente più veloce.

Questo significa che una maggiore area della superficie di reazione favorisce la velocità della stessa.

Nella generalità sono lente le reazioni in cui i reagenti devono rompere legami covalenti e formarne degli altri. Sono veloci le reazioni tra ioni di cariche opposte, quando non vi sia luogo a redox. Sono medie le reazioni tra composti polari.

Nota operativa: disponendo di soluzione 1 N di permanganato di potassio, corrispondente a 0.2 M , si può diluire in rapporto 1:9 per ottenere la soluzione richiesta. Disponendo di soluzione 1 N, corrispondente a 0.5 M, di acido ossalico si può diluire in rapporto 2:8 al fine di ottenere la soluzione indicata.

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