Studio della cinetica di una reazione chimica prendendo in esame il fattore temperatura e il fattore catalizzatore

2MnO + 5C O +16 H⁺ 2Mn⁺⁺ + 10CO + 8H O

Vediamo bene quando la reazione è avvenuta perché, essendo una reazione di ossido riduzione, il permanganato di potassio, ossidandosi, passa da viola a incolore. Quando la soluzione è completamente incolore la reazione è finita. Il catalizzatore invece agisce sull'energia di attivazione, abbassandola. I catalizzatori organici sono gli enzimi, che sono proteine globulari specifiche, mentre i catalizzatori inorganici spesso sono ioni. Questi catalizzatori agiscono formando un'associazione temporanea con le molecole reagenti; questa associazione avvicina tra loro le molecole reagenti e indebolisce i legami chimici esistenti facilitando la formazione di altri nuovi legami. Perciò la quantità di energia necessaria alle particelle per rompere i legami è minore, visto che queste vengano aiutate proprio dai catalizzatori. L'attività del catalizzatore è detta catalisi, e ogni catalizzatore è specifico per una reazione. Un singolo catalizzatore può catalizzare in 1 secondo le reazioni di decine di migliaia di molecole identiche: i catalizzatori sono quindi efficaci anche in piccole quantità; inoltre, durante questo processo, non subiscono alterazioni permanenti e possono perciò essere usati più volte. Ci sono anche catalizzatori che servono a rallentare l'andamento delle reazioni ma vengono perciò chiamati inibitori. In quest'esperienza useremo come catalizzatore l'ossido di manganese ( MnO ). Per verificare la sua influenza nella cinetica faremo avvenire due volte la reazione che abbiamo usato anche nella prima parte e, solo in una delle due volte aggiungeremo il catalizzatore.

STRUMENTI

4 becker uguali

8 provette

occhialini

cronometro

burette

termometro

REAGENTI

H C O 0,1N

KMnO 0,1N

MnO

H SO concentrato

PROCEDIMENTO: Questa esperienza può essere divisa in due parti, in ognuna delle quali studieremo la cinetica della reazione in base a un fattore diverso.

Nella prima parte ci occuperemo del fattore temperatura. Per studiare la cinetica della reazione in base a questo fattore faremo avvenire più volte la stessa reazione cambiando ogni volta la temperatutra. Per confrontarle e vedere quanto questo incida, con un cronometro, misureremo il tempo impiegato dalle reazioni. È facile vedere quando una reazione è completata in quanto è una reazione di ossido riduzione in cui il permanganato di potassio passa da viola a incolore; stopperemo il cronometro nel momento in cui la soluzione è diventata tutta incolore. Prima di tutto prendiamo un po'd'acqua con un beker, dove inseriremo anche un termometro per controllare sempre la temperatura, e lo mettiamo su un becco bunsen. Prendiamo poi 8 provette, tutte con la solita capacità, e le numeriamo. Riempiamo le prime quattro provette con 5ml di KMnO che preleveremo con una buretta, ricordandoci prima di azzerarla e togliere l'eventuale bolla d'aria, e le altre quattro con 5,5ml di H C O e 1ml di H SO concentrato, sempre prelevati dalle burette Inseriamo in queste ultime provette un volume maggiore di acido ossalico rispetto al permanganato delle altre per essere certi che avvenga la reazione, considerando un certo errore di prelievo. Dobbiamo ora far avvenire le reazioni. Iniziamo versando il contenuto della provetta numero 1 nella provetta numero 5 e agitiamo energicamente. Questa prima reazione dovrà avvenire a temperatura ambiente che avremo precedentemente misurato. Contemporaneamente all'inizio della reazione, facciamo partire anche il cronometro, aspettiamo che la reazione avvenga e segniamo il tempo impiegato. Nel frattempo mettiamo le altre provette nel beker a bagnomaria, quando il termometro segna 40°C facciamo avvenire anche la seconda reazione ripetendo la stessa operazione di prima con la provetta numero 2 e la provetta numero 6. quando il termometro segna 60°C facciamo avvenire la reazione anche tra le provette numero 3 e 7 e, infine, a 80°C anche tra le provette numero 4 e 8. ovviamente ogni volta segniamo i tempi e, specialmente nelle ultime reazioni dobbiamo lavorare sotto cappa e con gli occhialini poiché queste avvengono molto velocemente e con un certo sviluppo di gas. Dopo aver segnato anche l'ultimo tempo dovremo notare che sono tutti diversi tra loro, visto che la temperatura è cambiata è cambiata anche l'energia di attivazione e quindi anche il tempo impiegato dalla reazione per avvenire.

Nella seconda parte ci occuperemo del fattore catalizzatore. Per studiare la cinetica delle reazioni sotto questo punto di vista faremo avvenire la stessa reazione due volte, aggiungendo una sola volta il catalizzatore, nel nostro caso MnO . Prendiamo 4 beker e anche questa volta li numeriamo. Inseriamo nei primi due 20ml di KMnO , sempre usando la buretta e quindi azzerandola e togliendo la bolla d'aria, mentre negli altri due 25ml di H C O e 3ml di H SO . Anche in questo caso c'è un eccesso di acido ossalico per essere sicuri che la reazione avvenga correttamente. L'acido solforico serve invece a rendere l'ambiente acido. Nel beker 3 inseriamo anche una punta di spatola di MnO , il catalizzatore. Siamo pronti per far avvenire le reazioni che, se il cronometro lo permette, potranno anche avvenire contemporaneamente. Versiamo quindi il contenuto del beker numero 1 nel beker numero 3, in contemporanea facciamo partire il cronometro e facciamo 5 giri rotatori del beker. Una volta che la reazione è passata a incolore prendiamo il tempo. Versiamo poi il numero 2 nel numero 4 e facciamo lo stesso procedimento. Se abbiamo deciso di farle avvenire insieme l'inizio della reazione e i movimenti rotatori dovranno avvenire contemporaneamente. Dai tempi ottenuti dovrei già avere una prima idea dell'influenza del catalizzatore sulla cinetica. La reazione del beker numero 1 con il beker numero 3 ( quello con il catalizzatore ) dovrebbe essere avvenuta molto più velocemente e, il catalizzatore dovrebbe essersi depositato sul fondo dato che serve solo a far abbassare l'energia di attivazione senza subire alterazioni permanenti.

CALCOLI

Tempi di reazione della prima parte:

_ reazione provetta 1 e 5   temp. ambiente tempo = 1,20 minuti

_ reazione provetta 2 e 6   temp. 40°C tempo = 30 secondi

_ reazione provetta 3 e 7   temp. 60°C tempo = 15 secondi

_ reazione provetta 4 e 8   temp. 80°C tempo = 8 secondi

I tempi sono chiaramente diversi e quella più veloce è stata l'ultima, quella con la temperatura maggiore

Tempi di reazione della seconda parte:

_ reazione con catalizzatore  tempo = 39 secondi

_ reazione senza catalizzatore   tempo = 1,54 minuti

I tempi sono diversi tra loro e la reazione più veloce è chiaramente quella con il catalizzatore.

CONCLUSIONI: Con quest'esperienza abbiamo verificato che il fattore temperatura e il fattore catalizzatore influiscano effettivamente sulla cinetica di una reazione. Cambiando la temperatura infatti la differenza fra i tempi impiegati dalle reazioni è notevole, quella con minore temperatura ha impiegato infatti 1,20 minuti, mentre quella a temperatura maggiore ha impiegato solamente 8 secondi per avvenire. Anche il catalizzatore influisce notevolmente facendo avvenire la stessa reazione, che senza catalizzatore impiega 1,54 minuti, in soli 39 secondi.