Studio dei Fattori che influenzano il decorso delle reazioni chimiche

La cinetica chimica ci permette di stabilire la velocità con cui avviene una reazione chimica e, inoltre, ci fornisce utili informazioni circa il meccanismo attraverso il quale il processo chimica si evolve.

Durante un processo chimico le sostanze si combinano tra loro, in modo più o meno spedito, per formare i cosiddetti prodotti della reazione. Pertanto la rapidità con cui i reagenti scompaiono, o con cui i prodotti si formano, corrisponde alla velocità di reazione.

Sperimentalmente è possibile dimostrare che la velocità di una reazione dipende da alcuni fattori; noi verificheremo i seguenti:

• CONCENTRAZIONE
• TEMPERATURA
• CATALIZZATORE
• AGITAZIONE

CONCENTRAZIONE DEI REAGENTI:

Se i reagenti sono presenti in quantità notevole, grande è la probabilità che essi si incontrino e reagiscano e che quindi la velocità di reazione sia elevata.

TEMPERATURA DEI REAGENTI:

Più la temperatura dei reagenti è elevata, più sarà veloce il processo di reazione. 545j99f

CATALIZZATORE:

La sua funzione è quella di diminuire l'energia di attivazione(energia che deve essere necessariamente posseduta dai reagenti per trasformarsi in prodotti). La presenza di un catalizzatore provoca quindi un aumento della velocità di reazione.

AGITAZIONE:

Si è alla presenza di un'agitazione molecolare(sottoporre la reazione a movimenti od oscillazioni) che diminuisce il tempo di durata della reazione.

DI COSA BISOGNA DISPORRE?

6 coppie di provette, 6 becker, beuta da 500 ml, termometro con portata max di 100 °C, un bunsen a gas, una bacchettina, reticella spargifiamma, spruzzetta con acqua distillata, permanganato di potassio (KMnO₄), acido solforico non diluito (H₂SO₄), acido ossalico (H₂C₂O₄), cronometro, dosatore di H₂O tarato fino a 25 ml, pipetta tarata 25ml, propipetta, buretta con rubinetto e imbuto per buretta.

Nella prova effettuata abbiamo, quindi, sperimentato i fattori elencati poc'anzi; con ciò abbiamo dimostrato che ci sono delle differenze di velocità di reazione. Per dimostrare queste differenze bisogna usare dei metodi di sperimentazione diversi secondo i fattori.

CONCENTRAZIONE

Per vedere le differenze di velocità, abbiamo diminuito la concentrazione della soluzione aggiungendo ad ogni prova (6 prove in totale) 5 ml di H₂O, partendo da 0 ml. Abbiamo notato, infatti, che il tempo impiegato dalla reazione aumentava di volta in volta.

COSA BISOGNA FARE?

1. Si prelevano 5ml di permanganato di potassio dalla buretta e si mettono nella provetta;

2. Nella beuta invece si versano 5 ml  di acido ossalico e poi 1ml di acido solforico (riportarli nello stesso ordine cronologico).

3. Si prepara il cronometro e si avvia nel momento in cui si verseranno i 5 ml di permanganato di potassio nei due acidi.

4. Si stoppa il cronometro nel momento in cui la reazione finisce (e quindi quando il colore della soluzione passa dal violetto ad essere incolore).

5. Si riportano nella tabella della concentrazione i valori dei tempi impiegati per le reazioni.

6. Si calcola:

R=ml KMnO₄ e V=mlKMnO₄

mlTOT mlTOT . sec

Da queste formule definiremo la velocità di reazione di ogni campione.

AIUTO: Per poter accorgersi meglio del cambio del colore della soluzione, portare il becker con la soluzione su un foglio bianco.

TEMPERATURA

A differenza della concentrazione, per verificare le variazioni di velocità, abbiamo aumentato di volta in volta la temperatura di 10 °C (siamo partiti da 15°C e siamo arrivati a 65°C). Abbiamo notato in questo caso che il tempo di reazione diminuiva, infatti la reazione avvenuta a 65°C ha impiegato 6 secondi circa.

COSA BISOGNA FARE?

1. Si prelevano 5ml di permanganato di potassio dalla buretta e si mettono in una della coppia di provette;

2. Nella seconda provetta della coppia si versano 5 ml di acido ossalico e poi 1ml di acido solforico (riportarli nello stesso ordine cronologico).

3. Si inserisce in una beuta un termometro e si versano 500 ml di H₂O e alcuni cubetti di ghiaccio (per far abbassare la temperatura) e si agita.

4. Si sovrappone  il tutto alla fiamma di un bunsen che aiuterà a far aumentare la temperatura di volta in volta.

5. Inserire la coppia di provette nel bunsen e muoverle, per migliorare il riscaldamento dell'acqua. Poi, in base al termometro, ogni 10°C(è una misura indicativa od orientativa, ciò sta a significare che anche se sono 9°C non c'è da preoccuparsi. Ma bisogna riportare in tabella il valore assegnato) togliere il tutto dal fornello.

6. In quel momento fare un doppio travaso; si mette la provetta con la sostanza nella beuta: si avvia il cronometro. Il cronometro è stoppato nel momento in cui la sostanza perde di colore.

7. Riportare il tutto in tabella e calcolarsi le velocità attraverso la formula dapprima riportata:

V=mlKMnO₄  

mlTOT . sec

CATALIZZATORE

Con questo altro fattore, determineremo la differenza di velocità tra le due coppie di reagenti, mettendo nella prima coppia il catalizzatore e lasciando la seconda coppia senza. Il catalizzatore ha velocizzato il processo di reazione di 87,34 secondi.

COSA BISOGNA FARE?

1. Preparare due provette con il permanganato di potassio(5ml), due becker con acido ossalico(5ml) e acido solforico(1ml).

2. SOLO in una coppia di reagenti bisogna mettere il catalizzatore.

3. Registrare il tempo con il cronometro con il versamento del permanganato della provetta nel becker. Fare lo stesso anche per la coppia senza catalizzatore.

4. Riportare i valori in tabella.

AGITAZIONE

L'ultimo fattore è simile al precedente; l'unica differenza è

che al posto di mettere il catalizzatore, sottoporre la coppia di reagenti ad oscillazioni (agitazione molecolare).

COSA BISOGNA FARE?

1. Preparare due provette con il permanganato di potassio(5ml), due becker con acido ossalico(5ml) e acido solforico(1ml).

2. Sottoporre, dopo aver versato il permanganato di potassio negli acidi, una coppia di reagenti ad agitazione. Avviare il cronometro nel momento del versamento. Registrare, come con il precedente fattore, il tempo impiegato a reagire dalla soluzione non sottoposta ad agitazione.

3. Riportare i valori in tabella.

NB: Potrebbe capitare che per esempio la quinta reazione impieghi meno tempo della quarta, ma è normale. Non per questo sono state fatte 6 prove.

DOMANDE:

1. Come varia la concentrazione dei reagenti quando si passa dal campione 1 al 2 e così via? Perché?

Al passaggio di concentrazione dei reagenti di ogni campione si nota che il tempo impiegato dalla reazione è maggiore. Questo sta a dire che meno sono concentrati i reagenti, più tardi avverrà la reazione. Questo è dovuto all'aumento di 5ml di H₂O ad ogni soluzione di ciascuna prova.

2. Calcola la velocità di reazione per ogni campione esprimendola come:

V=mlKMnO₄   (la risposta si trova nella tabella 1)

mlTOT . sec

3. Quali sono le conclusioni? (aiutati osservando anche il grafico)

[vedere la tabella1 con grafico]

4. Calcola  la velocità di reazione per ogni campione esprimendola come :

V=mlKMnO₄   (la risposta si trova nella tabella 2)

mlTOT . sec

Commenta i dati della tabella 2:

Al di là degli errori fatti durante la prova, si vede che il tempo di reazione diminuisce bruscamente, aumentando di volta in volta la velocità di reazione; tutto ciò è dovuto al fatto che con l'aumento della temperatura, c'è anche l'aumento della velocità di reazione.

5. Quali sono le conclusioni? (aiutati osservando anche il grafico)

[vedere la tabella2 con grafico]

6. In che modo ha agito il catalizzatore? E l'agitazione?

Si nota dai dati ottenuti, che se sottoposte a questi fattori, le reazioni avvengo in un tempo minore, e quindi con velocità maggiore. Catalizzatore e agitazione intervengono negli stadi intermedi.

7. Dalle fasi eseguite, traccia le condizioni ottimali per la reazione considerata.

8. Sai dare delle spiegazioni ai vari colori osservati nel corso di ogni prova?

Il tutto è dato dal fatto che stava avvenendo la reazione e quindi la soluzione subisce varie trasformazioni.

9. Bilancia la reazione:

2 KMnO₄ +5H₂C₂O₄+3H₂SO₄ 2MnSO₄+K₂SO₄+10CO₂+8H₂O

2 Mn + 5e^- Mn

5 C₂ - 2e^- 2C

2Mn + 10 e^- + 5C₂ - 10 e^- 2Mn + 10C

CONCENTRAZIONE

Dall'analisi del grafico notiamo che ci sono dei punti dove si nota benissimo che c'è un ampio margine di errore. Non per questo l'iperbole non è molto precisa. L'iperbole ha un andamento ideale.

Da questo capiamo che: all'aumentare dell'H₂O, e quindi, al diminuire della concentrazione, la velocità di reazione diminuisce; questo comporta l'impiego di maggiore tempo.

Sull'asse delle Y mettiamo la R* espressa in millilitri, mentre sull'asse delle X mettiamo il tempo in secondi.

R* = ml KMnO₄

mlTOT

TEMPERATURA

Anche da questo grafico, possiamo capire che gli errori commessi durante l'esperienza hanno influito in buona percentuale.

L'imprecisione si nota subito nei primi valori.

Da qui invece capiamo che: più la temperatura è alta, meno tempo impiegherà la reazione ad avvenire.

Sull'asse delle ordinate mettiamo la temperatura espressa in °Celsius, mentre sull'asse delle ascisse mettiamo il tempo espresso in secondi.

CATALIZZATORE

AGITAZIONE

SCHEMA:

PROPIPETTA:

Pigiando "A" e comprimendo la palla piena di aria, nella propipetta si creerà il vuoto. Premendo "B", possiamo far salire il liquido; se il liquido è in eccesso, basta schiacciare "C" che il liquido scende.