ΕΚΦΕ ΕΥΡΥΤΑΝΙΑΣ, Επιμέλεια Καγιάρας Νικόλαος Φυσικός Ταχύτητα χημικής αντίδρασης και παράγοντες που την επηρεάζουν Η ταχύτητα μιας αντίδρασης εξαρτάται από τον αριθμό των αποτελεσματικών συγκρούσεων μεταξύ των αντιδρώντων μορίων. Είναι προφανές ότι οι παράγοντες που επηρεάζουν τον αριθμό αυτών των συγκρούσεων, επηρεάζουν και την ταχύτητα της αντίδρασης. Οι παράγοντες αυτοί είναι οι εξής: 1. η συγκέντρωση των αντιδρώντων, 2. η πίεση, με την προϋπόθεση ότι ένα τουλάχιστον απ τα αντιδρώντα σώματα είναι αέριο, 3. η επιφάνεια επαφής των στερεών, 4. η θερμοκρασία, 5. οι ακτινοβολίες και 6. οι καταλύτες. Αύξηση της συγκέντρωσης συνεπάγεται αύξηση του αριθμού των αποτελεσματικών συγκρούσεων, δηλαδή αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. Η πίεση επηρεάζει την ταχύτητα της αντίδρασης, μόνο εφ όσον μεταξύ των αντιδρώντων υπάρχουν αέρια. Γενικά αύξηση της πίεσης με ελάττωση του όγκου του δοχείου, προκαλεί αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης, καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των αντιδρώντων (ίδιος αριθμός mol αερίου σε μικρότερο όγκο). Η αύξηση της επιφάνειας επαφής ενός στερεού προκαλεί αύξηση της ταχύτητας, καθώς μ αυτό τον τρόπο μεγαλώνει ο αριθμός των ενεργών συγκρούσεων των αντιδρώντων. Γι αυτό φροντίζουμε τα στερεά που συμμετέχουν σε αντιδράσεις να είναι σε λεπτό διαμερισμό, δηλαδή σε σκόνη. Η ταχύτητα μιας αντίδρασης γενικώς, αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σε πολλές περιπτώσεις μάλιστα, αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 ο C προκαλεί διπλασιασμό στην ταχύτητα της αντίδρασης. Αυτό συμβαίνει επειδή η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση της μέσης κινητικής ενέργειας των αντιδρώντων μορίων με συνέπεια να αυξάνει ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων. Ορισμένες χημικές αντιδράσεις επηρεάζονται από την επίδραση ακτινοβολιών. Οι ακτινοβολίες στις περιπτώσεις αυτές προκαλούν μοριακές μεταβολές στα αντιδρώντα, με αποτέλεσμα να αλλάζει ο μηχανισμός της αντίδράσης, οπότε αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης. Η ταχύτητα πολλών χημικών αντιδράσεων αυξάνεται με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων ορισμένων ουσιών, οι οποίες τελικά δεν αλλοιώνονται και ονομάζονται καταλύτες. Αυτό βέβαια δεν αποκλείει ότι ο καταλύτης παθαίνει κάποια χημική μεταβολή σε ένα στάδιο της αντίδρασης. Όμως, σε κάποιο άλλο βήμα της αντίδρασης ο καταλύτης ανακτάται. Ο καταλύτης δηλαδή επεμβαίνει στο μηχανισμό της αντίδρασης, χωρίς να καταναλώνεται, προσφέροντας ένα ευκολότερο δρόμο για την αντίδραση. Τα ένζυμα (ή βιοκαταλύτες) είναι ουσίες πολύπλοκης δομής που δρουν καταλυτικά σε βιοχημικές αντιδράσεις ( στους ζώντες οργανισμούς) 1
ΕΚΦΕ ΕΥΡΥΤΑΝΙΑΣ, Επιμέλεια Καγιάρας Νικόλαος Φυσικός Στην παρούσα πειραματική δραστηριότητα θα χρησιμοποιήσουμε την αντίδραση όξινου διαλύματος Na 2 SO 3 (το οποίο περιέχει και άμυλο) με διάλυμα KIO 3 («χημικό ρολόι») και η οποία περιγράφεται από την παρακάτω χημική εξίσωση: 2ΙO 3 (aq) + 5HSO 3 (aq) Ι 2(s) + 5SO 4 2 (aq) + 3H + (aq) + H 2 O (l) Η αντίδραση αυτή πραγματοποιείται σε δύο στάδια. Το πρώτο που είναι αργό: ΙO 3 (aq) + 3HSO 3 (aq) Ι (aq) + 3SO 4 2 (aq) + 3H + (aq) (1 o στάδιο αργό) και το δεύτερο που είναι ταχύτατο: ΙO 3 (aq) + 5 Ι (aq)+ 6 H + (aq) 3Ι 2(s) + 3H 2 O (l) (2 ο στάδιο γρήγορο) Αυτό συμβαίνει γιατί το δυναμικό αναγωγής του HSO 3 είναι μικρότερο από το δυναμικό αναγωγής του Ι, που σημαίνει ότι το HSO 3 είναι περισσότερο αναγωγικό και προηγείται η οξείδωσή του. Το δεύτερο στάδιο αρχίζει μόλις τελειώσει το πρώτο, δηλ μόλις εξαντληθεί το HSO 3 τότε τα Ι αντιδρούν με την περίσσεια των ΙO 3 προς σχηματισμό Ι 2. Συνεπώς η ταχύτητα της αντίδρασης θα καθορίζεται από το 1 ο αργό στάδιο Το Ι 2(s) που παράγεται αντιδρά με το άμυλο που υπάρχει στο διάλυμα, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται έντονο μπλειώδες χρώμα, ένδειξη ότι η αντίδραση έχει ολοκληρωθεί. 2
ΕΚΦΕ ΕΥΡΥΤΑΝΙΑΣ, Επιμέλεια Καγιάρας Νικόλαος Φυσικός Α) Εξάρτηση της ταχύτητας της αντίδρασης από τη συγκέντρωση. 1. Τρία ποτήρια ζέσεως των 100ml 2. Στατώ και 6 δοκιμαστικούς σωλήνες 3. Δύο ογκομετρικούς κυλίνδρους των 10 ml 4. Υδροβολέας 1. Διάλυμα ΚΙΟ 3 0,02Μ (1,07 gr ΚΙΟ 3 σε 250 ml νερού) 2. Όξινο διάλυμα Na 2 SO 3 0,04 Μ που περιέχει και 0,4% w/w άμυλο (1,26 gr Na 2 SO 3 και 1 gr άμυλο σε 250 ml νερού και οξίνιση με 20 ml διαλύματος HCl 1Μ) 1) Σε τρεις δοκιμαστικούς σωλήνες δημιουργούμε διαλύματα ΚΙΟ 3, με διάφορες συγκεντρώσεις, προσθέτοντας σε ποσότητες του διαλύματος 0,02Μ, συγκεκριμένες ποσότητες απιονισμένου νερού σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα: Όγκος διαλύματος ΚΙΟ 3 (ml) Όγκος H 2 O (ml) 1 ος δοκ. σωλήνας Α1 10 0 2 ος δοκ. σωλήνας Α2 5 5 3 ος δοκ. σωλήνας Α3 2,5 7,5 Τελικά σε καθένα από τους τρεις δοκιμαστικούς σωλήνες θα περιέχονται 10 ml διαλύματος ΚΙΟ 3 με συγκεντρώσεις 0,02Μ, 0,01Μ και 0,005Μ αντίστοιχα. 2) Ομοίως σε τρεις άλλους δοκιμαστικούς σωλήνες δημιουργούμε διαλύματα Na 2 SO 3 αμύλου, με διάφορες συγκεντρώσεις, προσθέτοντας σε ποσότητες του διαλύματος 0,04Μ, συγκεκριμένες ποσότητες απιονισμένου νερού σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα: Όγκος διαλύματος Na 2 SO 3 (ml) Όγκος H 2 O (ml) 1 ος δοκ. σωλήνας Β1 10 0 2 ος δοκ. σωλήνας Β2 5 5 3 ος δοκ. σωλήνας Β3 2,5 7,5 Τελικά σε καθένα από τους τρεις δοκιμαστικούς σωλήνες θα περιέχονται 10 ml διαλύματος Na 2 SO 3 με συγκεντρώσεις 0,04Μ, 0,02Μ και 0,01Μ αντίστοιχα. 3) Δημιουργούμε τρία ζευγάρια δοκιμαστικών σωλήνων (Α1,Β1), (Α2,Β2) και (Α3,Β3). Στο κάθε ζευγάρι ο ένας δοκ. σωλήνας περιέχει δ/μα ΚΙΟ 3 και ο άλλος όξινο δ/μα Na 2 SO 3 αμύλου με μειούμενες συγκεντρώσεις. 4) Αδειάζουμε ταυτόχρονα το περιεχόμενο κάθε ζεύγους δοκιμαστικών σωλήνων σε ένα ποτήρι ζέσεως (αναδεύοντας) και αμέσως αρχίζουμε την καταμέτρηση του χρόνου μέχρι να εμφανιστεί το ιώδες χρώμα που οφείλεται στην επίδραση του ιωδίου στο άμυλο. 5) Τι συμπέρασμα βγάζετε, με βάση τις παρατηρήσεις σας, για την εξάρτηση της ταχύτητας μιας αντίδρασης από την συγκέντρωση; 3
ΕΚΦΕ ΕΥΡΥΤΑΝΙΑΣ, Επιμέλεια Καγιάρας Νικόλαος Φυσικός Β) Εξάρτηση της ταχύτητας της αντίδρασης από τη θερμοκρασία. Θα χρησιμοποιήσουμε όπως και παραπάνω την αντίδραση όξινου διαλύματος Na 2 SO 3 (το οποίο περιέχει και άμυλο) με διάλυμα KIO 3. 1. Δύο ποτήρια ζέσεως των 100ml 2. Στατώ και 4 δοκιμαστικούς σωλήνες 3. Δύο ογκομετρικούς κυλίνδρους των 10 ml 4. Ένα ποτήρι ζέσεως των 250 ml 5. Υδροβολέας 6. Λύχνος υγραερίου, αναπτήρας 7. Δύο ξύλινες λαβίδες 1. Διάλυμα ΚΙΟ 3 0,02Μ 2. Όξινο διάλυμα Na 2 SO 3 0,04 Μ που περιέχει και 0,4% w/w άμυλο 1) Σε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες δημιουργούμε δύο διαλύματα ΚΙΟ 3 0,01Μ προσθέτοντας 5 ml διαλύματος ΚΙΟ 3 0,02Μ και 5 ml νερού στον κάθε ένα. 2) Σε δυο άλλους δοκιμαστικούς σωλήνες δημιουργούμε δύο διαλύματα Na 2 SO 3 0,02Μ προσθέτοντας 5 ml διαλύματος Na 2 SO 3 0,04Μ και 5 ml νερού στον κάθε ένα 3) Δημιουργούμε δύο ζευγάρια δοκιμαστικών σωλήνων, στο κάθε ζευγάρι ο ένας δοκ. σωλήνας περιέχει το δ/μα ΚΙΟ 3 και ο άλλος το όξινο δ/μα Na 2 SO 3 αμύλου. 4) Θερμαίνουμε το ένα ζευγάρι τοποθετώντας το είτε σε θερμό υδατόλουτρο είτε φέρνοντάς τους δοκιμαστικούς σωλήνες πάνω από τη φλόγα του λύχνου (αναδεύοντάς τους συνεχώς με προσοχή). Το περιεχόμενο του άλλου ζευγαριού παραμένει σε θερμοκρασία δωματίου. 5) Αδειάζουμε ταυτόχρονα το περιεχόμενο των δοκιμαστικών σωλήνων κάθε ζευγαριού σε ένα ποτήρι ζέσεως, αναδεύοντας, και αμέσως αρχίζουμε την καταμέτρηση του χρόνου μέχρι να εμφανιστεί το ιώδες χρώμα. 6) Τι συμπέρασμα βγάζετε, με βάση τις παρατηρήσεις σας, για την εξάρτηση της ταχύτητας μιας αντίδρασης από την θερμοκρασία; 4
ΕΚΦΕ ΕΥΡΥΤΑΝΙΑΣ, Επιμέλεια Καγιάρας Νικόλαος Φυσικός Γ) Εξάρτηση της ταχύτητας της αντίδρασης από τους καταλύτες. Θα μελετήσουμε την αντίδραση διάσπασης του υπεροξειδίου του υδρογόνου χωρίς και με παρουσία καταλύτη MnO 2 (ετερογενής κατάλυση): 1. Δύο δοκιμαστικούς σωλήνες 1. Διάλυμα οξυζενέ H 2 O 2 (3% v/v) 2. Στερεό MnO 2 2H 2 O 2 (aq) 2H 2 O (l) + O 2(g) 1) Σε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες ρίχνουμε 34 ml διαλύματος H 2 O 2 (οξυζενέ). 2) Στον ένα από τους δύο δοκιμαστικούς σωλήνες ρίχνουμε μια μικρή ποσότητα (~0,1 gr) MnO 2 Παρατηρήστε τον αφρισμό του διαλύματος H 2 O 2 (οξυζενέ) στους δύο δοκιμαστικούς σωλήνες. Καταγράψτε και δώστε μια εξήγηση των παρατηρήσεών σας: 5
ΕΚΦΕ ΕΥΡΥΤΑΝΙΑΣ, Επιμέλεια Καγιάρας Νικόλαος Φυσικός Εναλλακτικό πείραμα: η «οδοντόκρεμα του ελέφαντα» Θα μελετήσουμε ξανά την καταλυτική διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου αλλά τώρα παρουσία του καταλύτη KI (ετερογενής κατάλυση): 2H 2 O 2 (aq) 2H 2 O (l) + O 2(g) Η διάσπαση του H 2 O 2 προς οξυγόνο και νερό είναι μια πολύ αργή αντίδραση που με την βοήθεια ενός καταλύτη (εδώ του ΚΙ) μπορεί να επιταχυνθεί δίνοντας ένα φαντασμαγορικό αποτέλεσμα! 1. Ογκομετρικός κύλινδρος των 250 ml 1. Διάλυμα H 2 O 2 (30 ή 50% v/v) 2. Ιωδιούχο κάλιο ΚΙ 3. Υγρό κρεμοσάπουνο 4. Χρώμα, μελάνι ή χρωστική τροφίμων (χρώμα ζαχαροπλαστικής) 1) Ρίχνουμε στον ογκομετρικό κύλινδρο 30ml διαλύματος H 2 O 2, μια κουταλιά της «σούπας» υγρού κρεμοσάπουνου και περίπου 10 σταγόνες χρωστικής τροφίμων. 2) Τέλος προσθέτουμε μια μικρή ποσότητα στερεού KI (ή 30ml διαλύματος KI). Το παραγόμενο, από την καταλυτική διάσπαση του H 2 O 2, οξυγόνο εγκλωβίζεται σε φυσαλίδες, φτιάχνοντας έτσι έναν εντυπωσιακό παχύρρευστο αφρό (την οδοντόκρεμα του ελέφαντα) που εκτοξεύεται από τον ογκομετρικό κύλινδρο! Εναλλακτικά για την εκτέλεση του πειράματος (το οποίο όμως τότε θα είναι λιγότερο εντυπωσιακό) μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μαγιά μπύρας (σε ζεστό νερό) ή ένα κομμάτι συκωτιού, τα οποία αμφότερα περιέχουν το ένζυμο καταλάση (το ίδιο το ένζυμο βρίσκεται και στο αίμα μας) το οποίο δρα ως καταλύτης στην παραπάνω αντίδραση. Βίντεο του πειράματος: https://www.youtube.com/watch?v=8exupgxcue&feature=youtu.be 6