«Ρολόι» ιωδίου, ένα χημικό ρολόι. Η αντίδραση χρησιμοποιείται για περισσότερα από 100 χρόνια σε πολλές παραλλαγές. Προτείνεται και από τον εργαστηριακό οδηγό της Β λυκείου θετικής κατεύθυνσης για τη μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης και της θερμοκρασίας στην ταχύτητα της αντίδρασης.
Εξέλιξη του φαινομένου σύμφωνα με το σχολικό οδηγό Πραγματοποιούνται σε υδατικά διαλύματα οι παρακάτω αντιδράσεις χωρίς να μπορούμε οπτικά να το αντιληφθούμε. IO 3 + 3HSO 3 I + 3SO 4 + 3H + IO 3 + 5I + 6H + 3I 2 + 3H 2 O Στο δοχείο αντίδρασης έχει προστεθεί δείκτης (άμυλο) που αντιδρά με το ιώδιο που ελευθερώνεται και δίνει σύμπλοκο ιωδίου αμύλου με χαρακτηριστικό μπλε χρώμα.
Σε κάποια χρονική στιγμή το άχρωμο διάλυμα γίνεται σκούρο μπλε. Μεταβάλλοντας τη συγκέντρωση των IO 3 αλλάζει και ο χρόνος εμφάνισης του μπλε χρώματος.
Προβλήματα της μεθόδου Χρησιμοποιείται όξινο διάλυμα Na 2 SO 3. Το διάλυμα περιέχει εξ αρχής άμυλο. Δεν αναφέρεται στον οδηγό τι οξύ και σε τι συγκέντρωση χρησιμοποιείται για την οξίνιση. Το διάλυμα εμφανίζει προβλήματα σταθερότητας τα οποία έχουν επισημανθεί κατά καιρούς από διάφορους μελετητές και έχουν προταθεί διάφορες λύσεις.
Η δική μας πρόταση Διάλυμα Α: μεταδιθειώδες κάλιο Κ 2 S 2 O 5 0,003M υπάρχει στα καταστήματα γεωργικών εφοδίων, οινολογικά εργαστήρια κλπ. Διάλυμα Β. KIO 3 0,02 Μ. Διάλυμα αμύλου (Γ) περιεκτικότητας 0,8%w/v w/v.
Επισημάνσεις Το διάλυμα Α οξινίζεται με Η 2 SO 4 και χρησιμοποιείται αλκοόλη για τη σταθεροποίησή του. Το διάλυμα αμύλου μπορεί να διατηρηθεί για αρκετό καιρό στο ψυγείο. Στο ψυγείο θα μετατραπεί σε πυκνόρευστο θολό υγρό.
Κάθε φορά που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί, μέρος αυτού πρέπει να θερμαίνεται μέχρι βρασμού (μπορεί να αραιωθεί και με μικρή ποσότητα απιοντισμένου νερού) και να ψύχεται. Η ψύξη είναι απαραίτητη, όχι μόνο επειδή η θερμοκρασία επηρεάζει την ταχύτητα της αντίδρασης αλλά επιπλέον το σύμπλοκο δεν σχηματίζεται σε θερμοκρασία πάνω από 40 ο C.
Μηχανισμός αντίδρασης O ηλεκτρονιακός τύπος του μεταδιθειώδους δισθενούς ανιόντος είναι ο ακόλουθος: O 2 S S O O O O Το μεταδιθειώδες κάλιο μέσα στο υδατικό διάλυμα βρίσκεται με τη μορφή που περιγράφεται από την αντίδραση: K 2 S 2 O 5 + H 2 O 2 KHSO 3
Η αντίδραση μπορεί να περιγραφεί συνοπτικά με τον εξής μηχανισμό: Στάδιο 1: 3HSO 3 + IO 3 3 HSO 4 + I Αυτό είναι αργό στάδιο που καθορίζει (μαζί με το στάδιο 2) την ταχύτητα της αντίδρασης. Στάδιο 2: 5 Ι + ΙΟ 3 + 6 Η 3 Ο + 3 Ι 2 + 9 Η 2 Ο Η περίσσεια των IO 3 θα οξειδώσει τα Ι σε Ι 2. Αυτό είναι επίσης ένα αργό στάδιο που επηρεάζει την ταχύτητα της αντίδρασης. Στάδιο 3: Ι 2 + ΗSΟΗ 3 + 3 Η 2 Ο 2 Ι + ΗSΟΗ 4 + 2 Η 3 Ο + Το ιώδιο ανάγεται αμέσως σε ιωδιούχα από το HSO 3 οπότε μόνο όταν καταναλωθεί πλήρως αυτό, θα πάρουμε το σκούρο μπλε χρώμα του συμπλόκου αμύλουιωδίου. Το χρώμα είναι ορατό, όταν η συγκέντρωση του Ιωδίου (I( 2, iodine) ) είναι πάνω από 10 5 mol/l
3 ΗSΟ 3 + 9 H 2 O 3 ΗSΟ 4 + 6 H 3 O + + 6e IO 3 + 6 H 3 O + + 6e I + 9 H 2 O 3 HSO 3 + IO 3 3 HSO 4 + I (1) 10 I 5 I 2 + 10e 2 IO 3 + 12 H 3 O + + 10e I 2 + 18 H 2 O 6 I 2 + 6 I 6 Ι 3 16 Ι + 2 ΙΟ 3 + 12 Η 3 Ο + 6 Ι 3 + 18 Η 2 Ο ή 8 Ι + ΙΟ 3 + 6 Η 3 Ο + 3 Ι 3 + 9 Η 2 Ο (2)
Το Ι 3 που ελευθερώνεται, «ακαριαία» μετατρέπεται από τα HSO 3 σε Ι Ι 3 + 2e 3 I HSO 3 + 3 Η 2 Ο HSO 4 + 2 H 3 O + + 2e Ι 3 + ΗSΟ 3 + 3 Η 2 Ο 3 Ι + ΗSΟ 4 + 2 Η 3 Ο + (3) Αυτή είναι μια «ακαριαία» αντίδραση. Το μπλε χρώμα του συμπλόκου εμφανίζεται μετά την ολική κατανάλωση του HSO 3 γιατί δεν μπορεί η αναγωγή του Ι 2 να γίνει περαιτέρω. Ι 3 + άμυλο μπλε σύμπλοκο (ταχεία αντίδραση)
Εκτέλεση άσκησης Ενδεικτικές ποσότητες των αντιδραστηρίων. Διάλυμα Α (ml) Διάλυμα Γ (ml) Διάλυμα Β (ml) 10 1 10 0 10 1 7,5 2,5 10 1 5,9 5,0 10 1 2,5 7,5 Απιοντισμένο νερό( ml) Χρόνος για εμφάνιση χρώματος (s)
Πλεονεκτήματα μεθόδου Συμπεράσματα Η άσκηση παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον για τους μαθητές. Η ξαφνική εμφάνιση του σκούρου μπλε χρώματος μέσα σε ένα άχρωμο διάλυμα είναι εντυπωσιακή. Καταδεικνύει παραστατικά την εξάρτηση της ταχύτητας μιας αντίδρασης από τη συγκέντρωση των αντιδρώντων ουσιών.
Η προτεινόμενη μέθοδος πιστεύουμε πως διευκολύνει τον διδάσκοντα, επειδή τα διαλύματα μπορούν να παρασκευασθούν εκ των προτέρων με σχετικά απλά υλικά και να αποθηκευθούν για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα (τουλάχιστον 34 μηνών). Δίνονται συγκεκριμένες οδηγίες για την οξίνιση του αναγωγικού διαλύματος (γεγονός που απουσιάζει από την πρόταση του εργαστηριακού οδηγού). Σημειώνεται ότι η οξίνιση παίζει μεγάλο ρόλο στη σταθερότητα του διαλύματος.
Πιστεύουμε πως η πλήρης κινητική ερμηνεία δεν αντιστοιχεί στο γνωστικό επίπεδο των μαθητών της Β Λυκείου, βοηθάει όμως τους διδάσκοντες για την πληρέστερη κατανόηση του φαινομένου.
ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ