Laboratorio: Fattori che influenzano la velocità di reazione

Giacomo Balla velocità in motocicletta 1913-1914

Giacomo Balla
velocità in motocicletta
1913-1914

Ci sono rezioni che avvengono velocemente altre che sembrerebbero avere tutte le carte in regola (termodinamicamente parlando) e invece sono talmente lente da farci dire che non  avvengono affatto.

energia acquaPrendiamo per esempio idrogeno e ossigeno. La reazione è termodinamicamente spontanea ( ΔG° 298 K =- 54 kjoule/mole) ma se i due gas vengono mescolati a temperatura ambiente, il sistema risulta inerte: non avviene cioè nessuna reazione.

Perchè?

La risposta è che, a temperatura ambiente, la reazione procede a velocità bassissima

Due molecole reagenti devono scontrarsi e riarrangiare i loro atomi per poter urto produttivo-5formare le molecole prodotto.

L’arrangiamento intermedio degli atomi può richiedere un’energia elevata; se è così la reazione è lenta perchè non tutte le molecole riusciranno a scontrarsi con energia sufficiente a garantire il riarrangiamento. Si urteranno insomma, ma  pochi saranno gli urti efficaci.

montagnaEsiste quindi un’ energia di collisione Ea, detta energia di attivazione, al disotto della quale le moecole rimbalzano senza reagire.  L’energia dei attivazione può essere rappresentata con l’analogia del macigno che deve superare la montagna. Non potrà farlo come indicato in figura se non oltrepasserà la doppia croce ( stato intermedio attivato) posta sul picco della montagna.

Le reazioni devono quindi superare una barriera energeticadecorso reazione

e il caso dell’acqua con cui avevo aperto il discorso potremmo vederlo cosìvelcitàacquaL’energia di attivazione venne studiata da ArrheniusArrhenius

equa arrhe1

Ma come definire la velocità di una reazione?

Questa grandezza  è sicuramente più famigliare quando applicata ad un altro contesto

macchina4tempo-4

formula velocità

 

veloxreazione

La velocità di una reazione chimica può essere definita in modo analogo.

In pratica è la variazione di concentrazione di un reagente o di un prodotto nell’unità di tempoSenza titolo-1formula

grafico

Nell’equazione  della velocità espressa rispetto alla concentrazione di A, reagente, compare il segno ” – “ perchè la tale concentrazione diminuisce nel tempo.

Tenendo conto della teoria degli urti  potremmo quindi trovarci di fronte a diversi andamenti della curva che esprime la velcità di reazione :

reazione veloce

reazione veloce

reazione lenta

reazione lenta

In che modo si può influire sulla velocità di reazione?

Abbiamo visto che la velocità di reazione dipende dal numero di urti efficaci

Agendo sulla

concentrazione, la temperatura, sulla superficie di contatto dei reagenti è possimile aumentre lil numero di collisioni e quindi il numero di urti efficaci mentre aggiungendo un catalizzatore si può modificare il valore stesso dell’energia di attivazione

L’esperienza fatta in laboratorio, che ora riassumerò,   vuole proprio evidenziare l’influenza di  tutti questi fattori.

FATTORI CHE INFLUISCONO SULLA VELOCITA’ DI REAZIONE

Scopo  Lo studio dei fattori che influenzano   la velocità di una reazione.

L’esperienza verrà suddivisa in quattro fasi durante le quali si analizzerà l’influenza sulla velocità della:

Natura dei reagenti, concentrazione, temperatura, suddivisione dei reagenti catalizzatore.

Fase A: la natura dei reagenti.

Uno dei fattori che influenza la velocità di reazione è sicuramente la natura dei reagenti! Nel corso della reazione infatti vengono rotti legami chimici per formarne dei nuovi. ci possiamo quindi aspettare che il tipo di legame presente nei reagenti e  la sua forza influenzi la velocità di reazione. Non solo, alcune molecole, come quelle dei composti ionici possono essere attaccate indifferentemente da ogni paree mentre i composti covalenti spesso mostrano orientazioni preferenziali.

In questo esperimento si metteranno a confronto due reazioni:

acido ossalico + permanganato di potassio  e acido solforico

solfato ferroso + permanganato di potassio e acido solforico

IMG_3807Materiali e reagenti  In figura: vetreria e reagenti della prima reazione

Procedimento In un beker da 100ml si versano 25ml di (COOH)2  0,25M e si aggiungono 10 ml di H2SO4 al 20%. Si versano poi 25 ml di KMnO4 0,05M e si fa partire il cronometro. e si segna il tempo di reazione.

Osservazione  La  soluzione è perfettamente incolore dopo quasi 5 minuti

Si passa poi alla reazione con  il solfato ferroso. In un beker da 100ml si versano 25 ml di IMG_3963FeSO4 0,25 M e 10 ml di H2SO4 al 20%. Si aggiunge KMnO4 0,025 e si fa partire il cronometro:

si prende nota del tempo  di fine reazione

Osservazione la reazione è immediata.

FASE B

Influenza della concentrazione.

La reazione è fra tiosolfato di sodio a diverse concentrazioni  e acido cloridrico

Na2S2O3 + 2HCl —–> S +SO2 + 2NaCl * H2O

Nel corso della reazione si forma zolfo che, rimanendo  in sospensione  opacizza la soluzione .

In un beker da 50ml  (posizionato all’incrocio delle piastrelle del banco ) si versano 25ml di Na2S2O3 0,25 M. Si aggiungono 3 ml di HCl 2M e si fa partire il cronometro. La reazione è conclusa quando non si vedono più le linee d’incrocio della piastrelle.

Il tempo è di circa 35 s.

Si procede poi allo stesso modo usando però tiosolfato più concentrato,  0,25M.

Il tempo è di circa 14 s

Osservazione: La reazione con il tiosolfato a concentrazione maggiore risulta notevolmente più veloce.

Molte molecole in un piccolo spazio aumentano il numero delle collisioni

Fase C

L’influenza della temperatura

L’esperienza è identica alle precedenti . Si utilizza  però tiosolfato 0,1M  scaldato a una temperatura di circa 45°C.

Osservazione La velocità di reazione risulterà molto minore di quella rilevata utilizzando il reagente 0,1M a temperatura ambiente.

Un’aumento di temperatura aumenta l’energia cinetica delle molecole favorendo le collisioni e gli urti efficaci. Ecco quindi che finalmente capiamo  perchè gli alimenti conservati in frigorifero si conservano per più tempo rispetto a quelli tenuti a temperatura ambiente.

Fase D

Superficie di contatto tra reagenti in fasi diverse

In questa reazione si utilizza un pezzetto di marmo,  polvere di marmo, acido cloridrico 6M.

Procedimento.Si pesa un pezzetto di marmo e si pone in un beker. si pesa una quantità di polvere di marmo pari al peso del pezzetto di marmo e si pone in un altro beker: si aggiungono 10 ml di HCl  a entrambi i beker e si fa partire il tempo.

Osservazione.La polvere di marmo si consuma in un tempo brevissimo rispetto al cubetto di marmo.

E questo è il video (bruttino)

Fase E

 Catalizzatore.

Agendo sui fattori visti finora la velocità  è aumentata, ma il cammino della reazione non è cambiato  e il macigno dell’esempio iniziale ha sempre dovuto arrivare fino catalizzatoreal culmine della montagna . Ora le cose cambiano.Si utilizzerà un catalizzatore e questa è una tavola1467sostanza che modifica il cammino della reazione, ne abbassa l’energia di attivazione e viene recuperato intatto alla fine della reazione!

La reazione presa in esame è quella di produzione di ossigeno gassoso da acqua ossigenata

2H2O2 ——> O2 + 2H2O

Questa decomposizione a temperatura ambiente è molto lenta e potremmo dire che non ha luogo, ma basta l’uso di un catalizzatore e la reaione avviene in modo veloce e così spettacolare da poter essere usata per effetti speciali. Vi ricordate la serie di telefilm Strega per amore in cui una ragazza- genio  usciva da una bottiglia tra nuvole di fumo? Bene probabilmente fu usato proprio questo trucco per creare qull’effetto speciale.

Ho provato a riprodurre l’esperimento nel laboratorio dell’Oriani per stupirvi nei prossimi giorni con effetti speciali. Vi dico subito che, come tutti i miei esperimenti, anche questo non è venuto per niente spettacolare.  E’ la prima prova: vedrò di perfezionarlo.

Materiale Una beuta, spatola, H2O2 , MnO2 come catalizzatore

Si forma ossigeno in gran quantità. Che sia proprio ossigeno quella nuvola bianca potremmo verificarlo raccogliendo il gas in un palloncino e mettendolo a contatto con un fiammifero appena spento; l’ossigeno riaccende la fiamma del fiammifero.

I risultati, deludenti, dell’esperimento sono in questo video.

Un effetto simile, si poteva ottenere anche utilizzando … un pezzetto di fegato. Infatti in questo organo è contenuto un enzima (catalizzatore biologico) la catalasi che decompone il perossido di idrogeno. D’altra parte H2O2 si trova nel nostro corpo e i suoi effetti sono reazione perossido di idrogenoassolutamente indesiderabili perchè produce radicali ossidrilici che sono stati messi in relazione con l’invecchiamento ed altre sventure.  Catalasi e un altro enzima, glutatione perossidasi, contribuiscono al controllo e all’eliminazione  di questo spiacevole  ospite.

Anche l’emoglobina è in grado di scomporre l’acqua ossigenata e di questo ve ne sarete resi conto nel disinfettare le ferite. Proprio sfruttando questa proprietà, reattivi a base di perossido d’idrogeno sono stati messi a punto per rilevare il sangue occulto nelle feci. Per rilevare tracce di sangue nelle “scene del crimine”,inoltre,  si sfrutta proprio questa reazione di H2O2, evidenziata dal famoso luminolo (ricordate CSI ?).

Per concludere il discorso sui catalizzatori usati nella reazione di decomposizione dell’acqua ossigenata, ho provato quel fantastico esperimento del dentrificio dell’elefante. Niente da fare; il risultato del mio esperimento non ha nulla a che vedere con le meraviglie che circolano in rete. Eppure gli ingredienti ci sono: H2O2, sapone liquido e come catalizzatore KI.  Risultato? Una catastrofe: guardate.

I catalizzatori hanno dato un impulso straordinario all’industria chimica; basta pensare ai processi di produzione dell’ammoniaca (processo Haber) e dell’acido nitrico,  impensabili senza l’uso di queste sostanze !

E anche nel nostro quotidiano c’è un catalizzatore che cerca di rendere meno devastante l’impatto dei nostri veicoli sull’ambiente. Mi riferisco alla marmitta catalitica.

reazioni azot1La combustione degli idrocarburi infatti produce CO2 e H2O ma in condizioni estreme di temperatura e pressione (come nei motori) produce anche:

composti organici volatil, ossido di carbonio CO, ossidi di azoto NOx.

Gli ossidi di azoto in particolare NO e NO2 possono reagire con l’ossigeno dell’aria O2 e contrasto1dare origine a ozono. Le reazioni di contrasto spontanee, sono però estremamente lente; ecco allora i catalizzatori platino e rodio che permettono la realizzazione di tali reazioni.

marmitta catalittica-2macchina3Senza titolo-4

Infine voglio ricordare l’importanza che ebbero i catalizzatori nella sintesi del polipropilene, sintesi che, cinquant’anni fa (1963),  fece vincere il Nobel ( unico per la chimica conquistato da un italiano) a Natta. Quella sintesi cambiò radicalmente, in bene e in male,  l’aspetto del nostro mondo perchè diede il via alla produzione della plastica “il materiale che Dio si era dimenticato di creare”.  Eccovi un interessante video su Natta e la sua scoperta.

E’ tutto. Ora vado a studiare un tipo di catalizzatore che velocizzi i tempi di consegna delle vostre relazioni. Se la scoperta mi riesce,  il Nobel è assicurato!

Bibliografia

Dickerson, Geis – Chimica,Materia e Universo – Zanichelli

J. Schwarcz – Il genio della bottiglia – Boringhieri 2010

Questo post partecipa al 27 Carnevale della Chimica  ospitato da Marco Capponi’s blog

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prof. di chimica
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2 risposte a Laboratorio: Fattori che influenzano la velocità di reazione

  1. Francesco Masia ha detto:

    A noi prof l’esperimento con il catalizzatore è venuto 🙂

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  2. trasloco ha detto:

    Ottimo articolo, ne far un punto di riferimento, chiss che quanto letto non possa aiutare anche me.

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