Relazione di laboratorio: fattori che influenzano la velocità di reazione

Relazione di laboratorio

“Fattori che influenzano la velocità di reazione”
Verificare sperimentalmente come al variare di determinati parametri, la velocità della reazione interessata ne risulta influenzata.

Reazione presa in osservazione

[2KMnO_4 + 5H_2 O_2 + 3H_2 SO_4] => K_2 SO_4 + 2MnSO_4 + 5O_2 + 8H_2 O

Materiali

Permanganato di potassio [KMnO_4] 0,2M
Perossido di idrogeno [H_2 O_2] 30%m*V^(-1)
Acido solforico [H_2 SO_4] 3M
Acqua demineralizzata H_2 O
Solfato manganoso MnSO_4 in polvere
Becher di capacità diverse ( 25ml, 100ml, 150ml)
Beute
Pipette
Spatola

Procedimento

Preparazione dei reagenti

A partire da una concentrazione di [H_2 O_2] 30%m*V^(-1), ottenere una concentrazione 0,06%m*V^(-1) andando a diluire la soluzione madre del 500%, ovvero aggiungendo per ogni parte di soluzione madre 499 parti di acqua demineralizzata.
Portare la soluzione madre [KMnO_4] 0,2M a una concentrazione 0,002M aggiungendo per ogni parte di soluzione madre 99 parti di acqua demineralizzata.

Fase 1

Porre in un becher 1,5ml di acqua ossigenata precedentemente diluita allo 0,06% m*V^(-1).
Aggiungere un dato volume d’acqua (variabile in ciascuna delle 4 reazioni osservate) secondo le quantità riportate nella tabella TAB1.
Aggiungere alla soluzione una goccia di acido solforico e agitare gentilmente il becher per miscelare tra loro i reagenti.
Aggiungere infime 2,5ml di permanganato di potassio 0,002M, misurando con un timer il tempo di decolorazione impiegato dalla soluzione a partire dall’istante in cui si inizia ad aggiungere l’ultimo reagente fino al completo viraggio del colore della stessa, che da violetta passa a trasparente.
NB: la soluzione costituita da permanganato di potassio ha generalmente un colore violaceo. Il fatto che diventi trasparente a contatto con gli altri reagenti evidenzia come la reazione avvenga effettivamente, in quanto il permanganato si degrada, scindendosi in ioni permanganato e potassio per creare nuovi legami che originano composti solubili e incolori.
Annotare i risultati trovati in tabella e ripetere il procedimento per le altre tre reazioni.

Fase 2

Considerare uno tra i 4 casi in cui la concentrazione dei reagenti abbia determinato un tempo né troppo lungo né troppo breve per il completamento della reazione.
Ripetere la reazione nella stessa modalità illustrata prima, utilizzando le stesse quantità di reagenti ma impiegando rispettivamente in un caso acqua bollente (100° circa) e in un caso acqua prossima al congelamento (0° circa).
Misurare sempre il tempo di decolorazione nella stessa modalità precedente annotando i risultati.

Fase 3

Continuare a considerare la reazione già scelta per effettuare la FASE 2, impiegando pertanto le stesse quantità di reagenti.
Miscelare precedentemente una punta di spatola di solfato manganoso nel becher già contenente acqua demineralizzata e acido solforico.
Aggiungere l’acqua ossigenata e agitare delicatamente il becher.
Aggiungere il permanganato di potassio e annotare il tempo di decolorazione misurato.

Risultati ottenuti

TAB1 relativa alla Fase 1
Soluzioni H_2 O_2 H_2 O H_2 O_2 3M 〖KMnO〗_4 Tempo
(0,06%m*V^(-1)) (0,002M) decolorazione

A 1,5 ml / 1 goccia 2,5 ml 6 s
B 1,5 ml 10 ml 1 goccia 2,5 ml 9,82 s
C 1,5 ml 30 ml 1 goccia 2,5 ml 23,96 s
D 1,5 ml 60 ml 1 goccia 2,5 ml 44,69 s

TAB2 relativa alla Fase 2 (soluzione c)
H_2 O_2 H_2 O Tempretatura H_2 O_2 3M 〖KMnO〗_4 Tempo
(0,06%m*V^(-1)) H_2 O (0,002M) decolorazione

1,5 ml 30ml 0° 1 goccia 2,5 ml 1 min. 21,84s
1,5 ml 30 ml Temp. ambiente 1 goccia 2,5 ml 23,96 s
1,5 ml 30 ml 100° 1 goccia 2,5 ml 7,25 s

TAB3 relativa alla Fase 3
Soluzioni H_2 O_2 H_2 O H_2 O_2 3M 〖KMnO〗_4 Tempo
(0,06%m*V^(-1)) (0,002M) decolorazione

C 1,5 ml 30 ml 1 goccia 2,5 ml 23,96 s
C + 〖MnSO〗_4 1,5 ml 30 ml 1 goccia 2,5 ml 0,20 s

Osservazioni

Fase 1

Osservando i risultati ottenuti è possibile constatare come, corrispondentemente alle attese, al diminuire delle concentrazioni dei reagenti, ovvero tanta più questi vengono diluiti dall’aggiunta di ulteriore acqua demineralizzata, la velocità di decolorazione della miscela di reazione cresce. Sappiamo infatti dalla legge cinetica v=k[reagenti]^n che velocità di reazione e concentrazione dei reagenti seguono un andamento proporzionale secondo l’ordine di reazione di ciascun reagente. Questo in quanto a parità degli altri parametri, più concentrata sarà la soluzione maggiore sarà la probabilità che un maggior numero di particelle dei reagenti collida tra loro efficacemente nell’unità di tempo.

Fase 2

Sempre secondo le aspettative, in questa fase si è potuto osservare come al variare della temperatura, la velocità di reazione diminuiva al suo aumentare e aumentava al suo diminuire. Nella legge cinetica infatti, la k rappresenta la costante cinetica, ovvero un parametro strettamente legato alla temperatura secondo la relazione k=Ae^((-Ea)/RT) , dove emerge chiaramente il rapporto di dipendenza tra le due. Incrementando k, si ha un aumento complessivo dell’energia cinetica media delle particelle, rendendo così più probabile una collisione efficace tra loro, ovvero tale per cui l’energia cinetica risultante dall’urto sia almeno pari all’energia di attivazione della reazione.

Fase 3

In questa fase dell’esperienza, sempre secondo le aspettative, è stato possibile verificare come un catalizzatore, in questo caso il solfato manganoso (tra l’altro un prodotto di reazione) vada ad alterare la velocità della reazione, senza prenderne però parte. Il risultato ottenuto è stato al di sopra delle aspettative, in quanto non appena la soluzione di permanganato entrava in contatto con la miscela costituita dagli altri reagenti, virava immediatamente, probabilmente grazie al fatto che il catalizzatore sia stato accuratamente disciolto.

Reazione presa in osservazione:
CaCO_3 + 2HCl => CaCl_2 + 2H_2 O + CO_2

Materiali

Frammento di carbonato di calcio CaCO_3
Polvere di carbonato di calcio CaCO_3
Acido cloridrico HCl
Becher

Procedimento

Pesare un frammento di marmo, inserirlo in un becher ed aggiungere un volume di acido cloridrico sufficiente affinchè la roccia carbonatica sia completamente immersa in esso.
Pesare in un altro becher un egual quantità di polvere di marmo ed aggiungere un analoga quantità a prima di acido cloridrico.
Aspettare e confrontare i due becher.

Osservazioni

Il carbonato era presente nelle due reazioni in parallelo secondo un diverso stato di suddivisione. Le particelle del marmo in polvere, disponendo di una maggiore superficie di contatto, tendono ad avere una maggiore probabilità di collidere con le particelle dell’altro reagente e pertanto impiegheranno un minor tempo che quello impiegato per degradare il frammento di marmo. Non disponendo di una concentrazione di HCl molto forte, per diminuire i tempi di reazione è stato aggiunto nei rispettivi becher dell’acido solforico 3M, anch’esso corrosivo per i carbonati, che è andato però a reagire secondo una reazione di doppio scambio con esso, portando alla formazione di un precipitato insolubile indistinguibile dalla polvere di marmo.

Conclusioni

Nel corso dell’esperienza è stato possibile andare a verificare sperimentalmente la stretta dipendenza che sussiste tra velocità di reazione e concentrazione dei reagenti (FASE 1), temperatura (FASE 2) ed infine presenza di catalizzatori (FASE 3) andando in ciascun caso ad confrontare i diversi risultati ottenuti modificando un solo parametro per volta. Un errore di procedura ha portato invece alla mancata osservazione della relazione che sussiste tra velocità di reazione e stato di suddivisione dei reagenti.