ESERCITAZIONE: Velocità di Reazione

OGGETTO: Studio dei fattori che influenzano il decorso delle reazioni chimiche

REAZIONE CONSIDERATA (già bilanciata):

2 KMnO₄ + 5 H₂C₂O₄ + 3 H₂SO₄ –> 2 MnSO₄ + 1 K₂SO₄ + 10 CO₂ + 8 H₂O

STRUMENTI E APPARECCHI:

• 2 Burette
• Portaprovette con 12 provette
• Pipetta con Propipetta
• Cilindro Graduato
• 6 Becherini
• Becher con acqua
• Bunsen con sostegno e reticella spargifiamma
• Termometro
• Bacchettina di vetro
• Cronometro digitale
• Spruzzetta
• Permanganato di Potassio
• Acido Ossalico
• Acido Solforico concentrato
• Catalizzatore

RELAZIONE:

CONOSCENZE TEORICHE

La cinetica chimica è quel ramo della chimica fisica che studia la velocità con cui avviene una reazione chimica e tutti i fattori in grado di influenzarla. Il suo campo di studio si estende anche ai meccanismi implicati nella formazione dei prodotti finali.
La teoria delle collisioni o degli urti, spiega quantitativamente come avvengono le reazioni chimiche e perché le velocità di reazione variano da reazioni a reazioni.
La teoria dice che affinché una reazione chimica abbia luogo e i reagenti si trasformino nei prodotti, le molecole (o altre particelle reattive) dei reagenti devono collidere, devono farlo con un appropriato orientamento e devono farlo con una sufficiente energia.
Di tutte le collisioni che avvengono, solo una frazione risulterà quindi essere utile per provocare l’avanzamento della reazione chimica.

Affinché avvenga una reazione chimica è necessario che i reagenti possiedano un livello minimo di energia definita Energia di Attivazione. In queste condizioni, i legami originari che caratterizzano le molecole dei reagenti subiscono una divisione con formazione di nuovi legami che danno vita a un composto intermedio, caratterizzato da elevata energia potenziale e definito “complesso attivato”. Quindi, i nuovi deboli legami chimici appena formatisi subiscono un riarrangiamento definitivo formando i prodotti di reazione finali. L’importanza della cinetica è notevole, essendo essa alla base di ogni progettazione e ottimizzazione dei processi chimici produttivi, anche per gli aspetti inerenti alla loro sicurezza. In particolare di grande risalto è la messa a punto di specifici catalizzatori che si rivelano utili nell’aumentare la velocità di reazione abbassando l’energia di attivazione.

La reazione chimica è la trasformazione di una o più sostanze (dette “reagenti”) in una o più sostanze differenti (dette “prodotti”). La trasformazione della materia avviene senza variazioni di massa (come dice la legge di conservazione della massa di Lavoisier). La materia delle sostanze reagenti modifica la propria struttura e composizione originaria per generare i prodotti (sintesi).
In cinetica chimica, con velocità di reazione si intende il tasso di variazione nel tempo del grado di avanzamento di una reazione chimica, ovvero il tasso di variazione nel tempo delle concentrazioni delle specie chimiche coinvolte nella reazione.
La velocità di reazione è la rapidità con cui si realizza una trasformazione. E’ data dal rapporto tra la variazione della concentrazione molare dei reagenti e tra la variazione di tempo, tutto moltiplicato per -1. V= – [R]/ T.
La velocità della reazione dipende da vari fattori:

• Dalla natura dei reagenti;
• Dall’agitazione, e quindi la facilità degli urti tra le particelle;
• Dalla concentrazione dei reagenti;
• Dalla temperatura;
• Dalla presenza di eventuali catalizzatori.

DESCRIZIONE DELLA PROVA:

Sappiamo che lo scopo della prova è studiare i fattori che influenzano il decorso delle reazioni chimiche.

L’esperienza si divide normalmente in due lezioni di laboratorio: nella prima si preparano le soluzioni e si studia l’influenza della concentrazione, nella seconda si studia l’influenza delle temperatura, del catalizzatore e l’influenza dell’agitazione. Per mancanza di tempo, l’esperienza si divide in 3 lezioni, con le soluzioni già preparata.

Va ricordato inoltre che la durata della reazione va da quando le soluzioni entrano in contatto tra di loro, fino a quando la soluzione ottenuta non diventa totalmente incolore.

1° Lezione: INFLUENZA DELLA CONCENTRAZIONE

Gli strumenti utilizzati sono: spruzzetta con acqua distillata, sei becherini da 50 ml, porta provette con 12 provette, 2 burette da 25 o 50 ml, 1 pipetta da 5 0 10 ml con propipetta, cilindro da 25 ml, cronometro e una bacchettina di vetro. I reagenti utilizzati sono: Permanganato di Potassio KMnO₄ già sciolto in acqua; acido ossalico H₂CO₄ già sciolto in acqua; acido solforico concentrato per analisi e acqua distillata.

Inizialmente bisogna avvinare e azzerare le 2 burette per fare aderire le soluzioni ad esse: una con l’Acido Ossalico e l’altra con il permanganato di potassio se non si fa questo procedimento, le soluzioni risulteranno diluite. Una volta terminata questa procedura, si inseriscono le rispettive soluzioni nelle burette cercando di non inglobare al loro interno l’aria e portandole allo 0. Dopo aver azzerato le burette si prelevano 5 ml di KMnO₄ in ogni provetta per un totale di sei provette, nei sei becherini si versano 5 ml di H₂CO₄ e 1 ml di acido solforico prelevato con la pipetta e la relativa propipetta (bisogna fare molta attenzione perché l’acido solforico provoca una potente reazione esotermica che reca ustioni). Si aggiungono poi le relative quantità di acqua distillata e si agitano le varie soluzioni con una bacchettina di vetro.

Ora, bisogna versare velocemente nel becherino  il KMnO₄ mentre si fa avviare il cronometro (lo si fa avviare non appena le due soluzioni entrano in contatto), si agita brevemente con la bacchettina di vetro e si attende la decolorazione, una volta che la sostanza diventa totalmente incolore si ferma il cronometro, si legge il tempo e si riporta in tabella. Nello stesso modo si fa con le altre cinque soluzioni con diversa concentrazione. Si può notare che più la soluzione è diluita, più tempo ci impiega la reazione a svolgersi.

2° Lezione: INFLUENZA DELLA TEMPERATURA

Per questa esperienza occorre: un porta provette con 12 provette, pipetta da 5 o 10 ml con relativa propipetta, 2 burette da 50 ml , un becher da 600 ml con acqua, un treppiede con reticella spargifiamma, bunsen, cronometro ed un termometro (-10 a 110 div:1°C).

I reagenti utilizzati sono sempre il permanganato di potassio, l’acido ossalico e l’acido solforico.

Inizialmente bisogna sempre avvinare e azzerare le burette. Si prelevano 5 ml di KMnO₄ in ogni provetta per un totale di sei provette, nei sei becherini si versano 5 ml H₂CO₄ e 1 ml di acido solforico prelevati con la pipetta e la relativa propipetta. Agitare queste provette. Le sei coppie di reagenti preparate si fanno reagire una ad una. Ora, si riempie il becher da 600 ml a tre quarti con acqua potabile. Ora bisogna versare il contenuto di uno provetta nell’altra e viceversa molto velocemente, facendo partire contemporaneamente il cronometro e mettendo la provetta nell’acqua del becher a temperatura ambiente (come riportato in tabella) e si aspetta la decolorazione (ci vorrà un bel po’ di tempo). In modo analogo si procede con le altre coppie , variando opportunamente la sola T( temperatura) di 10 C° riscaldando l’acqua del becher sul bunsen. I dati ottenuti vengono riportati in tabella. Con questa prova si può notare come la temperatura influenzi molto sulla velocità di reazione, questo perché le molecole si spostano più rapidamente e ci sono più urti.

3° Lezione A: INFLUENZA DEL CATALIZZATORE

Il materiale utilizzato è: il catalizzatore ( si possono usare indifferentemente o il biossido di manganese o il cloruro di manganese oppure il solfato di manganese), gli stessi reagenti, 2 burette, 2 provette, 2 becherini, una pipetta munita di propipetta e una bacchettina di vetro.

Per prima cosa, dopo aver avvinato e azzerato le burette, bisogna prelevare 5 ml di KMnO₄ in due provette, 5 ml H₂CO₄ e un ml di acido solforico in due becherini, agitare con la bacchettina, aggiungere ad un solo becker pochi cristalli di catalizzatore, agitare solo inizialmente e far avvenire la reazione prendendo il tempo. Si può ben notare che nel primo becherino, la sostanza, grazie al catalizzatore, inizia a decolorarsi subito impiegando molto meno tempo del secondo becherino senza catalizzatore. Questo perché il catalizzatore abbassando l’energia di attivazione della reazione, favorisce la sua velocità.

3° Lezione B: INFLUENZA DELL’AGITAZIONE

Il materiale occorrente è lo stesso della terza parte, senza catalizzatore.

Per prima cosa, dopo l’avvinamento e l’azzeramento delle burette, in due provette bisogna prelevare 5 ml di KMnO₄, in due becherini 5 ml H₂CO₄ e un ml di acido solforico. Bisogna far avvenire la reazione versando nel becherino il KMnO₄ e, come le solite procedure, si prende il tempo. Nel secondo becherino bisogna far avvenire la reazione mischiando con la bacchettina di vetro velocemente anche per questo si prende il tempo e si riportano i dati di entrambi in tabella. Si può vedere che agitando il becherino la reazione avviene più velocemente. Questo perché per avvenire un legame, è necessario che gli atomi urtino fra loro, agitando, si favoriscono questi urti e si velocizza l’operazione di passaggio da reagenti a prodotti.

È stata una esperienza molto interessante e molto lunga e si può dire che abbiamo verificato tutti i fattori che influenzano il decorso di una reazione chimica anche se con alcuni piccoli errori dovuti forse ad una poca accuratezza nel prelevare le soluzioni dalle burette. Si può dire che per la reazione considerata, è più ottimale utilizzare il catalizzatore, perché la reazione avviene più velocemente e in un modo più sicuro rispetto all’aumento di temperatura.