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Chimica

Unità didattiche

Studio della velocità di una reazione chimica

Sonia Formica e Salvatore Regalbuto - Liceo Statale Polivalente Quintiliano (Siracusa)

1. Le reazioni chimiche nel tempo.

Le velocità delle reazioni chimiche variano entro un campo molto ampio in termini di tempo; alcune si completano in un intervallo di tempo dell'ordine dei picosecondi, mentre altre impiegano intere ere geologiche. L'aspetto che accomuna fenomeni apparentemente diversi è che questi seguono, nel loro procedere, regole ben precise. L'individuazione dei passi intermedi, che caratterizzano una certa reazione, e che nel complesso sono chiamati appunto " meccanismo di reazione ", consente di comprendere e controllare la reazione globale.
E' determinante affrontare la cinetica chimica analizzando in parallelo i due aspetti che ne caratterizzano lo studio: da una parte ciò che è osservabile sperimentalmente, dall'altra, i concetti riguardanti i meccanismi di reazione a livello microscopico, che si basano sulla teoria delle collisioni.
Con gli ausili didattici tradizionali, però, l'aspetto sperimentale è generalmente limitato a semplici considerazioni di carattere qualitativo. Utilizzando strumentazione in grado di raccogliere dati in modo semplice, oggettivo e preciso, si può proporre una successiva elaborazione, al fine di verificare i principi teorici studiati.

2. Prerequisiti.

Stechiometria delle reazioni chimiche - reazioni redox;
Il concetto di mole;
Legge generale dei gas;
Le soluzioni: unità di concentrazione;
Rappresentazione grafica di dati sperimentali;
Modellizzazione (fit curve);
Gestione di datalogger e di software per l'acquisizione dati.

3. Obiettivi

Definire l'influenza della concentrazione dei reagenti sulla velocità di reazione;
Ricavare velocità media e velocità istantanea di una reazione da misure sperimentali;
Applicare metodi grafici per determinare la velocità e l'ordine di reazione.

4. Strumenti e materiali.

TI-83 plus con software DATAMATE
CBL2 TM
Sensore di Ossigeno gassoso Vernier
Sensore di temperatura Vernier
Barometro Vernier
Soluzione di perossido di idrogeno (H 2 O 2) al 3.5%
KI solido
Pipetta graduata con aspiratore manuale.

5. La reazione studiata.

 Viene osservata la decomposizione del perossido di idrogeno in presenza di ione ioduro come catalizzatore:

Dalla reazione si sviluppa, come si vede, ossigeno gassoso, che viene rilevato dal sensore Vernier, il quale restituisce il valore in concentrazione percentuale.

Dalla quantità di ossigeno prodotto si risale, applicando la legge generale dei gas e alcuni calcoli stechiometrici, alla quantità di perossido trasformato.

Infine, elaborando i dati utilizzando la TI-83 plus, si verificano alcuni aspetti quantitativi che riguardano la reazione.

6. Procedura.

N°	Passaggio operativo	Visualizzazione sul display della TI-83 plus
1.	Avviare DATAMATE e selezionare il sensore di ossigeno gassoso, con unità di misura percentuale (PCT). (Il sensore di temperatura e il barometro servono solo per rilevare le condizioni ambientali: collegarli, effettuare una lettura istantanea, poi disconnetterli dal sistema).
2.	Impostare la modalità di raccolta dati in TIME GRAPH, con intervallo tra i campionamenti di 1 secondo, per un numero totale di 240 misurazioni. La durata totale dell'esperimento quindi sarà di 4 minuti.
3.	Prelevare 5 mL di perossido di idrogeno e versarlo all'interno della bottiglia in dotazione al sensore. Inserire il sensore di ossigeno gassoso e attendere che la lettura si stabilizzi. Aprire, aggiungere 0.5 g di KI, e tappare rapidamente. Premere "2"( : START) per avviare la misurazione. Durante l'esecuzione, agitare con movimento rotatorio il contenitore, per omogeneizzare il sistema.
4.	Il grafico mostra la concentrazione percentuale di ossigeno in funzione del tempo: l'andamento è tipico di una funzione logaritmica, che tende asintoticamente ad un determinato valore.
5.	Salvare l'esperimento: dal menù di setup, selezionare SAVE/LOAD e digitare il nome che si vuole attribuire all'esperienza. In questo modo i dati e le impostazioni vengono conservati sulla memoria del CBL2, lasciando libera la RAM della calcolatrice.< Ogni volta che si richiama ( LOAD) l'esperimento, i dati vengono trasferiti, sotto forma di liste, in ambiente STAT, EDIT per la successiva elaborazione.
6.	Ripetere i passaggi 3-5 per aliquote di 2.5 e 1.25 mL.

7. Risultati.

Volume di Perossido prelevato (mL)
5	2.5	1.25

X: Tempo (s) - Y: O 2 (%)

8. Elaborazione.

Determinazione della quantità di H 2 O 2 corrispondente alla % di O 2 misurata.

a. Conversione della quantità percentuale di ossigeno prodotta dalla reazione in m moli.
Dall'equazione generale dei gas, si ottiene:

dove:

% O2
è la concentrazione percentuale di ossigeno. Per determinare la quantità iniziale si calcola la media dei valori misurati al tempo 0 nelle tre prove, che in questo caso risulta essere 20.7%. Questi dati sono memorizzati nella lista corrispondente al canale del sensore. Dividendo per 100 si ottiene la frazione molare;
758 è la pressione rilevata espressa in mmHg. Dividendo per 760 si converte l'unità di misura in atmosfere. Il prodotto: corrisponde alla pressione parziale dell'ossigeno.
0.3
è il volume del recipiente espresso in L;
0.08206
è la costante R dei gas, espressa in ;
292
è la temperatura rilevata (19 °C) espressa in °K;
1000
converte moli in mmoli;
0.12486
è allora il fattore moltiplicativo per trasformare la percentuale di O 2 rilevata dal sensore in mmoli.

b. Calcolare le mmoli di H 2 O 2 presenti nel volume prelevato:

dove:

3.5
è la concentrazione della soluzione di H 2 O 2, in percento in volume;
10
converte 3.5% v in g/L, considerando la densità di H 2 O 2 uguale a quella dell'acqua.
v
è il volume prelevato in mL. Dividendo per 1000 si esprime il volume in L;
1000
converte moli in millimoli;
34
è la massa molare di H 2 O 2 ;
1.029
è allora il fattore moltiplicativo per convertire il volume (mL) in mmoli.

c. Impostare per ogni rilievo, una lista di dati che esprima i numero di mmoli di H2O2 residui, corrispondenti alla percentuale di ossigeno misurata. Tenendo conto che il rapporto stechiometrico tra H2O2 e O2 è di 2:1, per ogni campione avremo: Così calcoli la quantità di perossido che non reagisce

dove:

L3
è la lista in cui si memorizzano i nuovi dati;
x
è la quantità iniziale di H 2 O 2, in mmoli;
2
è il fattore che tiene conto del rapporto stechiometrico;
L2
è la lista dei dati di %O 2 rilevati;
0.12486
è il fattore moltiplicativo per trasformare la percentuale in mmoli;
2.58
è la quantità iniziale di O 2 in mmoli, calcolata tenendo conto di un valore medio di 20.7%.
è il numero di mmoli di O 2 prodotti durante la reazione.

Nella calcolatrice, impostare l'espressione posizionando il cursore sull'intestazione della colonna L3:

Volume di Perossido prelevato (mL)
5	2.5	1.25

Visualizzazione sul display della TI-83 plus.

Rappresentare graficamente i plot corrispondenti alle tre prove.


Mmoli di perossido residuo in funzione del tempo.

Calcolo della velocità media in tre diversi intervalli di tempo ( prelievo di 2.5 mL).

Dal grafico precedentemente ottenuto, "cavalcando" la curva, determinare la velocità media calcolando il rapporto

Intervallo (s)
0-10 s	100-110	200-210


		(la velocità di trasformazione di un reagente non può essere positiva; si può approssimare a 0)

Calcolo della velocità istantanea a 10, 100 e 200 s (prelievo di 2.5 mL).

Effettuare una regressione di tipo esponenziale della quantità di H 2 O 2 residua in funzione del tempo, memorizzando l'equazione in Y1.

Tempo (s)
10	100	200

Rappresentare in grafico la funzione e impostare sulla TI-83 plus il calcolo della derivata nei tre punti. Il valore visualizzato rappresenta la velocità istantanea espressa in mmoli/s

Elaborazione grafica per determinare l'ordine di reazione

Creare una nuova lista (L4), calcolando il ln per ogni dato della lista L3 (mmoli H 2 O 2).
Effettuare una regressione lineare tra L1 ( tempo) ed L4 ( ln [mmoli H 2 O 2 ]), memorizzare in Y2 e rappresentare graficamen-te sia il plot che la funzione. Poiché l'andamento può considerarsi lineare, si conclude che la reazione è del 1° ordine.