De 'oscillerende klok' Sarah van Mierloo en Annelies vandendriessche

Transcriptie

1 De 'oscillerende klok' Sarah van Mierloo en Annelies vandendriessche Academische Lerarenopleiding Chemie, K.U.Leuven, Celestijnenlaan 200 G - Bus 2104, B-3001 Leuven Heverlee I. Leerplandoelstellingen De leerlingen kunnen in een gegeven redoxevenwichtsreactie de oxidator en reductor herkennen op basis van de elektronenoverdracht. (leerplan derde graad ASO D/2004/0279/040) Deze proef dient als illustratie bij het uitvoeren van oefeningen in verband met redoxreacties. II. Benodigdheden - Oplossing A: kaliumjodaat (KIO 3 ), gedestilleerd water, zwavelzuur (H 2 SO 4 ) - Oplossing B: malonzuur (HOOCCH 2 COOH), mangaansulfaat.monohydraat (MnSO 4.H 2 O), gedestilleerd water, zetmeel - Oplossing C: waterstofperoxide (H 2 O 2 ) en gedestilleerd water - 4 bekers van 1 L - roerplaat - magnetische roerders III. Veiligheidsvoorzieningen Zwavelzuur 96% R 35: Veroorzaakt ernstige brandwonden S 26: Bij aanraking met de ogen onmiddellijk met overvloedig water afspoelen en deskundig medisch advies inwinnen S 30: Nooit water op deze stof gieten S 45: In geval van ongeval of indien men zich onwel voelt, onmiddellijk een arts raadplegen, indien mogelijk hem dit etiket tonen Zwavelzuur is corrosief. Bij huidcontact overvloedig spoelen met water. KIO 3 R 8: Bevordert de ontbranding van brandbare stoffen S 17: Verwijderd houden van brandbare stoffen Malonzuur R 22: Schadelijk bij opname door de mond S 36/37/38: Irriterend voor de ogen- ademhalingswegen- huid S 22: Stof niet inademen S 28: Na aanraking met de huid onmiddellijk wassen met... (aan te geven door de fabrikant) Mangaansulfaat.monohydraat R 20/21: Schadelijk bij inademing- aanraking met de huid Waterstofperoxide R 34: Veroorzaakt brandwonden S 28: Na aanraking met de huid onmiddellijk wassen met... (aan te geven door de fabrikant) S 39: Een beschermingsmiddel voor de ogen- voor het gezicht dragen

2 Draag tijdens het experiment een veiligheidsbril. Draag handschoenen bij het manipuleren van corrosieve en irriterende stoffen. Zwavelzuur en malonzuur zijn irriterend. Dijood, dat tijdens de reactie wordt gevormd, is irriterend voor ogen, huid en muceuse membranen. Draag dus zeker een bril en veiligheidshandschoenen en werk in een goed geventileerde kamer. Verwijderen van afval Zuurresten worden uitgegoten in de bus van de zuren (witte kleurcode). Overige verbindingen verwijderen in het afvalvat voor anorganische verbindingen. Neutraliseer het gevormde dijood door het te reduceren tot jodide. Hiertoe wordt ongeveer 10 ml natriumthiosulfaat aan het mengsel toegevoegd. Roer tot het mengsel kleurloos wordt. Let op: de reactie tussen dijood en natriumthiosulfaat is exotherm waardoor het geheel dus warm kan worden. De afgekoelde, geneutraliseerde afval wordt in het vat voor anorganisch afval gebracht. IV. Werkwijze Oplossing A Meng 43 g kaliumjodaat (KIO 3 ) met ongeveer 800 ml gedestilleerd water. Voeg hierbij 4,5 ml zwavelzuur (H 2 SO 4 ) en roer tot het kaliumjodaat volledig is opgelost. Verdun de oplossing tot 1 L. Oplossing B Meng 15,6 g malonzuur en 3,4 g mangaansulfaat.monohydraat met ongeveer 800 ml water. Voeg hierbij 4 g zetmeel. Roer tot alles is opgelost en verdun tot 1 L. Oplossing C Verdun 400 ml 30% waterstofperoxide tot 1 L. De bereide oplossingen A, B en C 1. Breng een roervlo in de beker van 1 L. 2. Breng 100 ml oplossing A en 100 ml oplossing B in de beker. 3. Zet de roerplaat aan en roer krachtig. 4. Voeg 100 ml van oplossing C toe aan de beker. Let er op dat oplossing C pas wordt toegevoegd nadat oplossing A + B krachtig is geroerd; zoniet, dan zal de oscillerende klok niet werken! 2

3 V. Waarnemingen Oplossingen A, B en C zijn allemaal kleurloze oplossingen. Bij het toevoegen van de kleurloze oplossing C aan het kleurloze mengsel van A + B wordt de oplossing oranje (amber) kleurig. Opeens slaat de kleur om naar paars-blauw. Vervolgens wordt dit geheel terug kleurloos en herhaalt de cyclus zich verschillende keren binnen een periode die aanvankelijk 15 seconden duurt maar stelselmatig langer wordt. Uiteindelijk blijft de oplossing blauw. 3

4 VI. Verklaring Bijkomende informatie over de reactie is bedoeld als achtergrondinformatie voor de leraar. De Briggs-Rauscher reactie IO H 2 O 2 + CH 2 (CO 2 H) 2 + H + ICH(CO 2 H) O H 2 O Deze reactie komt neer op een samenstelling van twee andere reacties (A en B) (A) IO H 2 O 2 + H + HIO + 2 O H 2 O (B) HIO + CH 2 (CO 2 H) 2 ICH(CO 2 H) 2 + H 2 O 4

5 Reactie A kan plaatsvinden via twee verschillende processen (1 en 2), nl. een radicalair en een niet-radicalair proces. Het radicalair proces (1) zal plaatsvinden wanneer de [I - ] laag is en het niet-radicalaire proces (2) zal optreden wanneer de [I - ] hoog is. (cfr. schema 1) Reactie B bestaat uit twee deelreacties: I - + HIO + H + I 2 + H 2 O I 2 + CH 2 (CO 2 H) 2 ICH 2 (CO 2 H) 2 + H + + I - Tijdens het radicalair proces wordt HIO snel gevormd. Bovendien wordt het sneller gevormd dan het kan wegreageren. Dit maakt dat, volgens deelreactie 1 van B, veel [I - ] over blijft. Deze I - kan geoxideerd worden tot I 2 wat zorgt voor de amberkleur. De overige HIO wordt gereduceerd door H 2 O 2 tot I -. Deze stijgende I - concentratie zal vervolgens een punt bereiken waarop het nietradicaal proces overneemt. Dit proces produceert nu niet zo snel HIO als in het radicalair proces waardoor de amberkleur begint te verdwijnen als I 2 sneller wordt verbruikt dan gevormd. De diepblauwe kleur is afkomstig van de binding van I - en I 2 met zetmeel. Uiteindelijk zal de I - concentratie zo laag zijn zodat het radicaal proces terug overneemt en de cyclus herbegint. Een overzicht is weergegeven in schema 1. Reactie A Proces 1 Proces 2 Gunstig bij lage [I - ] Gunstig bij hoge [I - ] Reactie B HIO wordt trager verbruikt HIO wordt sneller verbruikt dan gevormd in proces 1 dan gevormd in proces1 [HIO] [HIO] Wanneer [HIO] > [I - ] Wanneer [HIO < [I - ] I- I 2 (amber) I- + I 2 + zetmeel en blauw complex HIO I - [I - ] daalt [I - ] wordt groot [I - ] wordt klein Schema 1: Overzicht van de Briggs-Rauscher reactie VII. Situering in de leerstof Als opdracht voor de leerlingen kan gevraagd worden om in de belangrijkste redoxreacties van deze demonstratieproef, per atoomsoort het oxidatiegetal aan te duiden. Zo ook de oxidator en reductor te vermelden waar mogelijk. (A) IO H 2 O 2 + H + HIO + 2 O H 2 O 5

6 reductie +V +I -I +I 0 +I -II - IO H 2 O 2 + H + HOI + 2 O H 2 O oxidatie IO 3 - : oxidator H 2 O 2 : oxidator H 2 O 2 : reductor reductie (B) HIO + CH 2 (CO 2 H) 2 ICH(CO 2 H) 2 + H 2 O +I + II +V +I HOI + CH 2 (CO 2 H) 2 ICH(CO 2 H) 2 + H 2 O oxidatie reductie HIO: reductor CH 2 (CO 2 H) 2 : oxidator De amberkleur is afkomstig van de vorming van dijood uitgaande van jodide-ionen. -I 0 2 I - - 2e - I 2 oxidatie De diepblauwe kleur is afkomstig van de binding van I - en I 2 met zetmeel. I - + I 2 + zetmeel diepblauwe kleur 6