Katalyse redox koperionen. 1. Onderzoeken Onderzoeksvraag: Hoe katalyseren koperionen de reactie tussen Fe 3+ en thiosulfaatoplosing? Hypothese: - De oplossing gaat blauw worden. - De oplossing begint te bruisen. - Er vormen zich volkjes in de oplossing. 2. Voorbereiden a. Materiaal: - water (H 2 O) - reageerbuizen - druppelpipet - IJzernitraat (Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O) : 0.05 M IJzernitraat oplossing - Natriumthiosulfaat (Na 2 S 2 O 3.5H 2 O) : 0.1 M thiosulfaat oplossing - Kopersulfaat (CuSO 4.5H 2 O) : 5% kopersulfaat oplossing b. Stoffen: - IJzernitraat (Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O) H-zinnen: H272-315-319: Kan brand bevorderen; oxiderend. Veroorzaakt huidirritatie. Veroorzaakt ernstige oogirritatie. P-zinnen: P302+352-305+351+338: Bij contact met de huis: met veel water en zeep wassen. Bij contact met de ogen: voorzichtig afspoelen met water gedurende een aantal minuten. Indien mogelijk, contactlenzen verwijderen en blijven spoelen. IJzer(III)nitraat (0 aq) H EUH210 CAS 10421- - Natriumthiosulfaat (Na 2 S 2 O 3.5H 2 O) H-zinnen: / P-zinnen: / Natriumthiosulfaat (5 aq) Na2O3S2.5H2O 0,1
CAS 10102-17-7 - Kopersulfaat (CuSO 4.5H 2 O) H-zinnen: H 302-319-315-410: Schadelijk bij inslikken. Veroorzaakt ernstige oogirritatie. Veroorzaakt huidirritatie. Zeer giftig voor in het water levende organismen, met langdurige gevolgen. P-zinnen: P 273-301+312-302+352-305+351+338: Voorkom lozing in het milieu. Na inslikken: bij onwel voelen een antigifcentrum of een arts raadplegen. Bij contact met de huid: met veel water en zeep wassen. Bij contact met de oegen: voorzichtig afspoelen met water gedurende een aantal minuten. Indien mogelijk, contactlenzen verwijderen en blijven spoelen. Koper(II)sulfaat (0 aq) CAS 7758- H 411 P 273 Proefopstelling: 3. Uitvoeren Werkwijze: - Doe enkele ml ijzernitraat oplossing in elke buis (gelijke hoeveelheden) - Voeg aan een buis enkele druppels kopersulfaat oplossing toe. - Voeg vervolgens enkele ml thiosulfaat oplossing toe aan elke buis en observeer. Waarnemingen:
We zien dat de proefbuis waar het kopersulfaat zich in bevindt (links) bruin is verkleurd. Na het schudden met de proefbuizen zien we dat de bruine kleur lichter wordt. En de rechter proefbuis is terug helder. 4. Reflecteren a.verklaring: Katalysatoren zijn stoffen die een reactie kunnen versnellen zonder zelf gebruikt te worden. Met koperionen (Cu 2+ ) kan men een breed scala van redoxreacties versnellen. In deze proef hebben we het effect van Cu 2+ ionen op de reactie van Fe 3+ ionen met thiosulfaationen gedemonstreerd. De vraag is met welk mechanisme vindt dit plaats. De definitie van een katalysator is een stof die een reactie versnelt zonder zelf verbruikt te worden. Een katalysator beïnvloedt dus niet het thermodynamisch evenwicht maar zorgt ervoor dat dit sneller word bereikt door een makkelijker te doorlopen pad aan te bieden bv door het verlagen van de activeringsenergie.. De basis reactie waar we mee te maken hebben is: 2Fe 3+ + 2e <=> 2Fe 2+ 2S 2 O 2-3 <=> S 4 O 2-6 + 2e ------------------------------------------- 2Fe 3+ + 2S 2 O 2-3 <=> 2Fe 2+ 2- + S 4 O 6 E 0 =0.77V E 0 =0.10V
M.b.v de Nernstvergelijking kunnen we vrij gemakkelijk de evenwichtsconstante van deze reactie berekenen. In een redoxsysteem oplossing waar minimaal twee redoxkoppels in aanwezig zijn is er pas evenwicht als de redoxpotentiaal voor alle redoxkoppels gelijk is hetgeen plaatsvindt door overdracht van elektronen. De berekende evenwichtconstante van de reactie laat zien dat bij deze reactie het evenwicht naar rechts licht hetgeen betekent dat de reactie thermodynamisch gezien kan verlopen. Onze observatie laat ook zien dat de reactie ook daadwerkelijk verloopt, alleen verloopt deze langzaam hetgeen betekent dat er een kinetische beperking is. M.a.w. de Wet van Nernst die we gebruikt hebben voor bovenstaande berekening doet geen uitspraak over de snelheid waarmee het evenwicht zich instelt. Een van de zaken die men zich in deze context ook moet realiseren is dat in werkelijkheid de IJzerionen complexen vormen. De reactie verloopt dan meer zoals in onderstaande reactievergelijkingen is weergegeven. [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + S 2 O 3 2 <=> [Fe(H 2 O) 4 (S 2 O 3 )] + + 2 H 2 O 2 [Fe(H 2 O) 4 (S 2 O 3 )] + + 4 H 2 O <=> 2 [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ + S 4 O 6 2
Voor de evaluatie zoals hierboven beschreven is het effect van complexvorming met watermoleculen al verdisconteerd is in de normaalpotentiaal. Het is wel zo dat door de hydrolyse reacties van het ijzer met water zoals aangegeven de oplossing aangezuurd wordt. [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + H 2 O <=> [Fe(H 2 O) 5 OH] 2+ + H 3 O + etc. Waarbij Fe 3+ de oplossing sterker aanzuurt dan Fe 2+ zoals men kan zien aan de K a waardes in onderstaande tabel. Formule K-waarde Kleur Fe(III) [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ K a1 = 10-2 licht paars (in zeer verdunde oplossingen) [Fe(H 2 O) 5 OH] 2+ geel Fe(II) [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ K a1 = 10-8 licht groen Bovenstaande betekent echter ook dat om elektronenoverdracht tot stand te brengen de hydratatiemantel van de ijzerionen doorbroken moet worden. Zoals boven vermeld spreken we over een katalysator als een stof die de reactiesnelheid van een reactie kan beïnvloeden en daarbij zelf onveranderd blijft hoewel deze aan het proces deelneemt. Ze hebben geen invloed op de ligging van het evenwicht. Hun werking berust erop dat ze een alternatief pad aanbieden van reactant tot product. Hetgeen betekent dat ze wel de activeringsenergie kunnen verlagen door het aanbieden van een andere route maar geen invloed uitoefenen op de netto energie winst die een reactie oplevert. Het alternatieve pad dat door een katalysator wordt aangeboden is meestal in de vorm van een intermediair complex waarvan de activeringsenergie lager ligt dan in de oorspronkelijke reactie. Het is me echter nog niet gelukt om te achterhalen hoe mechanisme van de katalyse door Cu-ionen zich precies voltrekt. Wat dat betreft kan ik slechts gissen. We weten bv dat het niet zo makkelijk is de hydratatiemantel rond de Fe-ionen te doorbreken zodat de elektronenoverdracht op gang komt. Volgens de Theorie van Marcus over
elektronenoverdracht moet de hydratatiemantel zich herorganiseren. Het is dus mogelijk dat een Cu 2+ /Cu + redoxkoppel dat in het proces wordt opgenomen juist hier een rol speelt. Koperionen katalyseren de reactie van Fe 3+ met thiosulfaat. b.bronnen: http://www.nationalstemcentre.org.uk/dl/9f796f4f654d7549ad5258d22f4c7314fb1b25b4/2 8741-Microscale17.pdf http://www.thuisexperimenteren.nl/science/redoxkatalysekoper/katalysekoper.htm