Reacción del reloj de yodo

Reacción del reloj de yodo.

La cinética química es la rama de la química que se ocupa de los mecanismos y velocidades de las reacciones químicas. El mecanismo de una reacción química es una descripción de lo que le sucede a cada molécula a un nivel muy detallado: qué enlaces se rompen, qué nuevos enlaces se forman y cómo cambian las formas tridimensionales de los químicos durante el curso de la reacción. La velocidad de la reacción es una medida de su velocidad. La velocidad de una reacción química se puede medir por la rapidez con que desaparecen los reactivos o por la rapidez con que se generan los productos. La reacción del reloj de yodo es una demostración favorita en las clases de química porque tiene un elemento de drama. Se mezclan dos soluciones claras, produciendo una nueva solución clara. Luego, después de un período de varios segundos, la solución se vuelve azul oscuro. En una variación de la reacción del reloj de yodo llamada reacción de Old Nassau, se agrega una tercera solución a la mezcla, lo que da como resultado que la solución primero se vuelva naranja y luego azul oscuro. Una demostración de ambas reacciones se muestra en estos artículos a continuación.

Como se mencionó, la cinética química mide qué tan rápido ocurre una reacción. Para la mayoría de las reacciones químicas, la velocidad es tan rápida que se necesita un equipo especial para medirla. Para la reacción del reloj de yodo, por otro lado, la velocidad se puede medir fácilmente monitoreando el cambio de color de la reacción. Hay muchas variaciones de la reacción del reloj de yodo. Cada variación utiliza una mezcla diferente de productos químicos. Sin embargo, los dos reactivos clave son las especies de yodo (ion yoduro, yodo libre o ion yodato) y un reactivo oxidante o reductor (agente redox). En presencia de almidón. En este proyecto de química, usarás una versión 'verde' de la reacción del reloj de yodo. ¿Qué significa esto? No significa que la solución de reacción se vuelva verde en lugar de azul oscuro. Significa que aplicará los principios de la química ecológica mientras realiza la reacción del reloj de yodo.

El objetivo de la química verde (también llamada química sostenible) es hacer reacciones químicas y productos usando métodos amigables con el medio ambiente. Hay doce principios de la química verde que ayudan a los científicos a hacer eso. Uno importante que aplicará en este proyecto es reducir o eliminar el uso y la creación de productos químicos tóxicos. En la reacción del reloj de yodo que realizará en este proyecto, reemplazará sustancias químicas peligrosas y tóxicas con materiales de partida mucho más seguros. Al hacerlo, evitará la creación de desechos tóxicos y también evitará la contaminación ambiental.

Experimento de reacción de reloj de yodo.

Entonces, ¿cuáles son los productos químicos que usará en su reacción de reloj de yodo? Sus materiales de partida serán tintura de yodo (una mezcla de yodo y yoduro de sodio) o solución de yodo-providona, vitamina C (ácido ascórbico), peróxido de hidrógeno, agua purificada o destilada y almidón.. Puede notar que todos estos son materiales domésticos comunes que son relativamente seguros de usar. ¡Todavía necesitará usar protección personal como gafas y guantes, ya que algunos de estos químicos pueden manchar o irritar su piel! Esto significa que no están completamente libres de peligros, pero son mucho más seguros que los químicos usados ​​en otras variaciones de la reacción del reloj de yodo. Los productos químicos que reemplazan incluyen ácidos fuertes como el ácido clorhídrico o el ácido sulfúrico, agentes redox como el tiosulfato de sodio, el bisulfito de sodio, el persulfato o el clorato, y otras especies de yodo como el yodato de potasio. ¡La reacción de Old Nassau mencionada anteriormente, que se vuelve naranja antes de volverse azul oscuro, incluso usa cloruro de mercurio (II), que es altamente tóxico!

Debido a los diferentes químicos involucrados, el mecanismo de reacción para cada versión de la reacción del reloj de yodo es diferente. Sin embargo, todas las reacciones se basan en la formación de un complejo triyoduro-almidón . Las reacciones que forman la base de la versión química verde de la reacción del reloj de yodo se muestran a continuación.

Ecuación 1:

$$H_2{O}_2+3{\mathrm{yo}}^{-}+2H^{+}\to {\mathrm{yo}}_3^{-}+2H_{2}O$$

• H 2 O 2 = Peróxido de hidrógeno
• I - = ion yoduro (de tintura de yodo o solución de yodo-providona)
• H + = Un protón, del ácido ascórbico (vitamina C)
• I 3 - = triyoduro
• H2O = Agua 

Esta ecuación establece que el peróxido de hidrógeno reacciona con los iones de yoduro en una solución ácida para formar triyoduro y agua.

El triyoduro tiene la propiedad muy interesante de reaccionar con el almidón para formar un complejo triyoduro-almidón de color azul oscuro. Hay almidón en la mezcla de productos químicos, entonces, ¿por qué el triyoduro no reacciona con él? La razón por la que el triyoduro no reacciona con el almidón es que se consume inmediatamente en una reacción competitiva con la vitamina C (ácido ascórbico).

Ecuación 2:

$${\mathrm{yo}}_3^{-}+C_6{H}_8{O}_6\to 2H^{+}+3{\mathrm{yo}}^{-}+C_6{H}_6{O}_6$$

• I 3 = triyoduro
• C 6 H 8 O 6 = Ácido ascórbico (vitamina C)
• H + = Un protón, del ácido ascórbico (viramin C)
• 3 I - = ion yoduro
• C 6 H 6 O 6 = Ácido dehidroascórbico (forma oxidada de ácido ascórbico)

La ecuación 2 dice que el triyoduro reacciona con la vitamina C (ácido ascórbico) para formar iones de yoduro y ácido dehidroascórbico.

La reacción en la Ecuación 2 ocurre tan rápido que ninguno de los triyoduros tiene tiempo de formar un complejo con el almidón, aunque el almidón esté en la mezcla de reacción. Las reacciones en las Ecuaciones 1 y 2 avanzan durante el lapso de tiempo entre la mezcla de los químicos y la aparición dramática del color azul. Tenga en cuenta que los iones de yoduro se regeneran en la Ecuación 2, por lo que están disponibles para reaccionar con el peróxido de hidrógeno en la Ecuación 1. La vitamina C, por otro lado, se consume a medida que se convierte en ácido dehidroascórbico. El período de latencia termina cuando la vitamina C se agota. En este momento, el triyoduro puede reaccionar con el almidón.

Ecuación 3:

$${\mathrm{yo}}_3^{-}+starCh\to \left({\mathrm{yo}}_3^{-}starChCO\mathrm{metro}\mathrm{pags}\mathrm{yo}yX\right)$$

• I 3 - = triyoduro
• I 3 - complejo de almidón, que es azul

Esta ecuación dice que el almidón reacciona con el triyoduro para formar un complejo azul triyoduro-almidón.

Al observar todas estas ecuaciones, podemos ver que cuanto más rápida es la reacción en la Ecuación 1, más rápido el triyoduro consume la vitamina C y más rápido el triyoduro reacciona libremente con el almidón. Entonces, ¿cuál es la velocidad de la primera reacción? La velocidad de la reacción en la Ecuación 1 es una medida de cómo cambia la concentración de peróxido de hidrógeno por unidad de tiempo:

Ecuación 4:

$$Raty=\frac{Cha\mathrm{norte}\mathrm{gramo}yi\mathrm{norte}\left(H_2{O}_2\right)}{ti\mathrm{metro}yi\mathrm{norte}syCO\mathrm{norte}ds}$$

• (H 2 O 2 ) = Concentración de peróxido de hidrógeno

La ecuación 4 indica que la velocidad de la reacción es proporcional al recíproco del tiempo.

La velocidad de una reacción depende de la concentración de los reactivos. En la Ecuación 1, por ejemplo, aumentar la cantidad de peróxido de hidrógeno aumentará la velocidad a la que reacciona con el yoduro. Las concentraciones de yoduro y ácido siguen siendo las mismas, por lo que la velocidad dependerá únicamente de los cambios en la concentración de peróxido de hidrógeno. (El yoduro se recicla entre las Ecuaciones 1 y 2, y la concentración de ácido es lo suficientemente alta como para que el cambio en su concentración sea pequeño. Tenga en cuenta que se agrega un exceso de vitamina C a la reacción). La velocidad en realidad depende de la concentración de peróxido de hidrógeno elevada a una potencia, llamada orden de reacción .

Ecuación 5:

$$Raty=k(H_2{O}_2{)}^X$$

• k = Constante de velocidad, en 1/segundo (s)
• (H 2 O 2 ) = Concentración de peróxido de hidrógeno, en moles/litro
• x = Orden de reacción del peróxido de hidrógeno, sin unidades

En este proyecto de química verde, investigarás cuál es el orden de reacción para la reacción del reloj de yodo. La buena noticia de la Ecuación 5 es que la velocidad depende de la concentración de peróxido de hidrógeno, y sabrá cuál es la concentración de peróxido de hidrógeno cuando comience la reacción. Variará la cantidad de peróxido de hidrógeno para ver cómo afecta esto el tiempo que los químicos mezclados permanecen claros antes de volverse azules. Al medir el tiempo que tarda la mezcla de reacción en volverse azul con un cronómetro, podrá determinar cómo la concentración de peróxido de hidrógeno cambia la velocidad de reacción. A continuación, puede utilizar sus resultados para determinar el orden de reacción.

¡Esta no es la única forma de explorar la química de la reacción del reloj de yodo! Los detalles de los mecanismos de reacción se pueden estudiar variando las concentraciones de otros reactivos, además del peróxido de hidrógeno. Y es ideal para investigar el efecto de la temperatura en las velocidades de reacción. Algunas de estas áreas se abordan en las Variaciones. Ahora, comencemos.

Notas químicas

Las soluciones A y B deben prepararse antes de la demostración. Las soluciones se mantendrán durante la noche, pero se obtienen mejores resultados si las soluciones se preparan en el día. El tiosulfato de sodio reaccionará con los ácidos para dar dióxido de azufre y un precipitado de azufre, por lo que el tiosulfato de sodio y el ácido etanoico se separan en las soluciones A y B respectivamente.

Si tiene acceso a ácido etanoico diluido 1 M, use 500 cm 3  de este para hacer la solución B. Mezcle 500 cm 3  de peróxido de hidrógeno de 20 volúmenes con 500 cm 3  de ácido etanoico 1 M.