stringtranslate.com

Реакция йодных часов

Реакция йодных часов (персульфатная вариация)

Реакция йодных часов — классический эксперимент по демонстрации химических часов для демонстрации химической кинетики в действии; она была открыта Гансом Генрихом Ландольтом в 1886 году. [1] Реакция йодных часов существует в нескольких вариантах, каждый из которых включает виды йода (ион йодида , свободный йод или ион йодата ) и окислительно- восстановительные реагенты в присутствии крахмала . Два бесцветных раствора смешиваются, и сначала нет никакой видимой реакции. После небольшой задержки жидкость внезапно становится темно-синей из-за образования комплекса трииодида с крахмалом . В некоторых вариантах раствор будет многократно циклически меняться от бесцветного до синего и обратно до бесцветного, пока реагенты не будут истощены.

Перекись водорода вариация

Этот метод начинается с раствора перекиси водорода и серной кислоты . К этому добавляется раствор, содержащий йодид калия , тиосульфат натрия и крахмал . В растворе одновременно происходят две реакции.

В первой, медленной реакции образуется йод:

Н2О2 + 2I− + 2Н + → I2 + 2Н2О​​​​​​​

Во второй, быстрой реакции йод снова преобразуется в два иона йодида под действием тиосульфата:

2S2O​​​2−3+ И2 → С4О​​​2−6+ 2 Я −

Через некоторое время раствор меняет цвет на темно-синий, почти черный.

При смешивании растворов вторая реакция приводит к тому, что йод расходуется гораздо быстрее, чем образуется , и в динамическом равновесии присутствует лишь небольшое количество йода . После того, как тиосульфат-ион исчерпан, эта реакция прекращается и появляется синий цвет, вызванный комплексом йода и крахмала .

Все, что ускоряет первую реакцию, сократит время до изменения цвета раствора. Уменьшение pH (увеличение H+
концентрация) или увеличение концентрации йодида или перекиси водорода сократит время. Добавление большего количества тиосульфата даст противоположный эффект; для появления синего цвета потребуется больше времени.

Помимо использования тиосульфата натрия в качестве субстрата, также можно использовать цистеин . [2]

Иодид из иодида калия превращается в иод в первой реакции:

2I − + 2H + + H2O 2 → I2 + 2H2O​​

Йод, полученный в первой реакции, восстанавливается обратно до йодида восстановителем цистеином . В то же время цистеин окисляется до цистина.

2С3Н7НО2S + I2 → С6Н12N2О4S2 + 2I− + 2Н +​​​​​​​​​​​​​

Как и в случае с тиосульфатом, при истощении цистеина появляется синяя окраска.

вариация йодата

Альтернативный протокол использует раствор иона иодата (например, иодата калия), к которому добавляется подкисленный раствор (опять же с серной кислотой ) бисульфита натрия . [3]

В этом протоколе йодид -ион образуется в результате следующей медленной реакции между йодатом и бисульфитом:

ИО−3 + 3 ХСО−3 → Я − + 3 HSO−4

Этот первый шаг является шагом, определяющим скорость. Затем избыток иодата окислит иодид, полученный выше, с образованием иода:

ИО−3 + 5 Я − + 6 Н + → 3 Я 2 + 3 Н 2 О

Однако йод немедленно восстанавливается обратно до йодида под действием бисульфита:

Я 2 + HSO−3 + Н2О → 2I − + HSO​​−4+ 2 Н +

Когда бисульфит полностью израсходуется, йод сохранится (т.е. не будет восстановлен бисульфитом) и образует темно-синий комплекс с крахмалом.

Персульфатная вариация

Эта часовая реакция использует персульфат натрия , калия или аммония для окисления ионов йодида до йода . Тиосульфат натрия используется для восстановления йода обратно до йодида, прежде чем йод сможет образовать комплекс с крахмалом , образуя характерный сине-черный цвет.

Йод образуется:

2 Я − + С 2 О2−8→ Я 2 + 2 ТАК2−4

И затем удаляется:

Я2 + 2S2O​​​2−3→ 2 Я − + С 4 О2−6

После того, как весь тиосульфат израсходован, йод может образовать комплекс с крахмалом. Персульфат калия менее растворим (см. веб-сайт Salters), тогда как персульфат аммония имеет более высокую растворимость и используется вместо него в реакции, описанной в примерах из Оксфордского университета. [4]

Изменение хлората

Экспериментальная последовательность йодных часов была также установлена ​​для системы, состоящей из йодида калия , хлората натрия и хлорной кислоты , которая происходит посредством следующих реакций. [5]

Трииодид находится в равновесии с анионом иодида и молекулярным иодом :

я−3⇌ Я 2 + Я −

Хлорат-ион окисляет йодид-ион до йодноватистой кислоты и хлористой кислоты на медленной и определяющей скорость стадии :

ClO−3+ I − + 2 H + → HOI + HClO 2

Расход хлората ускоряется за счет реакции йодноватистой кислоты с образованием йодистой кислоты и большего количества хлористой кислоты:

ClO−3+ HOI + H + → HIO 2 + HClO 2

Более выраженный автокатализ , когда вновь образованная йодистая кислота также преобразует хлорат на самой быстрой стадии реакции:

ClO−3+ HIO 2 → IO−3+ HClO2​

В этих часах индукционный период — это время, необходимое для начала автокаталитического процесса, после которого концентрация свободного йода быстро падает, что наблюдается с помощью УФ-видимой спектроскопии .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ См.:
    • Ландольт, Х. (1886). «Ueber die Zeitdauer der Reaction zwischen Jodsäure und schwefliger Säure» [О продолжительности реакции между йодистой кислотой и сернистой кислотой]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 19 (1): 1317–1365. дои : 10.1002/cber.188601901293.
    • Ландольт, Х. (1887). «Ueber die Zeitdauer der Reaction zwischen Jodsäure und schwefliger Säure [Часть 2]» [О продолжительности реакции между йодистой кислотой и сернистой кислотой]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 20 (1): 745–760. дои : 10.1002/cber.188702001173.
  2. ^ Limpanuparb, T.; Ruchawapol, C.; Sathainthammanee, D. (2019). «Clock Reaction Revisited: Catalyzed Redox Substrate-Depletive Reactions». Журнал химического образования . 96 (4): 812–818. Bibcode : 2019JChEd..96..812L. doi : 10.1021/acs.jchemed.8b00547. S2CID  104370691.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  3. ^ "Эксперимент 6: ЗАКОНЫ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ЙОДНЫХ ЧАСОВ" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2018-05-17 . Получено 2018-04-30 .
  4. ^ Хью Картрайт (2006). "Кинетика часовой реакции персульфата-йодида" (PDF) . Практический курс физической химии 2-го/3-го года обучения . Оксфордский университет . Получено 25 марта 2018 г. .
  5. ^ Андре П. Оливейра и Роберто Б. Фариа (2005). «Реакция хлорат-йодных часов». J. Am. Chem. Soc. 127 (51): 18022–18023. doi :10.1021/ja0570537. PMID  16366551.

Внешние ссылки