Reaktionshastighet med permanganat

Tillhör kategori: jämvikt, kemiska reaktioner

Författare: Tomas Lövgren

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 20 minuter

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Avancerat

Introduktion

Varför sker vissa reaktioner snabbt och vissa långsamt? Vilka faktorer påverkar hastigheten i en kemisk reaktion? I denna laboration studerar vi hur snabbt en lösning avfärgas och om vi kan påverka reaktionstiden på något sätt.

Riktlinjer

Laborationen passar bra på gymnasiet eller högstadiet som elevförsök där man laborerar två och två.

Säkerhet

Inga säkerhetsåtgärder behöver vidtas. Lösningarna kan efter laborationen hällas ut i avloppet.

Materiel

Mängderna är beräknade för 5 laborationsförsök (10 elever).

Förarbete

Bered följande lösningar:

Oxalsyra: Blanda 5,0 g oxalsyra (pulver) till 200 ml vatten.

Kaliumpermanganat: Blanda 0,9 g kaliumpermanganat (pulver) till 275 ml vatten.

Utförande

Tre bägare

De tre bägarna
Bild: © Svante Åberg
Ställ i ordning tre bägare med vardera

  1. 10 ml oxalsyralösning.
  2. 25 ml 2 M svavelsyra
  3. 100 ml vatten

Bägare 1:

  1. Var förberedd på att göra tidmätning.
  2. Tillsätt snabbt, under omskakning, 5 ml permanganatlösning till första bägaren.
  3. Mät tiden från blandningsögonblicket tills lösningen helt avfärgats.

Bägare 2:

  1. Var förberedd på att göra tidmätning.
  2. Tillsätt några kristaller mangan(II)sulfat till den andra bägaren.
  3. Tillsätt snabbt, under omskakning, 5 ml permanganatlösning.
  4. Mät tiden från blandningsögonblicket tills lösningen helt avfärgats.

Bägare 3:

  1. Värm bägare 3 till 10 grader över rumstemperatur.
  2. Var förberedd på att göra tidmätning.
  3. Tillsätt snabbt, under omskakning, 5 ml permanganatlösning.
  4. Mät tiden från blandningsögonblicket tills lösningen helt avfärgats.

Variation

Varje labgrupp kan höja temperaturen olika. Grupp ett 10 grader, grupp två 20 grader, osv. Sammanställ sedan i ett diagram temperatur / tid för avfärgning.

Man kan också prova att variera koncentrationerna av oxalsyra och permanganat.

Förklaring

Oxalsyran, som ingår i reaktionen, har kovalenta bindningar som bryts ned. Dessutom ingår många reaktanter i den ganska komplicerade reaktionen. Det gör att reaktionen går långsamt. Det gäller särskilt i första bägaren där vi inte gjort något för att öka hastigheten. Vi kan använda bägare 1 som referens (jämförelse) för de två övriga.

I bägare 2 har tillsatts mangansulfat, MnSO4, vilken fungerar som katalysator. En katalysator underlättar reaktionen så att den sker snabbare, men katalysatorn själv förbrukas inte.

I bägare 3 är temperaturen högre. Generellt är det så att högre temperatur ger högre reaktionshastighet. Det ser man t ex på mat som skäms, vilket också är en kemisk process. Det sker fortare i rumstemperatur än i kylskåpet.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Information om kemikalierna i experimentet

Kaliumpermanganat (KMnO4) framställs i en tvåstegsprocess genom reaktion mellan kaliumhydroxid (KOH) och syre (O2) varvid manganat(VI) (MnO42-) bildas. Detta oxideras sedan elektrokemiskt till permanganat, där manganet har oxidationstalet +VII [1]. Kaliumpermanganat används som oxidationsmedel bl a inom den kemiska industrin och för rening av dricks- och avloppsvatten. Akvarieägare desinficerar inköpta plantor i en utspädd lösning av kaliumpermanganat för att inte sprida sjukdomar och parasiter i sitt akvarium (Se recept på Internet för desinfektion).

Mangan(II)sulfat (MnSO4) framställs genom reaktion mellan brunsten (mangandioxid, MnO2; mangan med oxidationstal +IV) och svavelsyra. Mangansulfat används för gödsling av manganfattiga marker och som tillsats i kreatursfoder. Ett annat användningsområde är textilfärgning och glastillverkning.

Svavelsyra (H2SO4) är världens till volym räknat största industriella kemikalie. Svavelsyra är i koncentrerad form mycket frätande. Den framställs ur svaveldioxid (SO2). Svavelsyra används bl a vid tillverkning av gödningsmedel, sprängämne, papperslimmning och glastillverkning.

Oxalsyra (H2C2O4) förekommer i spenat och rabarber. Oxalsyra kan framställas ur NaOH och koldioxid och används vid framställning av bläck, färgning - tryckning och som reduktionsmedel.

Förklaring till uppgifterna

Resultatet i uppgift ett skall ses som en referens och jämföras med uppgift två och tre.

Förklaring till uppgift 1:

När kaliumpermanganat (KMnO4) löses i vatten dissocieras (sönderdelas) den i K+ och MnO4--joner, vilket ger lösningen dess karaktäristiska violetta färg. När oxalsyran (H2C2O4) tillsätts tillsammans med svavelsyran sker en kemisk reaktion. Den rödvioletta MnO4--jonen reduceras till färglös Mn2+-jon. Samtidigt oxideras oxalsyrans negativa C2O42--jon till koldioxid. Reaktionsformeln är

16 H+ + 2 MnO4- + 5 C2O42- 2 Mn2+ + CO2 + 8 H2O
väte-
joner
permanganat oxalat-
joner
mangan(II)-
joner
koldioxid vatten

Reaktionen är ganska långsam och därför är avfärgningstiden mätbar. Anledningen till den långsamma reaktionen är att bindningarna mellan kolatomerna i oxalatjonen är kovalenta. Reaktioner med kovalenta bindningar är i regel långsammare än reaktioner mellan jonföreningar.

Reaktionsmekanismen inverkar också på hastigheten. När fler än två reaktanter måste kollidera samtidigt, och i gynnsamma vinklar, minskar chansen för att det ska inträffa ett givet ögonblick.

Förklaring till uppgift 2:

Tiden för avfärgning i uppgift två är kortare än för referensen. Detta beror på tillsatsen av mangansulfat som fungerar som katalysator vilket ökar reaktions-hastigheten. Det är Mn2+-jonen som fungerar som katalysator.

Den som är observant kanske upptäckte att avfärgningen i uppgift ett gick snabbare och snabbare. Detta beror på att det bildas Mn2+ (se reaktionsformeln ovan). Man kan säga att reaktionen katalyserar sig själv.

En katalysator förbrukas inte utan finns kvar i oförändrad form efter att reaktionen ägt rum. Detta gör att relativt liten mängd kan påverka reaktionshastigheten på en mycket stor lösning.

Katalysatorer har en mycket viktig uppgift i många kemiska reaktioner. I t ex din kropp pågår ständigt en mängd olika reaktioner. Dessa skulle utan katalysatorer eller enzymer som de kallas i detta sammanhang, ta alltför lång tid. I din kropp innebär enzymer skillnaden mellan liv och död.

Även inom den kemiska industrin är katalysatorer mycket viktiga. De används i t ex läkemedelsindustrin vid framställning av läkemedel. På senare år används även katalysatorer för att rena bilavgaser. Den aktiva delen i en bilkatalysator är platina som har förmågan att omvandla giftiga NO - gaser till ofarliga gaser som kvävgas (N2) och syrgas (O2).

Förklaring till uppgift 3:

Om temperaturen på en lösning ökar går den kemiska reaktionen snabbare. För att en reaktion ska ske måste de ingående ämnena kunna reagera med varandra. Även om en reaktion är möjlig så behöver den inte nödvändigtvis ske spontant i rumstemperatur. T ex brinner inte en tändsticka upp av sig själv trots att det finns syre runt omkring som gör reaktionen möjlig. Om du däremot höjer temperaturen tillräckligt mycket fattar tändstickan eld och brinner upp utan vidare påverkan. Den energi som måste tillföras för att en reaktion ska äga rum kallas aktiveringsenergi.

I denna uppgift sker avfärgningen spontant i rumstemperatur. Det finns alltså tillräckligt med aktiveringsenergi för att en reaktion ska äga rum. Vid högre temperatur sker dock reaktionen ännu snabbare. Det beror på att i en varmare lösning rör sig molekylerna häftigare och kommer i kontakt med varandra oftare vilket leder till en snabbare reaktion. Därför går kemiska reaktioner snabbare vid högre temperatur än vid lägre.

Vi reglerar dagligen kemiska reaktioner utan att vi kanske tänker på det. Vi ställer mjölken i kylen för att inte den ska surna, vi lägger kött i frysen, kokar eller steker osv.

Fördjupning

Litteratur

  1. Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, 1963, sid. 665, Almqvist & Wiksell, Uppsala.
  2. Boren, Moll, Nilsson, Kemi för fackskolan sociala linjen åk 1-2, 1966, Bervalls förlag, Stockholm.
  3. Parker, Kul att kunna för unga kemister, 1990, Teknografiska institutet, Solna.
  4. Nationalencyklopedin, 1994 Bra böcker AB, Höganäs.
  5. Manganese, Jim Clark, Chemguide
    http://www.chemguide.co.uk/inorganic/transition/manganese.html (2003-08-13)
  6. Potassium permanganate, Carus Chemical Company
    http://www.caruschem.com/permanganate.asp?sec=permanganate (2003-08-13)
  7. Kinetics, Eastern Kentucky University
    http://www.chemistry.eku.edu/GODBEY/Homepage_files/CHE_112_Lab_Manual/
    Experiments/Kinetics.htm (2003-08-13)
  8. Chemical Kinetics: Determining the Rate Equation, University of Massachusetts
    http://colossus.chem.umass.edu/genchem/summer/chem112su02/112_Experiment_3.htm (2003-08-13)
  9. Chemical Kinetics: Effect of Temperature, University of Massachusetts
    http://colossus.chem.umass.edu/genchem/summer/chem112su02/112_Experiment_4.htm (2003-08-13)
  10. Kinetics: Temperature Effect, Mercer University
    http://chemistry.mercer.edu/dem/chm111-112/kin2.pdf (2003-08-13)
  11. A Kinetic Study of the Permanganate Oxidation of Oxalic Acid, College of Charleston
    http://www.cofc.edu/~kinard/154L_HONS_HonorsChemistryLaboratory/
    154_Exp8_PermanganateOxalicAcidKinetics.pdf (2003-08-13)
  12. Decomposition of the permanganate/oxalic acid overall reaction to elementary steps based on integer programming theory, Krisztián Kovács, Béla Vizvári, Miklós Riedel and János Tóth, Etövös University
    http://www.math.bme.hu/~jtoth/pubtexts/kovacsriedelvb.pdf (2005-10-11)

Fler experiment


jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Flaskor mun mot mun
Framställ väldoftande luktämnen
Fryspunktsnedsättning
Färgämnen i M&M
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gummi och lösningsmedel
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur smakar salmiak?
Innehåller koksaltet jod?
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Luftfuktighet och rostbildning
Löslighet och pH - En extraktion
Maskrosen som krullar sig
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Molnet i flaskan
När flyter potatisen?
Osmos i potatis
pH i kokt mineralvatten
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Saltat islyft
Superabsorbenter i blöjor
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför äter vi Samarin?
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

kemiska reaktioner
Elda stålull
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Framkalla fotopapper
Kallrörd vaniljkräm och saliv
Kemi i en plastpåse
Kemisk klocka med jod
Massverkans lag och trijodidjämvikten
När fungerar enzymet bäst?
pH-beroende avfärgning av rödkål
Självantändning med glycerol och permanganat