Reaktionshastighet med permanganat

Kemisk bakgrund

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