Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration (Landolt-Reaktion) (Artikelnr.: P )

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1 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration (Landolt-Reaktion) (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Chemie Bildungsstufe: Klasse Lehrplanthema: Physikalische Chemie Unterthema: Kinetik chemischer Reaktionen Experiment: Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration (Landolt-Reaktion) Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 20 Minuten 1 Schüler/Student Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Schlagwörter: Aufgabe und Material Aufgabe Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration Bei einer chemischen Reaktion ist die Reaktionsgeschwindigkeit u.a. abhängig von Reaktionstemperatur und Konzentration der beteiligten Stoffe. Dabei ist die Konzentration der Ausgangsstoffe einer der wesentlichen Einflussgrößen auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Allgemein gilt: Je höher die Konzentration der Ausgangsstoffe ist, desto schneller läuft die entsprechende Reaktion ab. Bei einfachen Reaktionen (erster Ordnung) ist die Reaktionszeit umgekehrt proportional zur Konzentration der Ausgangsstoffe. Dies kann mit dem einfachen Teilchenmodell begründet werden, so ist bei höherer Konzentration die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich zwei Teilchen berühren und so zur Reaktion kommen. So kommt es nur zu einer chemischen Reaktion, wenn Stoffteilchen wirksam zusammenstoßen. Die Landolt-Reaktion Die bekannteste Reaktion, die den Einfluss der Konzentration der Ausgangsstoffe auf die Reaktionsgeschwindigkeit zeigt, ist die sogenannte Landolt-Reaktion. Der Landolt-Reaktion zeigt auf einfache Weise, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Ausgangsstoffe abhängt. Allgemein bezeichnet man mit der Landolt-Reaktion die zeitlich verzögerte Bildung von Iod aus Iodsäure und schwefliger Säure. Lernziel In diesem Versuch untersuchen die Schüler die Geschwindigkeit einer Reaktion bei unterschiedlicher Konzentration der Ausgangsstoffe. Dabei beobachten die Schüler, dass (in der Regel) eine Reaktion umso schneller abläuft, je höher die Stoffkonzentration der Ausgangsstoffe ist. Anhand der Messergebnisse erkennen die Schüler, dass ein direkter Zusammenhang zwischen Konzentration und Reaktionsgeschwindigkeit besteht. Wird die Konzentration der Ausgangsstoffe halbiert, so dauert die Reaktion ungefähr doppelt so lange dauert.

2 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Präzisionswaage, Sartorius ENTRIS623-1S, 620 g / 0,001 g Demo-Tischstoppuhr, d = 130 mm Ethanol absolut, reinst 500 ml Pipettenständer, PP, für 94 Pipetten Kaliumiodat, reinst 100 g Becherglas DURAN, hohe Form, 2000 ml Schwefelsäure 95-98%, 500 ml Stärke, löslich, reinst 100 g Messzylinder 500 ml, BORO Pipettierball, Flip-Modell, Pipetten bis 100 ml Natriumsulfit, reinst 250 g Wasser, destilliert 5 l Becherglas DURAN, hohe Form, 600 ml Vollpipette 50 ml Wägeschalen, quadratisch, 84 x 84 x 24 mm, 25 Stück Becherglas DURAN, hohe Form, 250 ml Messzylinder 25 ml, BORO Messzylinder 100 ml, BORO Löffelspatel, Stahl, l = 150 mm Spritzflasche, 500 ml, Kunststoff Messpipette 10 ml, Teilung 0,1 ml Messpipette 5 ml, Teilung 0,05 ml Glasrührstab, Boro 3.3, l = 300 mm, d = 7 mm

3 Sicherheitshinweise Während des Versuches müssen alle im Raum befindlichen Personen eine Schutzbrille tragen! Gefahren H- und P-Sätze Ethanol, absolut Kaliumiodat H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar P210 Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellenarten fernhalten. Nicht rauchen P233 Behälter dicht verschlossen halten P240 Behälter und zu befüllende Anlage erden Lagerung P403 + P235 Kühl an einem gut belüfteten Ort aufbewahren. H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel H318 Verursacht schwere Augenschäden P221 Mischen mit brennbaren Stoffen, Schwermetallverbindungen, Säuren und Laugen unbedingt verhindern P280 Augenschutz tragen P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen P313 Ärztlichen Rat einholen/ ärztliche Hilfe hinzuziehen. Schwefelsäure, konzentriert H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen P310 Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen P301 + P330 + P331 BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen P501 Inhalt/Behälter in einer anerkannten Abfallentsorgungsanlage zuführen. Sicherheitshinweise Konzentrierte Säuren sind stark ätzend. Sie zerstören Haut und Textilien. Beim Verdünnen erst das Wasser, dann die Säure (Schutzbrille, Laborkittel, Handschuhe). Natriumsulfit erzeugt lokale Reizungen auf der Haut und den Schleimhäuten. Bei Augenkontakt können Hornhaut- und Bindehautentzündungen auftreten. Ethanol ist eine leichtentzündliche, mit Wasser mischbare Flüssigkeit mit berauschender bzw. narkotischer Wirkung (konzentrationsabhängig). Kaliumiodatlösungen reizen Haut und Schleimhäute. Erste Hilfe Betroffene Haut, Augen bei gut geöffnetem Lidspalt, Textilien etc. mit viel Wasser gründlich spülen. Bei Augenverletzungen unverzüglich den Arzt aufsuchen. Entsorgung Lösungen neutralisieren (ph 6-8) und mit viel Wasser wegspülen.

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5 Aufbau und Durchführung Vorbereitend werden folgende Lösungen angesetzt. Natriumsulfit-Lösung (I): 1000 ml Wasser werden mit 2,5 ml konzentrierter Schwefelsäure angesäuert, mit 10 ml Ethanol versetzt und 1,16 g Natriumsulfit darin aufgelöst. Kaliumiodat-Lösung (II): 4,3 g Kaliumiodat werden in 1000 ml Wasser gelöst. Stärke-Lösung (III): 2 g Stärke werden in 100 ml Wasser gelöst (zum besseren Lösen der Stärke muß die Lösung unter Umständen aufgekocht werden). Zwei 600-ml-Bechergläser werden mit je 250 ml Wasser gefüllt und mit 100 ml der Natriumsulfitlösung (I) sowie 10 ml der Stärkelösung (III) versetzt. In ein 250-ml-Becherglas pipettiert man 100 ml der Kaliumjodatlösung (II), in ein zweites 250-ml- Becherglas 50 ml der Kaliumjodatlösung (II) und 50 ml Wasser. Die erste Lösung wird unter Rühren (Glasstab) möglichst rasch in eine der Natriumsulfitlösungen gegossen, die Stoppuhr gestartet und die Zeit bis zum Farbumschlag nach Blau gemessen. Anschließend verfährt man mit der zweiten verdünnten Kaliumiodatlösung genauso. Abb. 1

6 Beobachtung und Auswertung Beobachtung In einem Meßbeispiel betrug die Zeit vom Eingießen der Lösung bis zur schlagartig einsetzenden Blaufärbung für die 100-ml- Kaliumiodatlösung 13 Sekunden und für die verdünnte 50-ml-Kaliumiodatlösung 27 Sekunden. Auswertung Bei der unter dem Namen "Landoltsche Zeitreaktion" bekannten Umsetzung wird als Summenreaktion 10- dat von schwefliger Säure zum Iodid reduziert. Ist die schweflige Säure verbraucht, so entsteht aus Iodat und Iodid elementares Iod, das mit Stärke den lodstärke- Komplex bildet. Im ersten Schritt wird dabei die schweflige Säure durch Iodat langsam zu Schwefelsäure oxidiert. Iodat wird zu Iodid reduziert. Das entstehende Iodid reagiert ebenfalls mit dem Iodat. Das Reaktionsprodukt ist Iod, das vom Sulfit sofort wieder reduziert wird. Sobald das Sulfit verbraucht ist reagiert Iod mit der Stärke zum blauen lod-stärke-komplex. In einem begrenzten Konzentrationsbereich hängt die Reaktionsgeschwindigkeit nur von den Konzentrationen der Iodationen und der schwefligen Säure ab. Da die Kaliumiodatkonzentration der ersten Lösung doppelt so groß wie die der zweiten ist, muß die Reaktion der ersten Lösung bei sonst gleichen Bedingungen in der halben Zeit beendet sein.