DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DELLA CINETICA DI UNA REAZIONE CHIMICA PER VIA SPETTROFOTOMETRICA

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1 DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DELLA CINETICA DI UNA REAZIONE CHIMICA PER VIA SPETTROFOTOMETRICA L obiettivo di questa esperienza è quello di studiare la cinetica della reazione tra una soluzione acida di blu metilene (denominato d ora in poi con la sigla MB + ) e l acido ascorbico presente in eccesso Man a mano che avviene la reazione, la soluzione, inizialmente di colore blu, si decolora sino a diventare incolore. Tale tipo di reazione può essere facilmente studiato per via spettrofotometrica, facendo misure di assorbanza in funzione del tempo e supponendo valida la legge di Lambert Beer. La seguente figura mostra lo spettro di una soluzione acquosa di MB + in assenza di acido ascorbico.

2 E presente una banda con un massimo a circa 660 nm, che è responsabile del colore blu della soluzione. Se eseguiamo delle misure nel tempo, dopo aver mescolato la soluzione di MB + con una soluzione di acido ascorbico, osserveremo che la densità ottica della banda diminuisce lentamente sino a confondersi con la linea di base quando la soluzione è diventata incolore. In altre parole l intensità della banda è direttamente proporzionale alla concentrazione di MB + presente a un dato istante. Applicando la legge di Lambert Beer avremo A = (ε t) t c t dove A t è l assorbanza della soluzione ad un dato istante t, c t è la concentrazione del reagente MB + rimasto al tempo t, ε è il coefficiente di estinzione molare della banda e t è lo spessore della celletta utilizzata per contenere la soluzione. Utilizzando un ambiente termostatato ed eseguendo le misure a più temperature, possiamo inoltre studiare come la cinetica della reazione dipende dalla temperatura elaborando i dati ottenuti mediante l equazione di Arrhenius.

3 PARTE SPERIMENTALE APPARECCHIATURA 1) Sistema spettrofotometrico a matrice di diodi STELLARNET EPP2000 e software SPECTRAWIZ 2) Un sistema termostatico 3) Un computer 4) 4 palloncini da 25 ml 5) 3 pipette da 1 ml 6) 2 cellette di vetro REAGENTI 1) Una soluzione acquosa 1.8 x 10-5 M di blu di metilene (PM=373.90) (N.B. Conviene preparare una soluzione 3.6 x 10-4 M e poi diluirla di un fattore 20) 2) Una soluzione M di acido ascorbico (PM=176.13) 3) Una soluzione 0.27 M di HCl DESCRIZIONE DELLO SPETTROFOTOMETRO La seguente figura mostra lo spettrofotometro UV-VIS ad array di diodi utilizzato per le misure. Esso è costituito dai seguenti componenti:

4 a) un sistema contenente due sorgenti luminose (deuterio, alogena) in grado di far funzionare lo strumento nel range nm (contenitore di sinistra) b) un portacellette che permette di eseguire delle misure sia in assorbimento che in emissione c) Un sistema costituito da : una parte ottica formata da un reticolo che disperde la luce proveniente dal campione sui 2048 diodi, in modo che ciascuno di essi sia in grado di rilevare un range ristretto di lunghezze d onda (es. 0.5 nm). una parte elettronica che permette di interfacciare lo spettrometro con un computer, utilizzando la porta USB. d) Due fibre ottiche che permettono, rispettivamente : di raccogliere la luce proveniente dalla sorgente luminosa e inviarla al portacampioni di raccogliere la luce proveniente dal portacampioni e di inviarla al sistema contenente l array di diodi.

5 Grazie alla presenza del rivelatore a matrice di diodi, tale spettrofotometro permette di rilevare lo spettro di un campione in tempo reale e pertanto si presta assai bene per studiare la cinetica di una reazione chimica. PROCEDURA Accendere il termostato con il pulsante ON/OFF e portarlo a una temperatura di 25 0 C (77 gradi Fahreneit). La seguente tabella riporta la conversione tra Fahreneit e gradi. T(gradi) F(fahreneit) Per impostare la temperatura è necessario dapprima premere il pulsante SET, poi impostare la temperatura tramite i tasti freccia ed infine premere di nuovo il pulsante SET. Accendere il sistema spettrofotometrico e poi il computer. Inserire nel portacampioni una celletta contenente dell acqua distillata.

6 N.B. Quando si chiude il coperchio del termostato, stare bene attenti a non incastrare e quindi rovinare l involucro delle fibre ottiche!! Lanciare il programma SPECTRAWIZ ed eseguire le seguenti impostazioni: a) selezionare la voce SCOPE MODE del menù VIEW. Se tutto funziona correttamente, lo schermo dovrebbe presentarsi in maniera simile a quanto riportato nella seguente figura, che mostra lo spettro relativo alla celletta contenente l acqua ovvero lo spettro di riferimento. La forma dello spettro è principalmente legata alla dipendenza del potere emissivo delle lampade dalla lunghezza d onda. Con il mouse selezioniamo l intervallo di lunghezze d onda comprese tra 400 e 800 nm. b) Muovere il cursore SET DETECTOR INTEGRATION TIME (in alto al centro sotto la barra del menù) in modo da far sì che l intensità della banda centrata a circa 750 nm occupi quasi completamente lo schermo senza saturare. Il valore impostato,compreso tra 700 e 800ms, viene riportato in basso sotto la voce TIME. c) Facciamo clic sull icona in alto che raffigura una lampadina gialla e che permette di memorizzare lo spettro di riferimento. d) Premiamo il pulsante SHUTTER ON/OFF che si trova sul sistema contenente le lampade (NON quello vicino al led) in modo da visualizzare lo spettro in assenza di luce; facciamo quindi clic sull icona che rappresenta una lampadina grigio scura in modo da memorizzare lo spettro di buio. In questo modo il programma sarà in grado di ricavare e quindi memorizzare correttamente il segnale del riferimento. Selezionando ora la voce ABSORBANCE dal menù VIEW, lo spettro dovrebbe presentare una linea piatta (al di sopra dei 300 nm). e) Sgoccioliamo in una celletta 1 ml di blu di metilene e 1 ml di HCl. Successivamente mettiamo la celletta e il palloncino contenente l acido ascorbico a termostare. f) Dopo aver termostato il sistema per qualche minuto, introduciamo nella celletta 1 ml di acido ascorbico e la mettiamo velocemente nel portacampioni. Clicchiamo sull icona in alto

7 che mostra due frecce (RESCALE Y-AXIS), in modo che la banda centrata a circa 660 nm occupi i 2/3 dello schermo. Infine selezioniamo la voce EPISODIC DATA CAPTURE del menù SETUP, che ci permetterà di impostare il sistema in modo da seguire la cinetica della reazione, memorizzando un certo numero di spettri in funzione del tempo. Immettere i seguenti valori in modo da registrare un massimo di 100 spettri intervallati di 2 secondi: - SELECT NUMBER OF EPISODES : 100 (ovvero il n. di spettri) - SELECT DELAY BETWEEN EPISODES (minuti) : 0 - SELECT DELAY BETWEEN EPISODES (ms) : 2000 g) Al comparire del selettore dei file, assegnare un nome al file che conterrà tutti dati relativi ai 100 spettri (es. mb25.ep). Al comparire di una nuova finestra fare velocemente clic su YES in modo da far partire l acquisizione. Man a mano che la reazione procede, l intensità della banda cala sino a confondersi quasi con la linea di base. Se ciò dovesse accadere prima di raggiungere le 100 misure, è possibile arrestare prematuramente il sistema facendo clic sull icona in alto che presenta la lampadina grigio scura. h) Una volta terminate le misure ad una data temperatura, selezionare la voce OPEN del menù FILE e quindi, dopo aver risposto NO al comparire della finestra DISPLAY FULL SPECTRUM EPISODICD 3D GRAPH, inserire la lunghezza d onda di cui si vuole memorizzare la relativa densità ottica (ovvero 660 nm). In questo modo il programma memorizzerà in un nuovo file i valori delle densità ottiche rilevate in funzione del tempo e corrispondenti alla lunghezza d onda di 660 nm. Tali dati potranno poi essere elaborati nel modo descritto più avanti. i) Ripetere le misure alle temperature di 30 e 35 0 C.

8 ELABORAZIONE DEI DATI Supponendo che il meccanismo avvenga in un solo stadio, l equazione cinetica assume la seguente forma Velocità = k[mb + ] m [acido ascorbico] n Essendo l acido ascorbico presente in eccesso rispetto a MB +, possiamo ritenere costante il termine [acido ascorbico ] n e inglobarlo nella costante k. Pertanto se poniamo k = k[acido ascorbico] n, avremo che Velocità = k [MB + ] m Come verificheremo col calcolo, la reazione in questione segue una cinetica del primo ordine, per cui m=1 e quindi Velocità = k [MB + ] Indicando con a la concentrazione iniziale di MB + e con x la concentrazione del prodotto al tempo t e ponendo v= -d[mb + ]/dt = d[prodotto]/dt, avremo che l equazione cinetica diventa dx/dt = k (a-x) Integrando opportunamente tale equazione differenziale, avremo a ln = k' t a x Indicando con A 0 e con A t le assorbanze della soluzione a 660 nm misurate rispettivamente a tempo 0 e a tempo t e applicando La Legge di Lambert Beer,avremo quanto segue: A t A 0 = ε t a = ε t ( a x) A0 ln A x 0 = k' t ovvero ln (A 0 - x) = ln A 0 k t Riportando in un grafico il ln(a-x) (asse y) in funzione di t (asse x), otteniamo un andamento rettilineo, in cui k, ovvero la costante di velocità specifica, corrisponde alla pendenza della retta.

9 DIPENDENZA DELLA VELOCITA DI REAZIONE DALLA TEMPERATURA Esiste una equazione fenomenologica, introdotta da Arrhenius, che riporta come varia la velocità di una reazione chimica al variare di T ln k = cost - E attiv. /RT dove k è la costante di velocità specifica della reazione, relativamente a un singolo stadio cinetico, E attiv. è l energia di attivazione e R è la costante dei gas. Se ricaviamo la costante di velocità specifica di una reazione a varie temperature, possiamo ricavare l energia di attivazione dalla pendenza della retta che è uguale a - E attiv. /R.