De `oscillerende klok`

De 'oscillerende klok'
Sarah Van Mierloo en Annelies Vandendriessche
Specifieke Lerarenopleiding Chemie KU Leuven, Diensthoofd Prof. Griet Ceulemans,
Celestijnenlaan 200c - Bus 2406, B-3001 Leuven-Heverlee
I. Leerplandoelstellingen
De leerlingen kunnen in een gegeven redoxevenwichtsreactie de oxidator en reductor
herkennen op basis van de elektronenoverdracht. (leerplan derde graad ASO
D/2004/0279/040)
Deze proef dient als illustratie bij het uitvoeren van oefeningen in verband met redoxreacties.
II. Benodigdheden
- Oplossing A: kaliumjodaat (KIO3), gedestilleerd water, zwavelzuur (H2SO4)
- Oplossing B: malonzuur (HOOCCH2COOH), mangaansulfaat.monohydraat (MnSO4.H2O),
gedestilleerd water, zetmeel
- Oplossing C: waterstofperoxide (H2O2) en gedestilleerd water
- 4 bekers van 1L
- roerplaat
- magnetische roerders
III. Veiligheidsvoorzieningen
Zwavelzuur 96%
R 35: Veroorzaakt ernstige brandwonden
S 26: Bij aanraking met de ogen onmiddellijk met overvloedig water afspoelen en deskundig
medisch advies inwinnen
S 30: Nooit water op deze stof gieten
S 45: In geval van ongeval of indien men zich onwel voelt, onmiddellijk een arts raadplegen,
indien mogelijk hem dit etiket tonen
Zwavelzuur is corrosief. Bij huidcontact overvloedig spoelen met water.
KIO3
R 8: Bevordert de ontbranding van brandbare stoffen
S 17: Verwijderd houden van brandbare stoffen
Malonzuur
R 22: Schadelijk bij opname door de mond
S 36/37/38: Irriterend voor de ogen- ademhalingswegen- huid
S 22: Stof niet inademen
S 28: Na aanraking met de huid onmiddellijk wassen met ... (aan te geven door de fabrikant)
Mangaansulfaat.monohydraat
R 20/21: Schadelijk bij inademing- aanraking met de huid
Waterstofperoxide
R 34: Veroorzaakt brandwonden
S 28: Na aanraking met de huid onmiddellijk wassen met ... (aan te geven door de fabrikant)
S 39: Een beschermingsmiddel voor de ogen- voor het gezicht dragen
Draag tijdens het experiment een veiligheidsbril. Draag handschoenen bij het manipuleren
van corrosieve en irriterende stoffen.
Zwavelzuur en malonzuur zijn irriterend. Dijood, dat tijdens de reactie wordt gevormd, is
irriterend voor ogen, huid en muceuse membranen. Draag dus zeker een bril en
veiligheidshandschoenen en werk in een goed geventileerde kamer.
Verwijderen van afval:
Zuurresten worden uitgegoten in de bus van de zuren (witte kleurcode).
Overige verbindingen verwijderen in het afvalvat voor anorganische verbindingen.
Neutraliseer het gevormde dijood door het te reduceren tot jodide. Hiertoe wordt ongeveer 10
ml natriumthiosulfaat aan het mengsel toegevoegd. Roer tot het mengsel kleurloos wordt.
Let op: de reactie tussen dijood en natriumthiosulfaat is exotherm waardoor het geheel dus
warm kan worden. De afgekoelde, geneutraliseerde afval wordt in het vat voor anorganisch
afval gebracht.
IV. Werkwijze
Oplossing A:
Meng 43 g kaliumjodaat (KIO3) met ~ 800 ml gedestilleerd water. Voeg hierbij 4.5 ml
zwavelzuur (H2SO4) en roer tot het kaliumjodaat volledig is opgelost. Verdun de oplossing
tot 1 L.
Oplossing B:
Meng 15.6 g malonzuur en 3.4 g mangaansulfaat.monohydraat met ~ 800 ml water. Voeg
hierbij 4 g zetmeel. Roer tot alles is opgelost en verdun tot 1 L.
Oplossing C:
Verdun 400 ml van 30% waterstofperoxide tot 1 L.
De bereide oplossingen A, B en C
2
1. Breng een roervlo in de beker van 1 L.
2. Breng 100 ml oplossing A en 100 ml oplossing B in de beker.
3. Zet de roerplaat aan en roer krachtig!
4. Voeg 100 ml van oplossing C toe aan de beker. Let er op dat oplossing C pas wordt
toegevoegd nadat oplossing A + B krachtig werd geroerd zoniet zal de oscillerende
klok niet werken!
V. Waarnemingen
Oplossingen A, B en C zijn allemaal kleurloze oplossingen. Bij het toevoegen van de
kleurloze oplossing C aan het kleurloze mengsel van A + B wordt de oplossing oranje
(amber) kleurig. Opeens slaat de kleur om naar paars-blauw. Vervolgens wordt dit geheel
terug kleurloos en herhaalt de cyclus zich verschillende keren binnen een periode die
aanvankelijk 15 seconden duurt maar stelselmatig langer wordt. Uiteindelijk blijft de
oplossing blauw.
3
4
VI. Verklaring
Bijkomende informatie over de reactie is bedoeld als achtergrondinformatie voor de leraar.
De Briggs-Rauscher reactie
IO3- + 2 H2O2 + CH2(CO2H)2 + H+  ICH(CO2H)2 + 2 O2 + 3 H2O
Deze reactie komt neer op een samenstelling van twee andere reacties (A en B)
(A) IO3- + 2 H2O2 + H+  HIO + 2 O2 + 2 H2O
(B) HIO + CH2(CO2H)2  ICH(CO2H)2 + H2O
Reactie A kan plaatsvinden via twee verschillende processen (1 en 2), nl. een radicalair en
een niet-radicalair proces. Het radicalair proces (1) zal plaatsvinden wanneer de [I-] laag is en
het niet-radicalaire proces (2) zal optreden wanneer de [I-] hoog is. (cfr. schema 1)
Reactie B bestaat uit twee deelreacties:
I- + HIO + H+  I2 + H2O
I2 + CH2(CO2H)2  ICH2(CO2H)2 + H+ + ITijdens het radicalair proces wordt HIO snel gevormd. Bovendien wordt het sneller gevormd
dan het kan wegreageren. Dit maakt dat , volgens deelreactie 1 van B, veel [I-] over blijft.
Deze I- kan geoxideerd worden tot I2 wat zorgt voor de amberkleur. De overige HIO wordt
gereduceerd door H2O2 tot I-. Deze stijgende I- concentratie zal vervolgens een punt bereiken
waarop het niet-radicaal proces overneemt. Dit proces produceert nu niet zo snel HIO als in
het radicalair proces waardoor de amberkleur begint te verdwijnen als I2 sneller wordt
verbruikt dan gevormd. De diepblauwe kleur is afkomstig van de binding van I- en I2 met
zetmeel. Uiteindelijk zal de I- concentratie zo laag zijn zodat het radicaal proces terug
overneemt en de cyclus herbegint. Een overzicht is weergegeven in schema 1.
5
Schema 1: Overzicht van de Briggs-Rauscher reactie
VII. Situering in de leerstof
Als opdracht voor de leerlingen kan gevraagd worden om in de belangrijkste redoxreacties
van deze demonstratieproef, per atoomsoort het oxidatiegetal aan te duiden. Zo ook de
oxidator en reductor te vermelden waar mogelijk.
(A) IO3- + 2 H2O2 + H+  HIO + 2 O2 + 2 H2O
reductie
+I -II
0
+I
HOI + 2 O2 + 2 H2O
+I -I
+V IO3 + 2 H2O2 + H+
oxidatie
reductie
IO3-: oxidator
H2O2: oxidator
H2O2: reductor
6
(B) HIO + CH2(CO2H)2  ICH(CO2H)2 + H2O
+I + II
HOI + CH2(CO2H)2
+V +I
ICH(CO2H)2 + H2O
oxidatie
reductie
HIO: reductor
CH2(CO2H)2: oxidator
De amberkleur is afkomstig van de vorming van dijood uitgaande van jodide-ionen.
-I
2 I- - 2e-
0
I2
oxidatie
De diepblauwe kleur is afkomstig van de binding van I- en I2 met zetmeel.
I- + I2 + zetmeel  diepblauwe kleur
VIII. Dankwoord
Dit werk kwam tot stand dankzij de begeleiding door Annie Wellens, lector, en Marie-Josée
Janssens, vakdidacticus.
7