Kjemi tar tid

Det er ikke overraskende at kjemiske reaksjoner tar tid. En reaksjon finner bare sted når minstedelene i stoffene som deltar i reaksjonen, støter sammen. Minstedelene kan være atomer, ioner eller molekyler. Hvor fort partiklene beveger seg i en gass eller i en væske, avhenger av temperaturen. Dess høyere temperatur, dess flere sammenstøt blir det per tidsenhet, og da går reaksjonen fortere.

Fra karbondioksid til hydrogenkarbonat

Når vann blir tilsatt karbondioksid i overskudd, blir det surt – fordi det blir dannet litt karbonsyre, H₂CO₃ (aq), i vannet. Hvis vi tilsetter syrebaseindikatoren BTB, kan vi se at løsningen har blitt sur, fordi den blir gul. Når den sure løsningen blir tilsatt natronlut, NaOH (aq), vil OH^--ionene nøytralisere karbonsyren som er i løsningen. Løsningen blir blå, fordi den blir basisk. Deretter blir løsningen gul igjen av seg selv. Det er fordi det blir dannet ny karbonsyre fra karbondioksidgassen som er løst i vannet, og løsningen har på nytt blitt sur. Konklusjonen er at karbonsyren nøytraliseres raskt når vi tilsetter OH^--ioner, mens overgangen fra CO₂ (aq) til H₂CO₃ (aq) tar tid. I film 1 kan du se at vi gjentar denne prosessen flere ganger.

Kullsyreholdig vann med BTB blir blått ved tilsetting av natronlut.

BTB i sur, nøytral og basisk løsning (fra venstre mot høyre).

Jodklokken

Jodklokken er et populært innslag i kjemiske knallforelesninger. Det var den sveitsiske kjemikeren Hans Heinrich Landholt (1831–1910) som oppdaget jodklokken for 130 år siden. Jodklokken kan oppfattes som en redokstitrering hvor hydrogensulfitt reagerer med jodat, og trijodid i stivelse fungerer som indikator for når reaksjonen er ferdig.

I den varianten av reaksjonen vi viser i film 2 skjer det flere reaksjoner i begerglasset:

1. I den første, langsomme reaksjonen reduseres jodat (IO₃^-) til jodid (I^-) av hydrogensulfitt (HSO₃^-) som oksideres til sulfat: IO₃^-(aq) + 3HSO₃^-(aq) + 3H₂O(l) → I^-(aq) + 3SO₄^2-(aq) + 3H₃O⁺(aq)
2. I den andre reaksjonen fjernes jodidet ved at det reagerer raskt med jodat til trijodid (I₃^-): IO₃^-(aq) + 8I^-(aq) + 6H₃O⁺(aq) → 3I₃^-(aq) + 9H₂O(l)
3. I den tredje reaksjonen oksideres trijodidet raskt til jodid av hydrogensulfitt (HSO₃^-): I₃^-(aq) + HSO₃^-(aq) + H₂O(l) → 3I^-(aq) + SO₄^2-(aq) + H₃O⁺(aq)
4. Når all hydrogensulfitt er brukt opp, øker mengden av trijodid raskt i løsningen og danner et blått kompleks med stivelse: I₃^-(aq) + stivelse ↔ stivelse-I₃^--kompleks

Det er mengden hydrogensulfitt (HSO₃^-) som bestemmer tiden det tar før fargeomslaget kommer. Mengden hydrogensulfitt må være målt nøyaktig opp på forhånd, slik at læreren vet når omslaget kommer. Reaksjonstiden er avhengig av temperaturen til løsningene. Hvis vi vil vite nøyaktig når reaksjonen skjer, må vi passe på å holde temperaturen i løsningene konstant. Det kan vi for eksempel gjøre ved at alle løsningene vi skal bruke oppbevares i rommet en tid før forsøket.

Fargeomslaget er beregnet til å komme etter 29 sekunder.

Oscillerende reaksjoner

I alle kjemiske reaksjoner avtar konsentrasjonen av utgangsstoffene, mens konsentrasjonen av sluttproduktene øker med tiden. En oscillerende reaksjon er en kjemisk reaksjon som har ett eller flere mellomprodukter. Konsentrasjonen av mellomproduktene stiger og synker mens reaksjonen går. Vi sier at reaksjonen oscillerer. Hvis mellomproduktene har farge, blir konsentrasjonsendringene av disse synlige.

Oscillerende reaksjoner ble oppdaget allerede i 1920-årene, men fikk først oppmerksomhet i 1950-årene da russeren Boris Belousov (1893–1970) beskrev dem nærmere. Anatol Zhabotinsky (1938–2008) satte opp en reaksjonsmekanisme for reaksjonen noen år senere, og reaksjonen fikk derfor navnet Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen (BZ-reaksjonen).

Film 2 viser en variant som kalles Briggs-Rauscher-reaksjonen. Reaksjonen starter når vi blander tre løsninger. De tre løsningene er kaliumjodat tilsatt litt svovelsyre, stivelsesløsning tilsatt både malonsyre (CH(COOH)₂) og mangan(II)-ioner og en 10 %-løsning av hydrogenperoksid. Løsningen svinger mellom å være fargeløs, brunfarget og blåfarget. Kjemien er komplisert, så vi går ikke nærmere inn på den her.

Bildene viser seks stadier av Brigbs-Rauscher-reaksjonen som her oscillerer med en «rundetid» på ca. 12 sekunder. Over hvert begerglass er tiden fra start angitt i sekunder.

Antioksidanter i fruktsafter

Vi kan bruke kunnskap om reaksjonsfart til å undersøke C-vitamininnholdet i ulike fruktsafter. C-vitamin er et annet navn for askorbinsyre. Askorbinsyre virker som en antioksidant fordi den kan redusere andre stoffer. Jo mer askorbinsyre det er i en fruktsaft, jo lenger tid tar reaksjonen. Fordi oksidering av askorbinsyre tar tid, blir denne reaksjonen i prinsippet det samme som jodklokken.

Vi kan undersøke hvor mye askorbinsyre det er i ulike fruktsafter ved å tilsette trijodidløsning og deretter litt stivelsesløsning til en fruktsaft. Fordi askorbinsyren reduserer trijodid (I₃^-) til jodid (I^-), blir ikke løsningen blåfarget. Hydrogenperoksid (H₂O₂) kan oksidere askorbinsyre. Hvis vi tilsetter litt hydrogenperoksid til blandingen med fruktsaft, kommer trijodid tilbake og løsningen blir blåfarget. Det er fordi hydrogenperoksid først oksiderer askorbinsyren og deretter oksiderer jodid til trijodid. Trijodid og stivelse danner et blåfarget kompleksmolekyl. I film 3 undersøker vi flere fruktsafter. Filmen viser at det tar lengst tid for saften fra paprika å bli blå. Det betyr at paprika må inneholde mye mer C-vitamin enn de andre fruktene vi undersøker.

Juice fra ulike frukter inneholder ulik mengde askorbinsyre. Vi kan se at blåfargen kommer tilbake i ulik hastighet.