• 教材や実験の開発情報

ヨウ素酸カリウムと亜硫酸水素ナトリウムの反応。複雑な反応を経るため、ヨウ素デンプン反応の呈色が見られるまでに一定の時間を要するというものです。反応物の濃度を調整することで反応時間を予測したり、逆に反応時間から濃度を推定することもできます。

「動 画」楽しい演示実験_時計に見立てて時間をコントロール!:VCP

どこか海外の学生がトライしている映像を見たことがあって、それを再現してみました。時計の0時からスタートして、亜硫酸水素イオン [HSO3] = 0.40 mol/Lを20 mLを1時間ごと水4 mLで薄めていって、反応速度を落としています。なお、ヨウ素酸イオン IO3 の方は、0.08 mol/L・20 mLで固定です。

「動 画」反応が観察できるまでをカウントダウン!

「動 画」実験操作解説編_学生実験


「実験タイトル」ゆっくり進行する「時計反応」

「キーワード」反応速度 酸化還元 化学平衡 振動反応

「注意事項」

1.  B液を加える操作は、同時に行う人数が必要だが、人手が足りない場合は、時間をずらして加えて、補正すると良い。また、振り混ぜ方も可能な限り条件をそろえること。

2.  B液に可溶性デンプンを溶かすために温める場合は、いったん室温に戻し、A液と同温にする。

「解 説」

1.  複雑な酸化還元反応:一定時間をおいて劇的に色の変化が見られることで知られる反応ですが、起こっている化学変化は実に複雑です。化学反応としては…

2KIO3 + 5NaHSO3 3NaHSO4 + Na2SO4 + K2SO4 + I2 + H2O

ただし、酸化還元反応としては、次の3つの反応が同時に起こっています。

IO3+ 3HSO3I+ 3SO42- + 3H+…①

(+5)       (+4)      (-1)    (+6)

5I+ IO3+ 6H+ 3I2 + 3H2O…②

(-1)   (+5)                (0)

I2 + HSO3+ H2O 2I+ SO42- + 3H+ …③

(0)  (+4)               (-1)   (+6)

まず、亜硫酸水素イオン HSO3 がヨウ素酸イオン IO3 を還元してヨウ化物イオン I が生成(①)。同時に、まだ反応していないヨウ素酸イオン IO3 がヨウ化物イオン I を酸化してヨウ素 I2 を生成(②)する反応が起こります。ここで、生成したヨウ素 I2 がデンプンと呈色反応するかと思いきや、残っている亜硫酸水素イオン HSO3 がせっかく生成してきたヨウ素 I2 まで還元(③)してしまうという、ややこしい反応が同時に進行しているのです。結局、亜硫酸水素イオン HSO3 がすべて消費されてヨウ素デンプン反応が見られるまで、一定の時間を要するというメカニズムです。

2.  時計反応:[HSO3]を低く調整すると、ヨウ素デンプン反応による紫色の呈色が視認できるまで、一定の時間を要するようになります。[HSO3]が反応全体の速度に大きく影響する律速段階に関わっているのです。そこで、ヨウ素デンプン反応が視認できるまでの時間と[HSO3]との相関を求め、その反応速度をv、反応速度定数kとおくと、反応速度式は次の通り…

v=k[HSO3]

このように、ゆっくりした反応を視覚的に確認できる反応を、時計反応と呼ぶことがあります。通常、化学反応は、反応に関わる物質の濃度が高くなれば、反応速度が大きくなります。この実験の化学変化は、イオンの反応としては複雑ですが、亜硫酸水素イオンの濃度[HSO3]と色の変化までの時間の逆数〔/s〕(速度)をグラフ化してみると見事な相関が見られます。亜硫酸水素ナトリウムの濃度が、全体の反応を律すると考えて良いわけです。



◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対(!)にしないで下さい。詳細は、次の3書(管理者の単著作物)でも扱っているものが多いので参考にして下さい。




コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。