Reacción del reloj de yodo

La reacción del reloj de yodo , a veces llamada reacción de Landolt , es un experimento clásico de reloj químico que se realiza como un mecanismo para demostrar la cinética química en acción. ^{[ 1 ]} Fue observada por primera vez por Hans Heinrich Landolt en 1886. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} La reacción del reloj de yodo existe en varias variaciones, que involucran especies de yodo (ión yoduro , yodo libre o ión yodato ) y reactivos redox en presencia de almidón . Se mezclan dos soluciones incoloras y al principio no hay reacción visible. Después de un breve lapso de tiempo, el líquido se vuelve repentinamente de un tono azul oscuro debido a la formación de un complejo triyoduro-almidón . En algunas variaciones, la solución ciclará repetidamente de incolora a azul y de nuevo a incolora, hasta que se agoten los reactivos .

Este método comienza con una solución de peróxido de hidrógeno y ácido sulfúrico . A esta se le añade una solución que contiene yoduro de potasio , tiosulfato de sodio y almidón . En la solución se producen dos reacciones simultáneamente.

En la primera reacción, lenta, se produce yodo:

H₂O₂ + ₂ I⁻ ⁺ 2 H⁺ ^→ I₂ + ₂ H₂O_​​​_​​

En la segunda reacción, rápida, el tiosulfato reconvierte el yodo en dos iones yoduro:

2 S ₂ O ₃ ^2– + I ₂ → S ₄ O ₆ ^2– + 2 I ⁻

Al cabo de un tiempo, la solución cambia de color a un azul muy oscuro, casi negro.

H ₂ O ₂ e I ⁻ son ambos de primer orden. H ⁺ es más complicado.

Al mezclar las soluciones, la segunda reacción provoca que el yodo se consuma mucho más rápido de lo que se genera, y solo una pequeña cantidad de yodo permanece en equilibrio dinámico . Una vez agotado el ion tiosulfato, esta reacción se detiene y aparece el color azul causado por el complejo yodo - almidón .

Cualquier cosa que acelere la primera reacción acortará el tiempo hasta que la solución cambie de color. Disminuir el pH (aumentar H ⁺Si se aumenta la concentración de yoduro o peróxido de hidrógeno, se acortará el tiempo. Si se añade más tiosulfato, el efecto será el contrario: tardará más en aparecer el color azul.

Además de utilizar tiosulfato de sodio como sustrato, también se puede utilizar cisteína . ^{[ 4 ]}

En la primera reacción, el yoduro procedente del yoduro de potasio se convierte en yodo:

2 I ⁻ + 2 H ⁺ + H ₂ O ₂ → I ₂ + 2 H ₂ O

El yodo producido en la primera reacción se reduce de nuevo a yoduro por acción del agente reductor , la cisteína. Al mismo tiempo, la cisteína se oxida a cistina .

2 C ₃ H ₇ NO ₂ S + I ₂ → C ₆ H ₁₂ N ₂ O ₄ S ₂ + 2 I ⁻ + 2 H ⁺

Al igual que en el caso del tiosulfato, el color azul aparece cuando se agota la cisteína.

Un protocolo alternativo utiliza una solución de ion yodato (como yodato de potasio ), a la que se añade una solución acidificada (de nuevo con ácido sulfúrico ) de bisulfito de sodio . ^{[ 5 ]}

En este protocolo, el ion yoduro se genera mediante la siguiente reacción lenta entre el yodato y el bisulfito:

IO − 3 + 3 HSO − 3 → I ⁻ + 3 HSO − 4

Este primer paso es el que determina la velocidad de reacción . A continuación, el yodato en exceso oxidará el yoduro generado anteriormente para formar yodo:

IO − 3 + 5 Yo ⁻ + 6 H ⁺ → 3 Yo ₂ + 3 H ₂ O

Sin embargo, el yodo se reduce inmediatamente a yoduro por acción del bisulfito:

I ₂ + HSO − 3 + H ₂ O → 2 I ⁻ + HSO − 4 + 2 H ⁺

Cuando el bisulfito se consume por completo, el yodo sobrevive (lo que significa que ya no es reducido por el bisulfito) para formar el complejo azul oscuro con el almidón.

El video sobre la variación de la reacción del reloj de yodo con persulfato es cortesía de Sam Snook. Esta reacción utiliza persulfato de sodio , potasio o amonio para oxidar los iones yoduro a yodo . El tiosulfato de sodio se utiliza para reducir el yodo nuevamente a yoduro antes de que este pueda formar un complejo con el almidón y generar el característico color azul oscuro.

El yodo se genera:

2 I ⁻ + S ₂ O 2− 8 → I ₂ + 2 SO 2− 4

Y luego se elimina:

I ₂ + 2 S ₂ O 2− 3 → 2 I ⁻ + S ₄ O 2− 6

Una vez consumido todo el tiosulfato, el yodo puede formar un complejo con el almidón. El persulfato de potasio es menos soluble (véase el sitio web de Salters), mientras que el persulfato de amonio tiene mayor solubilidad y se utiliza en su lugar en la reacción descrita en los ejemplos de la Universidad de Oxford . ^{[ 6 ]}

También se ha establecido una secuencia experimental de reloj de yodo para un sistema compuesto de yodo, yoduro de potasio , clorato de sodio y ácido perclórico , que tiene lugar a través de las siguientes reacciones. ^{[ 7 ]}

El triyoduro está presente en equilibrio con el anión yoduro y el yodo molecular :

I − 3 ⇌ I ₂ + I ⁻

El ion clorato oxida el ion yoduro a ácido hipoyodoso y ácido cloroso en la etapa lenta y determinante de la velocidad de reacción :

ClO − 3 + I ⁻ + 2 H ⁺ → HOI + HClO ₂

El consumo de clorato se acelera por la reacción del ácido hipoyodoso a ácido yodoso y más ácido cloroso:

ClO − 3 + HOI + H ⁺ → HIO ₂ + HClO ₂

Se produce una mayor autocatálisis cuando el ácido yodado recién generado también convierte el clorato en la etapa de reacción más rápida:

ClO − 3 + HIO ₂ → IO − 3 + HClO ₂

En este reloj, el período de inducción es el tiempo que tarda en iniciarse el proceso autocatalítico, tras el cual la concentración de yodo libre disminuye rápidamente, como se observa mediante espectroscopia UV-visible .

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