La reazione di Landolt è dovuta al chimico svizzero Hans Heinrich Landolt che nel 1886 scoprì questa reazione oscillante allo iodio. La reazione di Landolt è una delle tante reazioni incredibili e inaspettate che destano stupore anche agli addetti ai lavori. Tra esse, oltre alla reazione di Landolt, vi sono, ad esempio, il serpente del Faraone, il giardino chimico, l’albero di Diana, il dentifricio dell’elefante, le caramelle che esplodono, l’eruzione vulcanica in laboratorio e le reazioni oscillanti.
La reazione di Landolt fa parte delle cosiddette reazioni chimiche dell’orologio ovvero una classe speciale di reazioni chimiche in cui si verificano cambiamenti periodici di colore e concentrazione in due o più componenti. Sebbene le reazioni dell’orologio siano fenomenologicamente simili alle classiche reazioni oscillanti in cui avviene un cambiamento nella sequenza di colori, la natura, il comportamento e il meccanismo dipendono dal substrato e dalle condizioni di reazione.
La reazione di Landolt, a parte l’effetto coreografico, è nota per il cambiamento di colore da incolore a blu, ed è spesso utilizzata nei corsi di chimica per lo studio della cinetica con cui avvengono le reazioni. Il cambiamento di colore si verifica quando lo iodio reagisce con la salda d’amido per formare un complesso iodio/amido blu scuro.
colori
La possibilità di registrare il momento in cui appare il complesso blu consente di determinare la velocità di reazione. Nella reazione di Landolt, la legge di velocità è determinata utilizzando il metodo delle velocità iniziali. L’effetto della concentrazione sulla velocità di questa reazione è determinato misurando la velocità di reazione iniziale a diverse concentrazioni di reagenti.
La reazione di Landolt coinvolge perossido di idrogeno e ioduro di potassio in presenza di un catalizzatore acido:
H2O2(aq) + 2 I–(aq) + 2 H+(aq) → 2 H2O(l) + I2(aq)
In presenza di salda d’amido lo iodio forma con essa un complesso blu scuro. Tuttavia, poiché lo scopo è quello di determinare la velocità iniziale della reazione, si deve cronometrare il tempo necessario per formare una quantità specifica di iodio. Per fare questo, viene aggiunta una quantità nota di tiosolfato di sodio.
Reazioni
La reazione di Landolt si presenta in diverse varianti ma, generalmente, in ognuna di esse si utilizza la salda d’amido che consente di osservare la formazione di un colore viola-nero alla fine della reazione. La reazione a cui si fa riferimento è l’ossidazione dello ione ioduro a iodio ad opera del persolfato che costituisce lo stadio lento della reazione:
2 I–(aq) + S2O82-(aq) → I2(aq) + 2 SO42-(aq)
La reazione è fatta in presenza di una quantità nota di ione tiosolfato S2O32- che reagisce rapidamente con lo iodio formato nella prima reazione per dare tetrationato e ioduro:
I2(aq) + 2 S2O32-(aq) → 2 I–(aq) + S4O62-(aq)
amido
Fin quando è presente lo ione tiosolfato esso reagisce con lo iodio. Questa reazione competitiva previene la reazione dello iodio con l’amido pertanto non si verifica alcuna variazione di colore. Quando il tiosolfato è stato consumato lo iodio prodotto nella prima reazione reagisce con la salda d’amido per dare un complesso blu con lo iodio.
La comparsa del complesso blu intenso indica che è stato prodotto abbastanza iodio e che tutto il tiosolfato è stato consumato. Si può pertanto calcolare la concentrazione di iodio prodotto dalla prima reazione e, considerando il rapporto stechiometrico si ha che: [I2] = [S2O32-]/2
Metodica
Per la reazione di Landolt occorre preparare:
Una soluzione detta soluzione A:
A-1: 0.50 M di ioduro di potassio (15 mL)
A-2: 0.028 M di tiosolfato di sodio pentaidrato. Poiché ne occorrono 250 mL servono 1.74 g di Na2S2O3· 5 H2O
A-3: 1 % di salda d’amido ottenuta solubilizzando 1 g di salda d’amido in 100 mL di acqua
Una soluzione detta soluzione B preparata di fresco:
2.0 M di acido solforico (100 mL)
3 % acqua ossigenata (100 mL)
Per gli studi cinetici, al fine di determinare la velocità della reazione e l’ordine di reazione, si fanno reagire volumi uguali della soluzione A-2, della soluzione A-3 e di acido solforico con volumi variabili della soluzione A-1.
Tutti i reagenti sono mescolati in una beuta in vetro mediante agitazione magnetica ad eccezione del perossido di idrogeno che è aggiunto per ultimo in modo da innescare la reazione.
Velocità della reazione di Landolt
Conoscendo la concentrazione iniziale dello ione tiosolfato che deve essere la stessa in ogni esperimento, e ricordando che viene completamente consumata quando cambia il colore della soluzione, allora la metà della quantità di iodio è stata consumata anche nella seconda reazione.
Ciò significa che la variazione nella concentrazione dello iodio è uguale a metà della concentrazione iniziale dello ione tiosolfato e rimane costante durante tutti gli esperimenti in quanto la stessa quantità di iodio viene prodotta in ogni esperimento al momento del cambio di colore.
Tuttavia occorrono tempi diversi perché ciò avvenga, poiché il tempo in cui si verifica la variazione del colore dipende dalle condizioni di reazione ovvero concentrazione dei reagenti e temperatura.
Misurando il tempo t in cui si verifica la variazione di colore la velocità della prima reazione è data da: Δ[I2]/ t
Prospettive future
I fenomeni biochimici non lineari e periodici sono diffusi nei sistemi viventi e sono necessari per regolare e mantenere processi vitali come i ritmi circadiani, i cicli ormonali e l’omeostasi, nonché per far crescere le strutture.
La progettazione di sistemi di autoassemblaggio dissipativi artificiali è un modo per imitare questi processi biochimici naturali e, in quanto tale, è uno dei campi di ricerca più attraenti e stimolanti nella scienza dei materiali contemporanea
La reazione di Landolt, sebbene risalga a oltre un secolo, può essere utilizzata per scopi futuri in particolare per la programmazione temporale dell’assemblaggio supramolecolare e nella transizione sol-gel. Le reazioni chimiche dell’orologio possono essere suddivise tra quelle che impoveriscono il substrato come la reazione di Landolt, quelle guidate dall’autocatalisi come la reazione iodato–tiocianato e pseudo-orologi come la reazione clorito-ioduro.
Oltre alla sua indiscutibile rilevanza nel campo della cinetica chimica stessa, nello sviluppo di test analitici e per dimostrazioni divulgative le reazioni dell’orologio e i sistemi chimici oscillanti in generale hanno ampie potenzialità per applicazioni nella scienza dei materiali.
