A reakciósebesség mérése
Az utolsó oldalon azt találtuk, hogy a kémiai reakció sebességét három fontos tényező befolyásolja: a kiindulási anyagok koncentrációja, a kiindulási anyagok megoszlási foka és a hőmérséklet. Minél nagyobb a reagens koncentrációja, annál nagyobb az osztódás foka, és minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a reakció sebessége.
Ezen az oldalon azzal a kérdéssel akarunk foglalkozni, hogy miként lehet pontosan mérni a reakció sebességét. Két folyamat játszik fontos szerepet az iskolai kémiában, a volumetrikus és a gravimetrikus mérésekben.
A reakciósebesség volumetrikus mérése
Amikor a cink reagál a sósavval, azt láttuk, hogy a reakció sebessége nő a sósav koncentrációjával. Kétszer tömény sósavval a reakciónak nagyjából kétszer olyan gyorsan kell végbemennie. De vajon ez is igaz? Ennek a kérdésnek az ellenőrzéséhez kvantitatív módon meg kell mérni a reakció sebességét, vagyis pontos számokban kell kifejezni.
A térfogatmérés módszere a reakció során képződött gáz térfogatának mérésén alapul. A sósav és a cink reakciója hidrogéngázt eredményez. A reakció során keletkező hidrogén térfogata pontosan mérhető gázfecskendővel. Ehhez vegye figyelembe a következő ábrát:
A keletkező hidrogén kifelé nyomja a gázfecskendő dugattyúját, és a mérleg segítségével leolvashatja, hogy pontosan hány ml H2 gáz keletkezett egy adott időpontban.
A használt dugattyúfecskendőnek nagyon könnyen mozgathatónak kell lennie, hogy a kiáramló hidrogén kifelé tolja a dugattyút. Ha kézzel tartja a dugattyú mintavevőjét függőlegesen lefelé, akkor a dugattyúnak simán ki kell csúsznia a dugattyú mintavevőből. Ezután elkaphatja a másik kezével.
Másrészt a dugattyú nem ülhet túl lazán a dugattyú mintavevőjében. Ha az ábrán látható módon állítja be a kísérletet - kihúzott dugattyúval -, akkor nem kell képesnek arra, hogy egyszerűen benyomja a dugattyút a gázfecskendőbe. Ha ez sikerül, a dugattyú túl laza. A kísérlet során a hidrogén a lombik mellett kifelé távozhat, és a képződött gáz térfogatának csak egy részét méri.
A tényleges kísérlet végrehajtásakor a dugattyút természetesen egészen a dugattyúra kell tolni.
Ebben a kísérletben előfordulhat, hogy túl sok sósavat használ. A reakció ezután nagyon gyorsan folytatódik, és a gázfecskendő néhány másodperc alatt teljesen megtelik gázzal. Természetesen a diákok okostelefonjukkal filmezhetik a dugattyús fecskendőt, majd másodpercről másodpercre elemezhetik a videót.
Idézzük fel újra a reakcióegyenletet:
Egy hidrogénmolekula előállításához két sósavmolekula szükséges. Tegyük fel, hogy egy gázfecskendő térfogata 100 ml, szobahőmérsékleten a hidrogén moláris térfogata 22,4135 liter [1] és 22,2469 liter [2] között van. A két szám közötti átlagérték valahol 22,3 liter körül van, és ezzel csak számolni fogunk.
Tehát a gáz 1 mmol térfogata 22,3 ml, és ha a gázfecskendő 100 ml-ét elosztjuk ezzel az értékkel, 4,48 mmol hidrogént kapunk. Ennek a 4,48 mmol H2-nek a előállításához 8,96 mmol HCl-re van szükség. Ha 1 molos sósavat használunk, akkor ez az anyagmennyiség pontosan 8,96 ml sósavban van. Mivel valószínűleg ezt egy tanuló sem tudja pontosan megmérni, és valószínűleg egy tanuló sem, pontosan 9 ml-t használunk. Ha ez akkor 10 ml, az sem rossz.
A kísérlet során nem kell lemérnünk a cinket, amíg egyértelmű felesleg van.
2011 májusában forgattam a kísérletet, és részletesen rögzíthettem a hidrogéntartalom növekedését a gázfecskendőben. A kész filmet ezután gondosan elemezték; A mért értékeket minden másodpercben leolvastuk, és bevezettük egy táblázatba (Excel). Itt van a mért értékek grafikus ábrázolása:
Nagyon jól láthatja a telítettségi görbét; Idővel egyre kevesebb hidrogén termelődik másodpercenként.
Ha most ábrázolja a különbségeket (matematikailag a telítettségi görbe első deriváltja), akkor a következő grafikont kapja:
Ez a grafikon azt mutatja, hogy kezdetben sok hidrogén termelődik másodpercenként, de az idő múlásával a hidrogéntermelés időegységenként csökken. A görbe nem mutat mást, csak a reakciósebesség csökkenését. Ebben a példában a reakció 16 másodperc után fejeződik be.
A vR reakciósebesség a reakciótermék időegységben (percben vagy másodpercben) képződött anyagmennyiségének mértéke.
Mint könnyen láthatja, a reakció sebessége egyre inkább csökken, a végén megközelíti a nullát. Ez is logikus: a reakció során egyre több sósav fogy, míg végül semmi sem marad. Ha pedig nincs több HCl az Erlenmeyer-lombikban, hidrogén sem képződhet - a H2 képződés reakciósebessége akkor nulla.
A reakciósebesség gravimetrikus mérése
A reakciósebesség mérésének teljesen más módszere kihasználja azt a tényt, hogy a reakció során kilépő gáznak bizonyos tömege van. Azok a reakciók, amelyekben hidrogén szabadul fel, nem alkalmasak erre a folyamatra, mivel a hidrogéngáz nagyon alacsony tömegű (2 g/mol). Ez a módszer alkalmas olyan reakciókra, amelyekben szén-dioxid szabadul fel. 44 g/mol mennyiségben a CO2 lényegesen nagyobb tömegű.
végrehajtás
Egy olyan reakcióhoz, amelyben hidrogén szabadul fel, nagyon érzékeny skálára van szükség, a szén-dioxidot termelő reakciókhoz elegendő egy normál, 0,1 g pontosságú tanulói skála. Ebben a kísérletben a sósav (vagy ecetsav) reakcióját kalcium-karbonáttal kell megvizsgálni.
Helyezze az Erlenmeyer-lombikot (lehetőleg széles nyakkal) vagy a főzőpoharat a mérlegre, tegye a pontosan mért savat az edénybe, és állítsa nullára a mérleget (taring funkció). Ezután a kalcium-karbonátot (feleslegben!) A lehető leggyorsabban hozzáadjuk a savhoz, és a skálán megjelenő képet lefilmezzük. A reakció befejezése után a videót kiértékeljük.
értékelés
Ha a kísérlet a tervek szerint halad, akkor a mérleg megjelenítésének egyre kevesebb súlyt vagy tömeget kell mutatnia. A másodpercenként mért tömeg csökkenésének a reakció kezdetén nagyon nagynak kell lennie, és a reakció során egyre kisebbnek kell lennie.
A súlycsökkenéssel ezután kiszámítható a másodpercenként keletkező szén-dioxid tömege, és ebből viszont a lombikban még jelen lévő sósav mennyisége. N (HCl) -ből c (HCl) az idő függvényében kiszámítható és grafikusan ábrázolható.
A reakciósebesség mérésének egyéb módszerei
A volumetrikus és a gravimetrikus módszerek mellett vannak más módszerek is a reakciósebesség mérésére.
Színezéket előállító reakciók módszerei
Ha a kémiai reakció során festék keletkezik termékként, akkor ennek a festéknek a koncentrációja fotométerrel mérhető. Ez lényegében egy eszköz, amely meghatározza, hogy mennyi fény "áthalad" a festék mintáján. Egy ilyen fotométer egy fényforrásból, egy mintatárolóból és egy fényérzékelőből áll. Ha a mintatartályban a festékkoncentráció magas, akkor a fénynek csak egy kis részét engedik át. Másrészt, ha a festék koncentrációja kicsi, akkor sok fény továbbítódik. Ha egy ilyen fotométer automatikus felvevőhöz vagy számítógéphez van csatlakoztatva, a festék koncentrációjának változása a reakció során folyamatosan rögzíthető.
Módszerek olyan reakciókhoz, amelyekben a színezékeket színtelenítik
Ha a kémiai reakció kiindulási anyaga egy festék, és ez a festék elszíneződik a reakció során, akkor a kiindulási anyag csökkenő koncentrációja fotométerrel követhető.
De itt is könnyebb. Megállíthatja például azt az időt, amelyre a festék teljesen elszíneződik. Azonban akkor biztosan nem kap pillanatnyi sebességet, hanem csak nagyon durva értéket ad az átlagos sebességre az időintervallumban. Ha így szeretné meghatározni a reakciósebesség koncentrációfüggését, akkor több párhuzamos kísérletet kell végrehajtania, különböző kiindulási koncentrációkkal.
Ennek a folyamatnak egy érdekes változatát említik egyes iskolai könyvek, például Schroedel-Verlag "Chemistry Today". Az ismert koncentrációjú tioszulfát-oldatot 1 molos sósavval elegyítjük, és az Erlenmeyer-lombikot egy fehér papírlapra helyezzük, amelyre előzőleg fekete keresztet rajzoltunk. Ezután megméri azt az időt, amely eltelt, mire már nem látja a keresztet, amikor felülről az Erlenmeyer-lombikba néz. Minél töményebb a sósav- vagy tioszulfát-oldat, annál gyorsabb a reakció.
Módszerek olyan reakciókhoz, amelyekben savat/bázist képeznek vagy fogyasztanak
Ha a reakció során sav keletkezik, a protonkoncentráció a reakció során növekszik. A legegyszerűbb esetben egy univerzális indikátort adunk a reakcióelegyhez, és a színváltozásokat szabad szemmel, videokamerával vagy fotométerrel követjük.
Ha ez bármilyen okból nem lehetséges, akkor bizonyos időközönként kis mintákat is vehet a reakcióelegyből, majd meghatározhatja azok pH-értékét, hogy információkat szerezzen a jelenleg uralkodó protonkoncentrációról. Van azonban probléma ezzel a módszerrel: a reakció a mintákban folytatódik, ha nem teszünk semmit (gyors lehűlés, inhibitor hozzáadása stb.).
Ha savat fogyasztanak a reakcióban, akkor ugyanúgy járhat el. Ugyanez vonatkozik arra is, ha a reakció során lúg keletkezik vagy elfogyasztásra kerül.
Egy jól ismert iskolai kísérlet, amelyben ezt a folyamatot alkalmazzák, az ecetsav etanollal történő észterezése etil-acetát előállítására. A reakció nagyon lassan halad, amíg a kémiai egyensúly meg nem jön, néha órákig. 10 vagy 15 percenként egy kis mintát veszünk a reakció lombikból, majd 1 mólos NaOH-oldattal titráljuk, hogy meghatározzuk a savkoncentrációt a reakció lombikban a t időpontban.
Jelenlegi kémiai tanfolyamomon (2019. január) a sósav és cink reakcióját vizsgáltuk ily módon. A pH-érték folyamatos mérésével végzett módszer (indikátort nem használtunk, de pH-mérőt használtunk) nagyon jól sikerült.
Módszerek azokra a reakciókra, amelyekben ionok keletkeznek vagy elfogynak
Ha ionok keletkeznek a reakció során, vagy ha ionok fogyasztódnak, lehetséges lehet a kiindulási anyagok vagy termékek koncentrációjának monitorozása az elektromos vezetőképesség megváltoztatásával. Ehhez azonban ismerni kell az egyes típusú ionok pontos hozzájárulását az oldat teljes vezetőképességéhez. A protonok vezetőképessége például sokkal nagyobb, mint a szulfátionoké, mert kisebbek és mozgékonyabbak.
- internetchemie.info/chemie-lexikon/daten/m/molvolume.php
- Römpp Chemie-Lexikon, 9. kiadás, 1992
Itt megtudhatja, hogyan lehet kvantitatív módon meghatározni a kémiai reakció sebességét egyszerű iskolai felszerelésekkel.
2007.12.05: Az oldal elkészült
2011.06.03: Az oldal átalakítása, módosítása és kiegészítése
2015.03.21 .: Az oldal az 1. tartalom mezőbe integrálva
2016. január 10 .: Újratervezett oldal a HTML 5-ben