Мерење на брзината на реакција
На последната страница откривме дека брзината на хемиската реакција е под влијание на три важни фактори: концентрацијата на едукциите, степенот на поделба на установите и температурата. Колку е поголема концентрацијата на реактантот, толку е поголем степенот на поделба, и колку е поголема температурата, толку е поголема брзината на реакција.
На оваа страница сакаме да се справиме со прашањето како може точно да се измери брзината на реакцијата. Два процеси играат важна улога во училишната хемија, волуметриското и гравиметриското мерење.
Волуметриско мерење на брзината на реакција
Кога цинкот реагира со хлороводородна киселина, видовме дека стапката на реакција се зголемува со концентрацијата на хлороводородна киселина. Со двојно концентрирана хлороводородна киселина, реакцијата треба да се одвива приближно двојно побрзо. Но, дали е тоа исто така точно? За да се провери ова прашање, треба квантитативно да се измери брзината на реакцијата, т.е. да се изрази во точни броеви.
Методот на волуметриско мерење се базира на мерење на волуменот на гас формиран за време на реакцијата. Реакцијата помеѓу хлороводородна киселина и цинк произведува гас водород. Волуменот на водород произведен за време на реакцијата може да се измери прецизно со шприц за гас. За да го направите ова, разгледајте ја следнава слика:
Добиениот водород го турка клипот на шприцот за гас кон надвор, и со помош на скалата можете да прочитате точно колку мл гас H2 вкупно се формирани во даден момент.
Користениот клип шприц мора да биде лесен за движење, така што водородот што избега може да го турка клипот нанадвор. Ако со раката го држите примерокот на клипот вертикално надолу, клипот мора да се лизне непречено од примерокот на клипот. Потоа можете да го фатите со другата рака.
Од друга страна, клипот не смее да седи премногу лабаво во примерокот на клипот. Ако го поставите експериментот, како што е прикажано на илустрацијата - со клипот изваден - не смеете да можете едноставно да го турнете клипот во шприцот за гас. Ако ова успее, клипот е премногу лабав. За време на експериментот, водородот може да излезе кон минатото колбата и да се измери само дел од формираниот волумен на гас.
При изведување на вистинскиот експеримент, клипот секако мора да се турка во клипот.
Во овој обид може да се случи да користите премногу хлороводородна киселина. Реакцијата потоа се одвива многу брзо и шприцот за гас е целосно исполнет со гас за неколку секунди. Се разбира, студентите можат да го снимаат клипниот шприц со својот паметен телефон, а потоа да го анализираат видеото од секунда во секунда.
Да се потсетиме на равенката на реакција повторно:
За да се произведе една молекула на водород, потребни се две молекули на хлороводородна киселина. Да претпоставиме дека шприцот за гас има волумен од 100 ml. На собна температура, водородот има моларен волумен помеѓу 22.4135 литри [1] и 22.2469 литри [2]. Средната вредност помеѓу овие две цифри е некаде околу 22,3 литри, и ние само ќе сметаме на тоа.
Значи, 1 mmol од гасот има волумен од 22,3 ml, и ако ги поделиме 100 ml од шприцот за гас со оваа вредност, ќе добиеме 4,48 mmol водород. За да се генерира овој 4,48 mmol H2, потребни се 8,96 mmol HCl. Ако користиме 1 моларна хлороводородна киселина, оваа количина на супстанција е содржана во точно 8,96 ml HCl. Бидејќи веројатно ниту еден студент не може да го измери ова толку прецизно и веројатно ниту еден студент, ние користиме точно 9 ml. Ако е тогаш 10 ml, ниту тоа не е лошо.
Не мора да го мериме цинкот во експериментот сè додека има јасен вишок.
Јас го снимив експериментот во мај 2011 година и можев детално да го забележам зголемувањето на волуменот на водород во шприцот за гас. Готовиот филм потоа беше внимателно анализиран; Измерените вредности се читаа секоја целосна секунда и се внесуваа во табеларна пресметка (Excel). Еве ја графичката претстава за измерените вредности:
Можете да ја видите кривата на сатурација многу убаво; Со текот на времето, се помалку и помалку водород се произведува во секунда.
Ако сега ги претставувате разликите (математички првиот дериват на кривата на сатурација), ќе го добиете следниот графикон:
Овој графикон покажува дека на почетокот се произведува многу водород во секунда, но со текот на времето се намалува производството на водород по единица време. Кривата не покажува ништо друго освен намалување на брзината на реакција. Во овој пример, реакцијата завршува по 16 секунди.
Стапката на реакција vR е мерка за количината на супстанција на производот за реакција произведен по единица време (минута или секунда).
Како што лесно можете да видите, брзината на реакцијата се повеќе се намалува, на крајот се приближува до нула. Тоа е исто така логично: се повеќе и повеќе хлороводородна киселина се троши во текот на реакцијата, сè додека конечно не остане ништо. И ако нема повеќе HCl во колбата Ерленмаер, не може да се формира ниту водород - стапката на реакција на формирање H2 е нула.
Гравиметриско мерење на брзината на реакција
Сосема различен метод за мерење на брзината на реакција го искористува фактот дека гасот што излегува за време на реакцијата има одредена маса. Реакциите во кои се ослободува водород не се добро прилагодени за овој процес, бидејќи водородниот гас има многу мала маса (2 g/mol). Овој метод е погоден за реакции во кои се ослободува јаглерод диоксид. Со 44 g/mol, СО2 има значително поголема маса.
извршување
За реакција во која се ослободува водород, потребна ви е многу чувствителна скала, за реакции што произведуваат јаглерод диоксид, доволно е нормална студентска скала, која тежи до точност од 0,1 g. Во овој експеримент, треба да се испита реакцијата на хлороводородна киселина (или оцетна киселина) со калциум карбонат.
Ставете ја колбата Ерленмаер (по можност со широк врат) или чашата на вагата, ставете ја точно измерената киселина во садот и поставете ги скалите на нула (функција за тарирање). Калциум карбонатот (вишок!) Потоа се додава во киселината што е можно побрзо и се снима екранот на скалата. По завршувањето на реакцијата, видеото се оценува.
евалуација
Доколку експериментот се одвива според планираното, прикажувањето на рамнотежата треба да покажува се помалку тежина или маса. Намалувањето на масата во секунда треба да биде многу големо на почетокот на реакцијата и треба да се намали во текот на реакцијата.
Потоа, слабеењето може да се искористи за да се пресмета произведената маса на јаглерод диоксид во секунда, а од тоа, пак, количината на хлороводородна киселина сè уште присутна во колбата. Од n (HCl), c (HCl) потоа може да се пресмета како функција на времето и да се претстави графички.
Други методи за мерење на брзината на реакција
Покрај волуметриските и гравиметриските методи, постојат и други методи за мерење на брзината на реакција.
Методи за реакции кои создаваат бои
Доколку се произведе боја како производ за време на хемиската реакција, концентрацијата на оваа боја може да се измери со фотометар. Ова во основа е уред кој одредува колку светлина „поминува“ низ примерок од бојата. Таквиот фотометар се состои од извор на светлина, контејнер за примерок и фотосензор. Ако концентрацијата на бојата во контејнерот за примерок е висока, се пропушта само мал дел од светлината. Од друга страна, ако концентрацијата на бојата е мала, се пренесува многу светлина. Ако поврзете ваков фотометар со автоматски рекордер или компјутер, може постојано да ја снимате промената во концентрацијата на бојата за време на реакцијата.
Методи за реакции во кои боите се обезбоени
Ако почетен материјал на хемиската реакција е боја и оваа боја е обезборена за време на реакцијата, намалената концентрација на почетниот материјал може да се следи со фотометар.
Но, тука е исто така полесно. На пример, можете да го запрете времето што е потребно за целосно да се обезбои бојата. Сепак, дефинитивно нема да добиете моментална брзина, туку само многу груба вредност за просечната брзина во временскиот интервал. Ако сакате да ја одредите зависноста од концентрацијата на стапката на реакција на овој начин, треба да извршите неколку паралелни експерименти со различни почетни концентрации.
Интересна варијанта на овој процес се споменува во некои училишни книги како што е „Хемија денес“ од Шредел-Верлаг. Раствор на тиосулфат со позната концентрација е комбиниран со 1 моларна хлороводородна киселина и Ерленмајер колбата се става на лист бела хартија на кој претходно е нацртан црн крст. Потоа го мерите времето што поминува пред повеќе да не можете да го гледате крстот кога ќе погледнете во колбата Ерленмаер од горе. Колку е поконцентриран раствор на хлороводородна киселина или тиосулфат, толку побрза е реакцијата.
Методи за реакции во кои се создава или троши киселина/база
Ако реакцијата произведува киселина, концентрацијата на протонот се зголемува за време на реакцијата. Во наједноставниот случај, се додава универзален индикатор во мешавината на реакција и промените на бојата се следат со голо око, видео камера или фотометар.
Ако тоа не е можно од која било причина, можете исто така да земете мали примероци од реакционата смеса во одредени временски интервали и потоа да ја одредите нивната соодветна pH вредност за да добиете информации за концентрацијата на протонот што моментално преовладува. Сепак, има проблем со овој метод: реакцијата продолжува во примероците ако ништо не се стори во врска со тоа (брзо ладење, додавање на инхибитор, итн.).
Ако во реакцијата се потроши киселина, можете да продолжите на ист начин. Истото важи и ако се создаде лага или се консумира за време на реакцијата.
Добро познат училишен експеримент во кој се користи овој процес е естерификација на оцетна киселина со етанол за да се формира етил ацетат. Реакцијата се одвива многу бавно додека не се воспостави хемиска рамнотежа, понекогаш со часови. Се зема мал примерок од колбата за реакција на секои 10 или 15 минути и потоа се титрира со 1 моларен NaOH за да се одреди концентрацијата на киселина во колбата за реакција во времето t.
Во мојот тековен курс по хемија (јануари 2019 година) ја испитавме реакцијата на хлороводородна киселина со цинк на овој начин. Методот со континуирано мерење на вредноста на pH вредноста (не беше користен индикатор, но pH метар) помина многу добро.
Методи за реакции во кои се создаваат или трошат јони
Ако се произведуваат јони за време на реакцијата или ако се трошат јони, може да биде можно да се следат концентрациите на почетните материјали или производи со промена на електричната спроводливост. За да го направите ова, сепак, мора да се знае точниот придонес на одделните видови јони во целокупната спроводливост на растворот. Протоните, на пример, имаат многу поголема спроводливост од сулфатните јони затоа што се помали и подвижни.
- internetchemie.info/chemie-lexikon/daten/m/molvolume.php
- Römpp Chemie-Lexikon, 9-то издание 1992 година
Овде ќе научите како квантитативно да ја одредите брзината на хемиската реакција со едноставна училишна опрема.
05.12.2007: Создадена страница
03.06.2011: Редизајнирана, ревидирана и дополнета страница
21.03.2015: Страна интегрирана во полето за содржина 1
10 јануари 2016 година: Редизајнирана страница во HTML 5