Вимірювання швидкості реакції
На останній сторінці ми виявили, що на швидкість хімічної реакції впливають три важливі фактори: концентрація вихідних речовин, ступінь розподілу вихідних речовин і температура. Чим вища концентрація реагенту, тим більший ступінь поділу і чим вище температура, тим вища швидкість реакції.
На цій сторінці ми хочемо розглянути питання про те, як можна точно виміряти швидкість реакції. Два процеси відіграють важливу роль у шкільній хімії, об’ємному вимірі та гравіметричному вимірі.
Об'ємне вимірювання швидкості реакції
Коли цинк реагує із соляною кислотою, ми побачили, що швидкість реакції зростає із збільшенням концентрації соляної кислоти. З подвійно концентрованою соляною кислотою реакція повинна проходити приблизно вдвічі швидше. Але чи це теж правда? Для того, щоб перевірити це питання, швидкість реакції необхідно виміряти кількісно, тобто виразити точними цифрами.
Метод об'ємного вимірювання заснований на вимірюванні об'єму газу, що утворюється під час реакції. В результаті реакції між соляною кислотою та цинком утворюється газ водень. Об’єм водню, що утворюється під час реакції, можна точно виміряти за допомогою газового шприца. Для цього розгляньте наступний малюнок:
Отриманий водень штовхає поршень газового шприца назовні, і за допомогою шкали ви можете точно визначити, скільки мл газу H2 утворилося в даний момент часу.
Використовуваний поршневий шприц повинен бути дуже легким для переміщення, щоб водень, що виходить, міг штовхнути поршень назовні. Якщо ви тримаєте поршневий пробовідбірник вертикально вниз рукою, поршень повинен плавно вислизати з поршневого пробовідбірника. Потім ви можете зловити його іншою рукою.
З іншого боку, поршень не повинен надто вільно сидіти в пробовідбірнику поршня. Якщо ви налаштували експеримент, як показано на малюнку - з витягнутим поршнем - ви не повинні мати змоги просто штовхнути поршень у газовий шприц. Якщо це вдається, поршень занадто вільний. Потім під час експерименту водень міг виходити назовні минулим колбою і вимірювати лише частину об’єму утвореного газу.
Здійснюючи власне експеримент, поршень, звичайно, повинен бути просунутий до самого поршня.
Під час цієї спроби може статися так, що ви вживаєте занадто багато соляної кислоти. Потім реакція протікає дуже швидко, і газовий шприц повністю наповнюється газом протягом декількох секунд. Звичайно, студенти можуть знімати поршневий шприц за допомогою свого смартфона, а потім аналізувати відео секунду за секундою.
Згадаймо ще раз рівняння реакції:
Для отримання однієї молекули водню необхідні дві молекули соляної кислоти. Припустимо, що газовий шприц вміщує об’єм 100 мл. При кімнатній температурі водень має молярний об’єм між 22,4135 л [1] і 22,2469 л [2]. Середнє значення між цими двома цифрами становить десь 22,3 літра, і ми будемо продовжувати розраховувати на це.
Отже, 1 ммоль газу має об’єм 22,3 мл, і якщо розділити 100 мл газового шприца на це значення, ми отримаємо 4,48 ммоль водню. Для отримання цього 4,48 ммоль H2 потрібно 8,96 ммоль HCl. Якщо ми використовуємо 1 молярну соляну кислоту, ця кількість речовини міститься рівно в 8,96 мл HCl. Оскільки, мабуть, жоден студент не може виміряти це так точно і, можливо, також жоден студент, ми використовуємо рівно 9 мл. Якщо це тоді 10 мл, це теж непогано.
Нам не потрібно зважувати цинк в експерименті, поки є явне надлишок.
Я зняв експеримент у травні 2011 року і зміг детально зафіксувати збільшення об’єму водню в газовому шприці. Потім готовий фільм ретельно аналізували; Виміряні значення зчитували кожну повну секунду та вносили в електронну таблицю (Excel). Ось графічне зображення виміряних значень:
Ви можете дуже добре побачити криву насиченості; З часом у секунду утворюється все менше водню.
Якщо тепер представити різниці (математично першу похідну кривої насичення), ви отримаєте такий графік:
Цей графік показує, що спочатку в секунду виробляється багато водню, але з часом виробництво водню за одиницю часу зменшується. Крива не показує нічого, крім зменшення швидкості реакції. У цьому прикладі реакція закінчується через 16 секунд.
Швидкість реакції vR є мірою кількості речовини продукту реакції, що виробляється за одиницю часу (хвилину або секунду).
Як легко видно, швидкість реакції зменшується все більше і більше, в кінці вона наближається до нуля. Це також логічно: все більше і більше соляної кислоти споживається в процесі реакції, поки остаточно нічого не залишається. І якщо в колбі Ерленмейєра більше немає HCl, також не може утворюватися водень - швидкість реакції утворення Н2 тоді дорівнює нулю.
Гравіметричне вимірювання швидкості реакції
Зовсім інший метод вимірювання швидкості реакції використовує той факт, що газ, що виходить під час реакції, має певну масу. Реакції, в яких виділяється водень, мало підходять для цього процесу, оскільки газоподібний водень має дуже низьку масу (2 г/моль). Цей метод підходить для реакцій, при яких виділяється вуглекислий газ. При вмісті 44 г/моль CO2 має значно вищу масу.
виконання
Для реакції, в якій виділяється водень, потрібна дуже чутлива шкала, для реакцій, що утворюють вуглекислий газ, достатньо звичайної шкільної ваги, яка важить з точністю до 0,1 г. У цьому експерименті слід дослідити реакцію соляної кислоти (або оцтової кислоти) з карбонатом кальцію.
Помістіть колбу Ерленмейера (бажано з широкою горловиною) або склянку на ваги, покладіть в посудину точно виміряну кислоту і встановіть ваги на нуль (функція тарування). Потім карбонат кальцію (в надлишку!) Потім додають до кислоти якомога швидше і відображають на шкалі. Після завершення реакції проводиться оцінка відео.
оцінка
Якщо експеримент проходить за планом, на дисплеї ваги має відображатися все менша вага та маса. Зменшення маси в секунду має бути дуже великим на початку реакції і повинно ставати все меншим і меншим у процесі реакції.
Потім втрата ваги може бути використана для обчислення маси вуглекислого газу, що утворюється за секунду, і з цього, в свою чергу, кількість соляної кислоти, все ще присутньої в колбі. Потім з n (HCl) c (HCl) можна обчислити як функцію часу та представити графічно.
Інші методи вимірювання швидкості реакції
Крім об'ємного та гравіметричного методів, існують і інші методи вимірювання швидкості реакції.
Методи реакцій, що утворюють барвники
Якщо барвник утворюється як продукт під час хімічної реакції, концентрацію цього барвника можна виміряти за допомогою фотометра. В основному це пристрій, який визначає, скільки світла «проходить» через зразок барвника. Такий фотометр складається з джерела світла, контейнера для зразків та фотодатчика. Якщо концентрація барвника в ємності для зразків висока, пропускається лише невелика частка світла. З іншого боку, якщо концентрація барвника невелика, пропускається багато світла. Якщо такий фотометр підключити до автоматичного реєстратора або комп’ютера, зміна концентрації барвника під час реакції може реєструватися безперервно.
Методи реакцій, при яких барвники знебарвлюються
Якщо едукт хімічної реакції є барвником, і цей барвник під час реакції знебарвлюється, за зменшенням концентрації едукту можна спостерігати за допомогою фотометра.
Але тут також легше. Наприклад, ви можете зупинити час, протягом якого барвник повністю знебарвлюється. Однак тоді ви точно не отримаєте миттєвої швидкості, а лише дуже приблизне значення середньої швидкості в інтервалі часу. Якщо ви хочете таким чином визначити залежність швидкості реакції від концентрації, вам доведеться провести кілька паралельних експериментів з різними вихідними концентраціями.
Цікавий варіант цього процесу згадується в деяких шкільних підручниках, таких як "Хімія сьогодні" Шределя-Верлага. Розчин тіосульфату відомої концентрації поєднують з 1 молярною соляною кислотою, а колбу Ерленмейера кладуть на аркуш білого паперу, на якому попередньо намальований чорний хрест. Потім ви вимірюєте час, який проходить, перш ніж ви більше не зможете побачити хрест, заглядаючи зверху в колбу Ерленмейера. Чим концентрованіший розчин соляної кислоти або тіосульфату, тим швидша реакція.
Методи реакцій, при яких утворюється або споживається кислота/основа
Якщо в результаті реакції утворюється кислота, під час реакції концентрація протона збільшується. У найпростішому випадку до реакційної суміші додають універсальний індикатор, а за зміною кольору спостерігають неозброєним оком, відеокамерою або фотометром.
Якщо це неможливо з будь-яких причин, ви також можете взяти невеликі зразки реакційної суміші через певні проміжки часу, а потім визначити їх відповідне значення рН, щоб отримати інформацію про концентрацію протона, що переважає в даний час. Однак із цим методом існує проблема: реакція продовжується у зразках, якщо з цим нічого не робити (швидке охолодження, додавання інгібітора тощо).
Якщо в реакції витрачається кислота, можна діяти так само. Те саме стосується випадків, коли під час реакції утворюється або споживається луг.
Добре відомим шкільним експериментом, в якому використовується цей процес, є етерифікація оцтової кислоти етанолом з утворенням етилацетату. Реакція протікає дуже повільно, поки не встановиться хімічна рівновага, іноді години. Кожні 10 або 15 хвилин з реакційної колби відбирають невелику пробу, а потім титрують 1 молярним NaOH для визначення концентрації кислоти в реакційній колбі в момент часу t.
У моєму поточному курсі хімії (січень 2019 р.) Ми досліджували реакцію соляної кислоти з цинком таким чином. Метод безперервного вимірювання значення рН (індикатор не використовувався, але рН-метр) пройшов дуже добре.
Методи реакцій, в яких іони утворюються або споживаються
Якщо під час реакції утворюються іони або споживаються іони, можливо, можна буде контролювати концентрації вихідних матеріалів або продуктів, змінюючи електропровідність. Однак для цього необхідно знати точний внесок окремих типів іонів у загальну провідність розчину. Наприклад, протони мають набагато вищу провідність, ніж сульфат-іони, оскільки вони менші та рухливіші.
- internetchemie.info/chemie-lexikon/daten/m/molvolume.php
- Römpp Chemie-Lexikon, 9-е видання 1992 року
Тут ви дізнаєтесь, як кількісно визначити швидкість хімічної реакції за допомогою простого шкільного обладнання.
05.12.2007: Сторінку створено
03.06.2011: Сторінку перероблено, переглянуто та доповнено
21.03.2015: Сторінка інтегрована у поле вмісту 1
10 січня 2016: Перероблена сторінка в HTML 5