Meranie reakčnej rýchlosti
Na poslednej stránke sme zistili, že rýchlosť chemickej reakcie je ovplyvnená tromi dôležitými faktormi: koncentráciou východiskových látok, stupňom rozdelenia východiskových látok a teplotou. Čím vyššia je koncentrácia reaktantu, tým vyšší je stupeň delenia a čím vyššia je teplota, tým vyššia je reakčná rýchlosť.
Na tejto stránke sa chceme zaoberať otázkou, ako je možné presne merať reakčnú rýchlosť. V školskej chémii hrajú dôležitú úlohu dva procesy, objemové meranie a gravimetrické meranie.
Objemové meranie reakčnej rýchlosti
Keď zinok reaguje s kyselinou chlorovodíkovou, bolo vidieť, že rýchlosť reakcie rastie s koncentráciou kyseliny chlorovodíkovej. S dvojnásobne koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou by mala reakcia prebiehať zhruba dvakrát rýchlejšie. Je to však tiež pravda? Na overenie tejto otázky je potrebné merať reakčnú rýchlosť kvantitatívne, t. J. Vyjadriť v presných číslach.
Metóda volumetrického merania je založená na meraní objemu plynu vytvoreného počas reakcie. Reakciou medzi kyselinou chlorovodíkovou a zinkom sa vytvára plynný vodík. Objem vodíka produkovaného počas reakcie je možné presne zmerať plynovou striekačkou. Zvážte nasledujúci obrázok:
Výsledný vodík tlačí piest plynovej injekčnej striekačky smerom von a stupnica presne ukazuje, koľko ml plynného H2 sa v danom časovom okamihu vytvorilo.
Použitou piestovou striekačkou sa musí dať veľmi ľahko pohybovať, aby unikajúci vodík mohol vytlačiť piest smerom von. Ak držíte vzorkovač piestov rukou kolmo nadol, musí sa piest hladko vysunúť zo vzorkovníka piestov. Potom to môžete chytiť druhou rukou.
Na druhej strane piest nesmie sedieť vo vzorkovači piestov príliš voľne. Ak nastavíte experiment tak, ako je to znázornené na obrázku - s vytiahnutým piestom - nesmiete byť schopní jednoducho stlačiť piest do plynovej striekačky. Ak sa to podarí, piest je príliš voľný. Počas experimentu potom mohol vodík uniknúť von za banku a zmerala sa iba časť vytvoreného objemu plynu.
Pri uskutočňovaní skutočného experimentu musí byť piest samozrejme úplne zasunutý do piestu.
Pri tomto pokuse sa môže stať, že použijete príliš veľa kyseliny chlorovodíkovej. Reakcia potom prebieha veľmi rýchlo a plynová striekačka je behom niekoľkých sekúnd úplne naplnená plynom. Študenti môžu samozrejme natáčať piestové striekačky pomocou svojho smartphonu a potom video po sekunde analyzovať.
Znova si pripomeňme reakčnú rovnicu:
Na výrobu jednej molekuly vodíka sú potrebné dve molekuly kyseliny chlorovodíkovej. Predpokladajme, že plynová striekačka má objem 100 ml. Pri izbovej teplote má vodík molárny objem medzi 22,4135 litrami [1] a 22,2469 litrami [2]. Priemerná hodnota medzi týmito dvoma číslicami je niekde okolo 22,3 litra a s tým budeme len rátať.
Takže 1 mmol plynu má objem 22,3 ml a ak túto hodnotu vydelíme 100 ml plynovej striekačky, dostaneme 4,48 mmol vodíka. Na vytvorenie tohto 4,48 mmol H2 je potrebných 8,96 mmol HCl. Ak použijeme 1 molárnu kyselinu chlorovodíkovú, je toto množstvo látky obsiahnuté presne v 8,96 ml HCl. Pretože to asi žiadny študent nedokáže tak presne zmerať a pravdepodobne ani žiaden študent, použijeme presne 9 ml. Ak je to potom 10 ml, nie je to ani zlé.
Zinok pri experimente nemusíme vážiť, pokiaľ je jeho zjavného nadbytku.
Experiment som nakrútil v máji 2011 a dokázal som podrobne zaznamenať zvýšenie objemu vodíka v plynovej striekačke. Hotový film sa potom starostlivo analyzoval; Namerané hodnoty sa načítali každú celú sekundu a vložili do tabuľky (Excel). Tu je grafické znázornenie nameraných hodnôt:
Veľmi pekne vidíte krivku sýtosti; Postupom času sa za sekundu vyprodukuje čoraz menej vodíka.
Ak teraz reprezentujete rozdiely (matematicky prvá derivácia krivky nasýtenia), dostanete nasledujúci graf:
Tento graf ukazuje, že na začiatku sa produkuje veľa vodíka za sekundu, ale časom produkcia vodíka za jednotku času klesá. Krivka neukazuje nič iné ako pokles rýchlosti reakcie. V tomto príklade reakcia končí po 16 sekundách.
Reakčná rýchlosť vR je miera množstva látky z reakčného produktu vyprodukovaného za jednotku času (minútu alebo sekundu).
Ako môžete ľahko vidieť, rýchlosť reakcie čoraz viac klesá, na konci sa blíži k nule. To je tiež logické: v priebehu reakcie sa spotrebuje čoraz viac kyseliny chlorovodíkovej, až nakoniec nezostane nič. A ak v Erlenmeyerovej banke už nie je žiadny HCl, nemôže vznikať ani vodík - reakčná rýchlosť tvorby H2 je potom nulová.
Gravimetrické meranie reakčnej rýchlosti
Úplne iná metóda merania reakčnej rýchlosti využíva skutočnosť, že plyn, ktorý uniká počas reakcie, má určitú hmotnosť. Reakcie, pri ktorých sa uvoľňuje vodík, nie sú pre tento proces vhodné, pretože plynný vodík má veľmi malú hmotnosť (2 g/mol). Táto metóda je vhodná pre reakcie, pri ktorých sa uvoľňuje oxid uhličitý. Pri 44 g/mol má CO2 výrazne vyššiu hmotnosť.
exekúcia
Pre reakciu, pri ktorej sa uvoľňuje vodík, potrebujete veľmi citlivú váhu, pre reakcie, pri ktorých sa produkuje oxid uhličitý, postačuje bežná školská váha s presnosťou na 0,1 g. Cieľom tohto experimentu je preskúmať reakciu kyseliny chlorovodíkovej (alebo kyseliny octovej) s uhličitanom vápenatým.
Na váhy umiestnite Erlenmeyerovu banku (najlepšie so širokým hrdlom) alebo kadičku, do nádoby vložte presne odmeranú kyselinu a váhy vynulujte (funkcia tárovania). Uhličitan vápenatý (v nadbytku!) Sa potom čo najrýchlejšie pridá k kyseline a displej na stupnici sa zaznamená. Po dokončení reakcie sa video vyhodnotí.
hodnotenie
Ak experiment ide podľa plánu, na displeji váhy by mala byť stále menšia hmotnosť alebo hmotnosť. Pokles hmotnosti za sekundu by mal byť na začiatku reakcie veľmi veľký a v priebehu reakcie by sa mal zmenšovať.
Strata hmotnosti sa potom môže použiť na výpočet hmotnosti oxidu uhličitého vyprodukovaného za sekundu, a z toho zase množstva kyseliny chlorovodíkovej, ktorá je v banke stále prítomná. Z n (HCl) možno potom vypočítať c (HCl) ako funkciu času a znázorniť ho graficky.
Ďalšie metódy merania reakčnej rýchlosti
Okrem objemových a gravimetrických metód existujú aj ďalšie spôsoby merania reakčnej rýchlosti.
Metódy pre reakcie, pri ktorých sa vytvárajú farbivá
Ak pri chemickej reakcii vznikne ako produkt farbivo, možno koncentráciu tohto farbiva merať fotometrom. Jedná sa v podstate o zariadenie, ktoré určuje, koľko svetla „prejde“ cez vzorku farbiva. Takýto fotometer pozostáva zo zdroja svetla, nádoby so vzorkou a fotosenzora. Ak je koncentrácia farbiva v nádobe so vzorkou vysoká, prepúšťa sa len malá časť svetla. Na druhej strane, ak je koncentrácia farbiva malá, prepúšťa sa veľa svetla. Ak pripojíte takýto fotometer k automatickému zapisovaču alebo k počítaču, môžete počas reakcie kontinuálne zaznamenávať zmenu koncentrácie farbiva.
Metódy pre reakcie, pri ktorých sú farbivá odfarbené
Ak je východiskovou látkou chemickej reakcie farbivo a toto farbivo sa počas reakcie odfarbí, potom je možné pomocou fotometra sledovať klesajúcu koncentráciu východiskovej látky.
Ale tu je to tiež jednoduchšie. Môžete napríklad zastaviť čas potrebný na úplné odfarbenie farbiva. Potom však určite nedostanete okamžitú rýchlosť, ale iba veľmi hrubú hodnotu priemernej rýchlosti v časovom intervale. Ak chcete týmto spôsobom určiť závislosť reakčnej rýchlosti od koncentrácie, musíte vykonať niekoľko paralelných experimentov s rôznymi počiatočnými koncentráciami.
Zaujímavý variant tohto procesu je uvedený v niektorých školských knihách, ako napríklad „Chemistry Today“ od Schroedel-Verlag. Tiosíranový roztok známej koncentrácie sa zmieša s 1 molárnou kyselinou chlorovodíkovou a Erlenmeyerova banka sa umiestni na list bieleho papiera, na ktorom bol predtým nakreslený čierny kríž. Potom zmeriate čas, ktorý uplynie predtým, ako už nebudete môcť vidieť kríž, keď sa pozriete zhora do Erlenmeyerovej banky. Čím je koncentrovanejší roztok kyseliny chlorovodíkovej alebo tiosíranu, tým rýchlejšia je reakcia.
Metódy pre reakcie, pri ktorých sa vytvára alebo spotrebúva kyselina/zásada
Ak reakciou vznikne kyselina, koncentrácia protónu sa v priebehu reakcie zvýši. V najjednoduchšom prípade sa do reakčnej zmesi pridá univerzálny indikátor a zmeny farby sa sledujú voľným okom, videokamerou alebo fotometrom.
Ak to z nejakého dôvodu nie je možné, môžete v určitých časových intervaloch odobrať aj malé vzorky reakčnej zmesi a potom určiť ich príslušnú hodnotu pH, aby ste získali informácie o koncentrácii protónov, ktorá v súčasnosti prevláda. S touto metódou však nastáva problém: reakcia pokračuje vo vzorkách, pokiaľ sa s tým nič neurobí (rýchle ochladenie, pridanie inhibítora atď.).
Ak sa pri reakcii spotrebuje kyselina, môžete postupovať rovnakým spôsobom. To isté platí, ak sa počas reakcie vytvorí alebo spotrebuje lúh.
Známym školským experimentom, pri ktorom sa používa tento proces, je esterifikácia kyseliny octovej s etanolom za vzniku etylacetátu. Reakcia prebieha veľmi pomaly, kým sa nedosiahne chemická rovnováha, niekedy hodiny. Každých 10 alebo 15 minút sa z reakčnej banky odoberie malá vzorka a potom sa titruje 1 molárnym NaOH, aby sa určila koncentrácia kyseliny v reakčnej banke v čase t.
V mojom súčasnom kurze chémie (január 2019) sme týmto spôsobom študovali reakciu kyseliny chlorovodíkovej so zinkom. Metóda s kontinuálnym meraním hodnoty pH (nebol použitý žiadny indikátor, ale pH meter) prebehla veľmi dobre.
Metódy reakcií, pri ktorých sa vytvárajú alebo spotrebúvajú ióny
Ak sa v priebehu reakcie vytvárajú ióny alebo ak sa ióny spotrebúvajú, je možné sledovať koncentráciu východiskových látok alebo produktov zmenou elektrickej vodivosti. K tomu však musia byť známe presné príspevky jednotlivých typov iónov k celkovej vodivosti roztoku. Napríklad protóny majú oveľa vyššiu vodivosť ako síranové ióny, pretože sú menšie a pohyblivejšie.
- internetchemie.info/chemie-lexikon/daten/m/molvolume.php
- Römpp Chemie-Lexikon, 9. vydanie, 1992
Tu sa naučíte, ako pomocou jednoduchého školského zariadenia kvantitatívne určiť rýchlosť chemickej reakcie.
05.12.2007: Stránka vytvorená
03.06.2011: Stránka prepracovaná, prepracovaná a doplnená
21.03.2015: Stránka integrovaná do poľa obsahu 1
10. januára 2016: Prepracovaná stránka v jazyku HTML 5