Măsurarea vitezei de reacție
Pe ultima pagină am constatat că viteza unei reacții chimice este influențată de trei factori importanți: concentrația materiilor prime, gradul de divizare a materiilor prime și temperatura. Cu cât este mai mare concentrația reactantului, cu atât este mai mare gradul de divizare și cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare viteza de reacție.
Pe această pagină vrem să ne ocupăm de modul în care se poate măsura cu precizie viteza de reacție. Două procese joacă un rol important în chimia școlii, măsurarea volumetrică și măsurarea gravimetrică.
Măsurarea volumetrică a vitezei de reacție
Când zincul reacționează cu acidul clorhidric, am văzut că viteza de reacție crește odată cu concentrația de acid clorhidric. Cu un acid clorhidric dublu concentrat, reacția ar trebui să aibă loc de aproximativ două ori mai repede. Dar este adevărat și asta? Pentru a verifica această întrebare, trebuie să măsurați viteza de reacție cantitativ, adică să o exprimați în numere exacte.
Metoda de măsurare volumetrică se bazează pe măsurarea volumului unui gaz format în timpul reacției. Reacția dintre acidul clorhidric și zinc produce gazul hidrogen. Volumul de hidrogen produs în timpul reacției poate fi măsurat precis cu o seringă cu gaz. Pentru a face acest lucru, luați în considerare următoarea figură:
Hidrogenul rezultat împinge pistonul seringii de gaz spre exterior și, cu ajutorul cântarului, puteți citi exact câte ml de gaz H2 s-au format într-un moment dat în timp.
Seringa de gaz utilizată trebuie să fie foarte ușor de mișcat, astfel încât hidrogenul care scapă să poată împinge pistonul în exterior. Dacă țineți eșantionul pistonului vertical în jos cu mâna, pistonul trebuie să alunece lin din eșantionul pistonului. O puteți prinde apoi cu cealaltă mână.
Pe de altă parte, pistonul nu trebuie să stea prea slab în eșantionul pistonului. Dacă ați configurat experimentul așa cum se arată în ilustrație - cu pistonul scos - nu trebuie să puteți împinge pur și simplu pistonul în seringa de gaz. Dacă acest lucru reușește, pistonul este prea slab. În timpul experimentului, hidrogenul ar putea apoi să scape spre exterior trecând prin balon și ar fi măsurată doar o parte din volumul de gaz format.
La efectuarea experimentului propriu-zis, pistonul trebuie, desigur, să fie împins până la capăt în piston.
În această încercare se poate întâmpla să utilizați prea mult acid clorhidric. Reacția se desfășoară apoi foarte repede și seringa de gaz este complet umplută cu gaz în câteva secunde. Desigur, elevii pot filma seringa cu piston cu smartphone-ul lor și apoi pot analiza videoclipul secundă cu secundă.
Să ne reamintim din nou ecuația reacției:
Pentru a produce o moleculă de hidrogen, sunt necesare două molecule de acid clorhidric. Să presupunem că o seringă de gaz deține un volum de 100 ml. La temperatura camerei, hidrogenul are un volum molar cuprins între 22,4135 litri [1] și 22.2469 litri [2]. Valoarea medie dintre aceste două cifre este undeva la 22,3 litri și vom continua să ne bazăm pe asta.
Deci, 1 mmol de gaz are un volum de 22,3 ml și, dacă împărțim cei 100 ml de seringă de gaz la această valoare, obținem 4,48 mmol de hidrogen. Pentru a genera acest 4,48 mmol de H2, sunt necesari 8,96 mmol de HCI. Dacă folosim un acid clorhidric 1 molar, această cantitate de substanță este conținută exact în 8,96 ml de HCI. Deoarece, probabil, niciun student nu poate măsura acest lucru atât de precis și probabil niciun student, folosim exact 9 ml. Dacă este vorba de 10 ml, nici acest lucru nu este rău.
Nu trebuie să cântărim zincul din experiment, atâta timp cât există un exces clar.
Am filmat experimentul în mai 2011 și am putut înregistra în detaliu creșterea volumului de hidrogen din seringa de gaz. Filmul finit a fost apoi atent analizat; Valorile măsurate au fost citite în fiecare secundă completă și introduse într-o foaie de calcul (Excel). Iată reprezentarea grafică a valorilor măsurate:
Puteți vedea o curbă de saturație foarte frumos; În timp, se produce din ce în ce mai puțin hidrogen pe secundă.
Dacă reprezentați acum diferențele (matematic prima derivată a curbei de saturație), obțineți următorul grafic:
Acest grafic arată că la început se produce mult hidrogen pe secundă, dar în timp producția de hidrogen pe unitate de timp scade. Curba nu arată altceva decât scăderea vitezei de reacție. În acest exemplu, reacția se termină după 16 secunde.
Viteza de reacție vR este o măsură a cantității de substanță a unui produs de reacție produsă pe unitate de timp (minut sau secundă).
După cum puteți vedea cu ușurință, viteza reacției scade din ce în ce mai mult, la sfârșit se apropie de zero. Acest lucru este, de asemenea, logic: din ce în ce mai mult acid clorhidric este consumat în cursul reacției, până când în cele din urmă nu mai rămâne nimic. Și dacă nu mai există HCl în balonul Erlenmeyer, nu se poate forma nici hidrogen - viteza de reacție a formării H2 este atunci zero.
Măsurarea gravimetrică a vitezei de reacție
O metodă complet diferită de măsurare a vitezei de reacție profită de faptul că gazul care scapă în timpul reacției are o anumită masă. Reacțiile în care se eliberează hidrogen nu sunt potrivite pentru acest proces, deoarece hidrogenul gazos are o masă foarte mică (2 g/mol). Această metodă este potrivită pentru reacțiile în care este eliberat dioxid de carbon. La 44 g/mol, CO2 are o masă semnificativ mai mare.
execuţie
Pentru o reacție în care se eliberează hidrogen, aveți nevoie de o scală foarte sensibilă, pentru reacțiile care produc dioxid de carbon, este suficientă o scală normală de școală care cântărește cu o precizie de 0,1 g. Acest experiment are ca scop investigarea reacției acidului clorhidric (sau acidului acetic) cu carbonatul de calciu.
Așezați balonul Erlenmeyer (de preferință cu gâtul larg) sau paharul pe cântare, puneți acidul măsurat cu precizie în vas și setați cântarul la zero (funcția de tarare). Carbonatul de calciu (în exces!) Este apoi adăugat la acid cât mai repede posibil și afișajul de pe cântar este filmat. După finalizarea reacției, videoclipul este evaluat.
evaluare
Dacă experimentul se desfășoară conform planificării, afișarea balanței ar trebui să arate din ce în ce mai puțin greutate sau masă. Scăderea masei pe secundă ar trebui să fie foarte mare la începutul reacției și ar trebui să devină din ce în ce mai mică pe parcursul reacției.
Pierderea în greutate poate fi apoi utilizată pentru a calcula masa de dioxid de carbon produsă pe secundă, iar din aceasta cantitatea de acid clorhidric încă prezentă în balon. De la n (HCl), c (HCl) poate fi apoi calculat în funcție de timp și reprezentat grafic.
Alte metode de măsurare a vitezei de reacție
Pe lângă metodele volumetrice și gravimetrice, există și alte metode de măsurare a vitezei de reacție.
Metode pentru reacțiile care produc coloranți
Dacă reacția chimică produce un colorant ca produs, concentrația acestui colorant poate fi măsurată cu un fotometru. Acesta este practic un dispozitiv care determină câtă lumină „trece” printr-o probă de colorant. Un astfel de fotometru constă dintr-o sursă de lumină, un recipient pentru probe și un senzor de fotosensibilitate. Dacă concentrația de colorant din recipientul pentru probă este mare, este permisă doar o mică parte din lumină. Pe de altă parte, dacă concentrația de colorant este mică, se transmite multă lumină. Dacă conectați un astfel de fotometru la un reportofon automat sau la un computer, puteți înregistra continuu modificarea concentrației de colorant în timpul reacției.
Metode pentru reacții în care coloranții sunt decolorați
Dacă un material de pornire al reacției chimice este un colorant și acest colorant este decolorat în timpul reacției, concentrația descrescătoare a materiei prime poate fi urmată cu un fotometru.
Dar este și mai ușor aici. De exemplu, puteți opri timpul necesar pentru ca vopseaua să se decoloreze complet. Cu toate acestea, atunci nu veți obține cu siguranță o viteză instantanee, ci doar o valoare foarte dură pentru viteza medie în intervalul de timp. Dacă doriți să determinați dependența de concentrație a vitezei de reacție în acest mod, trebuie să efectuați mai multe experimente paralele cu concentrații de pornire diferite.
O variantă interesantă a acestui proces este menționată în unele cărți școlare, cum ar fi „Chimia astăzi” de Schroedel-Verlag. O soluție de tiosulfat de concentrație cunoscută este combinată cu 1 acid clorhidric molar și balonul Erlenmeyer este plasat pe o foaie de hârtie albă pe care a fost desenată în prealabil o cruce neagră. Apoi, măsurați timpul care trece înainte de a nu mai putea vedea crucea când vă uitați în balonul Erlenmeyer de sus. Cu cât este mai concentrată soluția de acid clorhidric sau tiosulfat, cu atât reacția este mai rapidă.
Metode pentru reacții în care un acid/bază este generat sau consumat
Dacă reacția produce un acid, concentrația de protoni crește în timpul reacției. În cel mai simplu caz, un amestec de reacție este adăugat la amestecul de reacție și schimbările de culoare sunt urmate cu ochiul liber, o cameră video sau un fotometru.
Dacă acest lucru nu este posibil din orice motiv, puteți lua, de asemenea, probe mici din amestecul de reacție la anumite intervale de timp și apoi puteți determina valoarea pH-ului respectiv pentru a obține informații despre concentrația de protoni care prevalează în prezent. Cu toate acestea, există o problemă cu această metodă: reacția continuă în probe dacă nu se face nimic în legătură cu aceasta (răcire rapidă, adăugarea unui inhibitor etc.).
Dacă în reacție se consumă un acid, puteți proceda în același mod. Același lucru se aplică dacă o leșie este creată sau consumată în timpul reacției.
Un experiment școlar bine cunoscut în care se folosește acest proces este esterificarea acidului acetic cu etanol pentru a forma acetat de etil. Reacția se desfășoară foarte lent până când echilibrul chimic a fost stabilit, uneori ore. La fiecare 10 sau 15 minute, se ia o mică probă din balonul de reacție și apoi se titrează cu NaOH 1 molar pentru a determina concentrația de acid din balonul de reacție la momentul t.
În cursul meu actual de chimie (ianuarie 2019) am studiat astfel reacția acidului clorhidric cu zincul. Metoda cu măsurarea continuă a valorii pH-ului (nu a fost utilizat niciun indicator, dar un pH-metru) a mers foarte bine.
Metode pentru reacții în care ionii sunt generați sau consumați
Dacă se produc ioni în timpul reacției sau dacă se consumă ioni, poate fi posibil să se monitorizeze concentrațiile materiilor prime sau ale produselor prin schimbarea conductivității electrice. Pentru a face acest lucru, totuși, trebuie cunoscute contribuțiile exacte ale tipurilor individuale de ioni la conductivitatea generală a soluției. Protonii, de exemplu, au o conductivitate mult mai mare decât ionii sulfat, deoarece sunt mai mici și mai mobili.
- internetchemie.info/chemie-lexikon/daten/m/molvolume.php
- Römpp Chemie-Lexikon, ediția a IX-a 1992
Aici veți învăța cum să determinați viteza unei reacții chimice cantitativ cu echipamente școlare simple.
05.12.2007: Pagină creată
03.06.2011: Pagina reproiectată, revizuită și completată
21.03.2015: Pagină integrată în câmpul de conținut 1
10 ianuarie 2016: pagină reproiectată în HTML 5