الاعتماد على التركيز
المصدر: سماء قريم من جامعة جونز هوبكنز ، دكتوراه في الطب ، الولايات المتحدة الأمريكية
- تبعية التركيز
في هذه التجربة ، سوف تجمع بين تركيزات متفاوتة من حمض الهيدروكلوريك المائي وثيوكبريتات الصوديوم لصنع الكبريت الصلب ، والذي يتجمع بسرعة في جزيئات صفراء غير شفافة بتركيز معين من الكبريت. نظرا لأن محلول التفاعل يبدأ واضحا وعديم اللون ، يمكنك بسهولة معرفة متى يصل إلى هذا التركيز.
ستستخدم نفس أنبوب الاختبار والحجم الإجمالي في كل مرة ، لذلك سيستغرق الأمر نفس الكمية من الكبريت لجعل كل محلول معتما تماما. وبالتالي ، ستقيس تقدم التفاعل عن طريق توقيت المدة التي يستغرقها ذلك. ستستخدم هذه البيانات بعد ذلك لتقدير ترتيب تفاعل المتفاعلات الفردية والتفاعل الكلي.
قبل بدء المختبر ، قم بعمل جدول يسرد تركيزات المواد المتفاعلة ، ووقت عتامة المحلول ، ودرجة حرارة المحلول للتجارب.
الجدول 1: تقدم التفاعل
محاكمة [Na2S2O3] (م) [حمض الهيدروكلوريد] (م) الوقت (الأزمنة) درجة الحرارة (°C) 1 0.1 م 3.0 م 2 0.1 م 3.0 م 3 0.2 م 3.0 م 4 0.15 م 3.0 م 5 0.05 م 3.0 م 6 0.1 م 6.0 م 7 0.1 م 4.5 م 8 0.1 م 1.5 م نريد التأكد من أن جميع التفاعلات تحدث في درجة حرارة الغرفة. ستجري تجربتين معياريتين ، وثلاث تجارب بتركيزات مختلفة من ثيوسلفات الصوديوم ، وثلاث تجارب بتركيزات مختلفة من حمض الهيدروكلوريك ستقوم بتغيير التركيزات عن طريق تخفيف محاليل مخزون ثيوسلفات الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك ، كما هو موضح في الجداول التالية.
الجدول 2: تخفيفات ثيوسلفات الصوديوم
التركيز المستهدف حجم 0.2 M ثيوسلفات الصوديوم حجم مياه DI 0.05 م 5 مل 15 مل 0.10 م 10 مل 10 مل 0.15 م 15 مل 5 ملل 0.20 م 20 مل 0 ملل الجدول 3: تخفيفات حمض الهيدروكلوريك
التركيز المستهدف حجم 6.0 M HCl حجم مياه DI 1.5 م 2.5 مل 7.5 مل 3.0 م 5.0 مل 5.0 مل 4.5 م 7.5 مل 2.5 مل 6.0 م 10 ملل 0 مل تذكر توخي الحذر عند التعامل مع حمض الهيدروكلوريك ، وهو سام وشديد التآكل. ثاني أكسيد الكبريت ، وهو منتج غازي لهذا التفاعل ، سام أيضا. ستترك نفايات التفاعل في غطاء الدخان طوال الليل للسماح لثاني أكسيد الكبريت بالهروب دون ضرر.
-
أولا ، ارتد معطفا مختبريا ونظارات أمان مقاومة للرذاذ وقفازات النتريل.
-
املأ زجاجة غسيل بلاستيكية بالماء منزوع الأيونات واحصل على أنبوب اختبار مميز بعلامة X.
-
قم بتثبيت أنبوب الاختبار فوق منتصف لوح التحريك الصغير. يجب أن يكون الملصق على الجانب الآخر منك. تأكد من أنه يمكنك رؤية X بوضوح. ضع قضيب تحريك مغناطيسي صغير في أنبوب الاختبار.
-
استخدم مشبك مقياس حرارة لتأمين مقياس حرارة زجاجي في الثلث السفلي من الأنبوب ، مع إبقائه بعيدا عن X وشريط التقليب.
-
قم بقص ورقة من حوالي 20 مربعا من فيلم البارافين البلاستيكي من لفافة وأعد الورقة إلى غطاء المحرك.
-
ضع مناشف ورقية في غطاء الدخان كسطح نظيف لإعادة استخدام أدوات المختبر.
-
قم بتسمية دورق سعة 600 مل على أنه "نفايات" للتفاعل ، ودورق سعة 100 مل على أنه "0.2 مليون ثيوسلفات الصوديوم" ، ودورق سعة 50 مل على أنه "6 M HCl".
-
املأ الدورق سعة 100 مل ب 0.2 M ثيوكبريتات الصوديوم من زجاجة المرق في غطاء التوزيع.
-
بعد ذلك ، أحضر الدورق سعة 50 مل وزجاج الساعة إلى غطاء المحرك للحصول على 50 مل من 6 M HCl. قم بتغطية الدورق المملوء بزجاج الساعة وأعد الجزء الخاص بك من حمض الهيدروكلوريك إلى غطاء المحرك.
-
تحضير 20 مل من 0.1 M ثيوسلفات الصوديوم للتجربة المعيارية الأولى. استخدم ماصة حجمية سعة 10 مل لقياس 10 مل من ثيوسلفات الصوديوم 0.2 M وتوزيعها في قارورة حجمية سعة 20 مل. املأ القارورة الحجمية سعة 20 مل بالماء منزوع الأيونات حتى العلامة.
-
بعد ذلك ، قم بقص مربع من فيلم البارافين البلاستيكي ، وأغلق القارورة ، واقلبها عدة مرات لخلط المحلول جيدا.
-
قم بإزالة الفيلم وصب المحلول في أنبوب الاختبار.
-
تحضير 10 مل من 3 M HCl. ماصة 5 مل من 6 M HCl في أسطوانة متدرجة سعة 10 مل. أضف الماء منزوع الأيونات لملء الأسطوانة المتدرجة إلى خط 10 مل.
-
أغلق الجزء العلوي من الأسطوانة المتدرجة بغشاء بارافين بلاستيكي واخلط محلول حمض الهيدروكلوريك جيدا عن طريق قلبه عدة مرات.
-
الآن ، ابدأ تشغيل محرك التحريك واحصل على ساعة توقيت إعادة ضبط. تأكد من أنه يمكنك رؤية X من خلال المحلول في أنبوب الاختبار.
-
ابدأ تشغيل ساعة الإيقاف في نفس الوقت واسكب 3 M HCl في أنبوب الاختبار.
-
راقب X من خلال المحلول ، والذي سيبدأ في التحول إلى غائم عندما يتم إنتاج ما يكفي من الكبريت لتشبعه. أوقف ساعة الإيقاف بالضبط عندما يصبح المحلول معتما لدرجة أن X يختفي.
-
سجل الوقت في دفتر ملاحظات المختبر الخاص بك للتجربة المعيارية 1 ثم أعد ضبط ساعة الإيقاف. أيضا ، سجل درجة حرارة المحلول.
-
الآن ، قم بإيقاف تشغيل محرك التحريك ، وإزالة مقياس الحرارة ، واشطفه بالماء منزوع الأيونات في دورق النفايات.
-
بعد ذلك ، أفرغ أنبوب الاختبار في دورق النفايات ، واسترجع قضيب التحريك بملقط طويل ، واشطف أنبوب الاختبار وحرك القضيب بالماء منزوع الأيونات.
-
نظف أنبوب الاختبار جيدا بفرشاة أنبوب الاختبار. اشطف القارورة الحجمية والأسطوانة المتدرجة لفترة وجيزة بالماء منزوع الأيونات أيضا. جفف كل شيء بالمناشف الورقية.
-
كرر التجربة بنفس الطريقة بالضبط للوقت المعياري الثاني. إذا لم يكن الوقت في حدود 3 - 5 ثوان من الإصدار التجريبي الأول ، فكرر الإصدار التجريبي المعياري حتى تحصل على تجربتين متسقتين.
-
اتبع نفس الإجراء العام لكل تجربة لاحقة ، وقم بتغيير التخفيفات كما هو موضح في الجدول الخاص بك وتنظيف الأواني الزجاجية بين كل تجربة. استخدم ماصة حجمية سعة 5 مل حسب الحاجة عند قياس محلول مخزون ثيوسلفات الصوديوم في التجارب الرابعة والخامسة.
-
بمجرد إجراء جميع التجارب الثماني ، اشطف الأواني الزجاجية والأدوات مرة أخيرة وقم بتحييد نفايات التفاعل بصودا الخبز. توخي الحذر لأن ثاني أكسيد الكبريت هو أحد منتجات التفاعل.
-
نقل نفايات التفاعل المحايدة إلى حاوية النفايات المخصصة. بعد ذلك ، اسكب أي محلول متبقي من ثيوسلفات الصوديوم في حاوية النفايات المسمى واشطف الدورق بالماء منزوع الأيونات.
-
قم بتحييد أي حمض الهيدروكلوريك المتبقي بصودا الخبز قبل غسله في البالوعة بماء الصنبور.
-
أخيرا ، قم بتنظيف أدوات المختبر الخاصة بك ووضعها بعيدا وفقا لممارساتك القياسية وتخلص من أي قمامة متبقية في غطاء المحرك. سيتخلص معلمك من نفايات التفاعل لاحقا.
-
- النتائج
-
الآن ، قم بتقدير ترتيب تفاعل ثيوسلفات الصوديوم و HCl. احسب تركيز البداية لثيوسلفات الصوديوم في خليط التفاعل للتجارب من 1 إلى 5. بالنظر إلى تركيز ثيوسلفات الصوديوم وأوقات التفاعل، نلاحظ أنه مع تضاعف التركيز، ينخفض وقت التعتيم إلى النصف.
الجدول 4: تقدير ترتيب تفاعل ثيوسلفات الصوديوم
انقر هنا لتنزيل الجدول 4محاكمة [Na2S2O3] مضاف Na2S2O3 volume (mL) إجمالي الحجم (مل) [Na2S2O3] في خليط الوقت (الأوقية) الوقت العكسي (s-1) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
تذكر أن كل تجربة استخدمت نفس الحجم ، لذلك استغرق الأمر نفس الكمية من الكبريت لجعل كل محلول معتما. وبالتالي ، يكون التفاعل أسرع بمرتين عندما يتضاعف تركيز ثيوسلفات الصوديوم.
-
عندما يزداد التركيز بمعامل 4 ، يزداد معدل التفاعل أيضا بمعامل 4. تشير هذه العلاقة الفردية إلى أن التفاعل كان من الدرجة الأولى لثيوسلفات الصوديوم. إذا كان الأمر كذلك ، فإننا نتوقع أن تكون مخططات المعدل مقابل تركيز ثيوسلفات الصوديوم خطية.
-
لم نقيس كمية الكبريت اللازمة لتحويل المحلول إلى معتمة ، لكننا نفترض أنه كان هو نفسه لكل تجربة. يتيح لنا ذلك استخدام معكوس الوقت للتعتيم كبديل للمعدل. لن يكون الميل مساويا ل k ، لكن هذا جيد لهذا المختبر.
-
ارسم وقت التفاعل العكسي كدالة لتركيز ثيوسلفات الصوديوم. هذا يؤكد العلاقة الخطية بين إنتاج الكبريت وتركيز ثيوسلفات. وبالتالي ، يبدو أن رد الفعل هو الدرجة الأولى فيما يتعلق بالثيوسلفات.
-
استخدم نفس الطريقة لتقدير ترتيب تفاعل حمض الهيدروكلوريك أولا ، احسب تركيز بدء حمض الهيدروكلوريك في التجارب المعيارية وفي التجارب من 6 إلى 8.
الجدول 5: تقدير ترتيب التفاعل حمض الهيدروكلوريك
انقر هنا لتنزيل الجدول 5محاكمة [HCl] مضاف حجم حمض الهيدروكلوريك (مل) إجمالي الحجم (مل) [حمض الهيدروكلوريك] في خليط الوقت (الأوقية) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
ثم انظر إلى تركيز حمض الهيدروكلوريك وأوقات التفاعل لهذه التجارب. أوقات التفاعل متطابقة تقريبا ، وبالتالي فإن تركيز حمض الهيدروكلوريك ليس له أي تأثير على معدل التفاعل. هذا يعني أن حمض الهيدروكلوريك يبدو أنه من الدرجة الصفرية لهذا التفاعل.
-
أخيرا ، اجمع ترتيب تفاعل المواد المتفاعلة للحصول على ترتيب التفاعل الكلي.
-
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: How do you prepare diluted solutions of sodium thiosulfate for the concentration dependence experiment?
Use a volumetric pipette to measure the required volume of 0.2 M sodium thiosulfate stock solution and dispense it into a volumetric flask. Fill the flask with deionized water to the mark, seal with plastic paraffin film, and invert several times to thoroughly mix. This dilution procedure ensures accurate target concentrations ranging from 0.05 M to 0.2 M for each trial.
Q2: Why is measuring the time to solution opacity used to track reaction progress?
The reaction produces solid sulfur that creates visible cloudiness in the initially clear, colorless solution. Since each trial uses the same test tube and total volume, it takes the same amount of sulfur to make the solution completely opaque. By timing when the X mark disappears, you measure how fast sulfur is produced, which directly reflects the reaction rate.
Q3: What does the relationship between sodium thiosulfate concentration and reaction time reveal about reaction order?
When sodium thiosulfate concentration doubles, the time to opacity is halved, indicating the reaction rate doubles proportionally. When concentration increases by a factor of four, the reaction rate also increases by a factor of four. This one-to-one relationship demonstrates that the reaction is first order with respect to sodium thiosulfate.
Q4: How does HCl concentration affect the rate of the sulfur precipitation reaction?
Reaction times remain nearly identical across trials with different HCl concentrations, from 1.5 M to 6.0 M. This lack of variation indicates that HCl concentration has no effect on the reaction rate, meaning the reaction is zeroth order with respect to HCl. The rate depends only on sodium thiosulfate concentration.
Q5: What precautions are necessary when handling the reactants and products in this experiment?
HCl is toxic and highly corrosive, requiring a lab coat, splash-proof safety glasses, and nitrile gloves. Sulfur dioxide, a gaseous product, is also toxic and must be allowed to escape harmlessly by leaving reaction waste in the fume hood overnight. Always work in a fume hood and neutralize waste with baking soda before disposal.
Q6: Why are benchmark trials performed before varying reactant concentrations?
Benchmark trials ensure that reactions occur at consistent room temperature and establish reproducible baseline measurements. Two benchmark trials must be within 3-5 seconds of each other to confirm experimental reliability. This consistency validates that subsequent variations in concentration, not temperature fluctuations, cause observed changes in reaction time.
Q7: How do you calculate the overall reaction order from individual reactant orders?
Add the reaction orders of all reactants to determine the overall reaction order. Since sodium thiosulfate is first order and HCl is zeroth order, the overall reaction order is one. This sum represents the total dependence of the reaction rate on all reactant concentrations combined.