תלות בריכוז
מקור: סמאא קורים באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, MD, ארה"ב
- Concentration Dependence
בניסוי זה תשלב ריכוזים משתנים של HCl מימי ונתרן תיוסולפט כדי ליצור גופרית מוצקה, אשר מתאספת במהירות לחלקיקים צהובים אטומים בריכוז גופרית מסוים. מכיוון שתמיסת התגובה מתחילה ברורה וחסרת צבע, אתה יכול בקלות לדעת מתי היא מגיעה לריכוז זה.
אתה תשתמש באותה מבחנה ובאותו נפח כולל בכל פעם, כך שתידרש אותה כמות של גופרית כדי להפוך כל תמיסה לאטומה לחלוטין. לכן, תוכלו למדוד את התקדמות התגובה על ידי תזמון כמה זמן זה לוקח. לאחר מכן תשתמש בנתונים אלה כדי להעריך את סדרי התגובה של המגיבים הבודדים ואת התגובה הכוללת.
לפני תחילת המעבדה, הכינו טבלה המפרטת את ריכוזי המגיבים, זמן אטימות התמיסה וטמפרטורת התמיסה לניסויים.
טבלה 1: התקדמות התגובה
בדיקה [נא2s2o3] (ז) [HCl] (ז) זמן (ים) טמפ' (°C) 1 0.1 M 3.0 M 2 0.1 M 3.0 M 3 0.2 M 3.0 M 4 0.15 M 3.0 M 5 0.05 M 3.0 M 6 0.1 M 6.0 M 7 0.1 M 4.5 M 8 0.1 M 1.5 M אנחנו רוצים לוודא שכל התגובות מתרחשות בטמפרטורת החדר. תבצעו שני ניסויי בנצ'מרק, שלושה ניסויים עם ריכוזי נתרן תיוסולפט שונים, ושלושה ניסויים עם ריכוזי HCl שונים. תוכלו לשנות את הריכוזים על ידי דילול תמיסות מלאי של נתרן thiosulfate ו HCl, כפי שמוצג בטבלאות הבאות.
טבלה 2: דילול נתרן thiosulfate
ריכוז יעד נפח של 0.2 M נתרן thiosulfate Volume of DI water 0.05 M 5 mL 15 mL 0.10 M 10 mL 10 mL 0.15 M 15 mL 5 mL 0.20 M 20 mL 0 mL טבלה 3: דילול HCl
ריכוז יעד נפח של 6.0 M HCl Volume of DI water 1.5 M 2.5 mL 7.5 mL 3.0 M 5.0 mL 5.0 mL 4.5 M 7.5 mL 2.5 mL 6.0 M 10 mL 0 mL זכור לנקוט משנה זהירות בעת טיפול HCl, שהוא רעיל וקורוזיבי מאוד. דו תחמוצת הגופרית, שהיא תוצר גזי של תגובה זו, היא גם רעילה. אתה תשאיר את פסולת התגובה במכסה האדים למשך הלילה כדי לאפשר לגופרית הדו-חמצנית לברוח ללא נזק.
-
ראשית, לבשו מעיל מעבדה, משקפי בטיחות חסיני התזה וכפפות ניטריל.
-
מלאו בקבוק שטיפה מפלסטיק במים שעברו דה-יוניזציה וקבלו מבחנה המסומנת ב-X.
-
מהדקים את המבחנה מעל מרכז צלחת ערבוב קטנה. התווית חייבת להיות בצד הנגדי ממך. ודא שאתה יכול לראות בבירור את X. הניחו מוט ערבוב מגנטי קטן במבחנה.
-
השתמש במהדק מדחום כדי לאבטח מדחום זכוכית בשליש התחתון של הצינור, ולשמור עליו נקי מה-X וממוט הערבוב.
-
גזרו יריעה של כ-20 ריבועים של סרט פרפין מפלסטיק מגליל והחזירו את הסדין למכסה המנוע.
-
הניחו מגבות נייר במכסה האדים כמשטח נקי לשימוש חוזר בכלי מעבדה.
-
תייגו של 600 מ"ל כ"פסולת" עבור התגובה, של 100 מ"ל כ-'0.2 M נתרן thiosulfate', וכוס של 50 מ"ל כ-'6 M HCl'.
-
מלאו את ה-100 מ"ל ב-0.2 M נתרן תיוסולפט מבקבוק הסטוק שבמכסה המנוע.
-
לאחר מכן, הביאו את ה-50 מ"ל ואת השעון למכסה המנוע לחלוקת חומצה כדי לקבל 50 מ"ל של 6 M HCl. כסו את הכד המלא בזכוכית השעון והחזירו את החלק שלכם ב-HCl למכסה המנוע.
-
הכן 20 מ"ל של 0.1 M נתרן thiosulfate עבור ניסוי benchmark הראשון. השתמש פיפטה נפחית 10 מ"ל כדי למדוד 10 מ"ל של 0.2 M נתרן thiosulfate ולהוציא אותו לתוך בקבוק נפח 20 מ"ל. ממלאים את הבקבוק הנפחי של 20 מ"ל במים נטולי יונים.
-
לאחר מכן, חותכים ריבוע של סרט פרפין מפלסטיק, אוטמים את הצלוחית והופכים אותה מספר פעמים כדי לערבב היטב את התמיסה.
-
הסר את הסרט ושפך את התמיסה לתוך המבחנה.
-
הכינו 10 מ"ל של 3 M HCl. פיפטה 5 מ"ל של 6 M HCl לתוך גליל מדורג 10 מ"ל. הוסף מים דה-יוניים כדי למלא את הגליל המדורג לקו 10 מ"ל.
-
אטמו את החלק העליון של הגליל המדורג בסרט פרפין מפלסטיק וערבבו היטב את תמיסת HCl על ידי היפוכה מספר פעמים.
-
כעת, הפעל את מנוע הערבוב וקבל סטופר מאופס. ודא שאתה יכול לראות את ה- X דרך התמיסה במבחנה.
-
הפעל בו זמנית את שעון העצר ושפך את 3M HCl לתוך המבחנה.
-
צפו ב-X דרך התמיסה, שתתחיל להיות עכורה כאשר תיווצר מספיק גופרית כדי להרוות אותה. עצור את שעון העצר בדיוק כאשר הפתרון הופך להיות כל כך אטום שה- X נעלם.
-
הקלט את השעה במחברת המעבדה שלך עבור benchmark trial 1 ולאחר מכן אפס את שעון העצר. כמו כן, רשום את הטמפרטורה של הפתרון.
-
כעת, כבו את מנוע הערבוב, הסירו את המדחום ושטפו אותו במים נטולי יונים.
-
לאחר מכן, רוקנו את המבחנה לתוך הפסולת, שלפו את מוט הערבוב במלקחיים ארוכים, שטפו את המבחנה ואת מוט הערבוב במים נטולי יונים.
-
נקו היטב את המבחנה בעזרת מברשת מבחנה. שטפו בקצרה גם את הבקבוק הנפחי ואת הגליל המדורג במים שעברו דה-יוניזציה. יבשו הכל עם מגבות נייר.
-
חזור על גירסת הניסיון באותו אופן בדיוק בפעם השנייה. אם הזמן אינו בטווח של 3 - 5 שניות מהניסיון הראשון, חזור על משפט אמת המידה עד שיהיו לך שני ניסויים עקביים.
-
בצע את אותו הליך כולל עבור כל ניסוי עוקב, שנה את הדילולים כפי שמצוין בטבלה שלך ונקה את כלי הזכוכית שלך בין כל ניסוי. השתמש פיפטה נפחית 5 מ"ל לפי הצורך בעת מדידת תמיסת מלאי נתרן thiosulfate בניסויים ארבעה וחמישה.
-
לאחר שביצעתם את כל שמונת הניסויים, שטפו את כלי הזכוכית והכלים שלכם בפעם האחרונה ונטרלו את פסולת התגובה עם סודה לשתייה. היזהר כי דו תחמוצת הגופרית היא אחד מתוצרי התגובה.
-
העבירו את פסולת התגובה המנוטרלת למכל הפסולת הייעודי. לאחר מכן, שפכו את כל תמיסת הנתרן תיוסולפט שנותרה למיכל הפסולת המסומן שלה ושטפו את הכד במים נטולי יונים.
-
נטרלו את שאריות HCl עם סודה לשתייה לפני שטיפתו במורד הניקוז במי ברז.
-
לבסוף, נקו והניחו את כלי המעבדה שלכם בהתאם לנהלים הסטנדרטיים שלכם וזרקו את כל האשפה שנותרה במכסה המנוע שלכם. המדריך שלך ישליך את פסולת התגובה מאוחר יותר.
-
- Results
-
כעת, הערך את סדר התגובה של נתרן thiosulfate ו- HCl. חשב את הריכוז ההתחלתי של נתרן thiosulfate בתערובת התגובה עבור ניסויים 1 עד 5. כאשר מסתכלים על ריכוז הנתרן תיוסולפט וזמני התגובה, אנו רואים שככל שהריכוז מכפיל את עצמו, הזמן לאטימות מצטמצם בחצי.
טבלה 4: הערכת סדר התגובה נתרן תיוסולפט
לחץ כאן להורדת טבלה 4גירסת ניסיון [Na2S2O3] נוסף Na2S2O3 אמצעי אחסון (mL) Total volume (mL) [Na2S2O3] בתערובת Time (s) זמן הפוך (s-1) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
זכור שכל ניסוי השתמש באותו נפח, ולכן נדרשה אותה כמות של גופרית כדי להפוך כל תמיסה לאטומה. לכן, התגובה היא מהירה פי שניים כאשר ריכוז thiosulfate נתרן מוכפל.
-
כאשר הריכוז עולה פי 4, קצב התגובה עולה גם הוא פי 4. קשר אחד-על-אחד זה מצביע על כך שהתגובה הייתה מסדר ראשון עבור נתרן תיוסולפט. אם כן, היינו מצפים שתרשים של קצב לעומת ריכוז נתרן תיוסולפט יהיה ליניארי.
-
לא מדדנו כמה גופרית נדרשה כדי להפוך את התמיסה לאטומה, אבל אנחנו מניחים שזה היה זהה בכל ניסוי. זה מאפשר לנו להשתמש בהיפוך הזמן לאטימות כסטנד-אין לקצב. השיפוע לא יהיה שווה ל-k, אבל זה בסדר עבור מעבדה זו.
-
התווה זמן תגובה הפוך כפונקציה של ריכוז נתרן thiosulfate. זה מאשר את הקשר הליניארי בין ייצור גופרית לבין ריכוז thiosulfate. לפיכך, נראה שהתגובה היא מסדר ראשון ביחס לתיוסולפט.
-
השתמש באותה שיטה כדי להעריך את סדר התגובה של HCl. ראשית, חשב את הריכוז ההתחלתי של HCl במבחני אמת מידה ובניסויים 6 עד 8.
טבלה 5: הערכת HCl של סדר התגובה
לחץ כאן להורדת טבלה 5גירסת ניסיון [HCl] נוסף HCl volume (mL) Total volume (mL) [HCl] בתערובת Time (s) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
לאחר מכן, הסתכלו על ריכוז HCl ועל זמני התגובה של ניסויים אלה. זמני התגובה כמעט זהים, ולכן לריכוז HCl אין השפעה על קצב התגובה. משמעות הדבר היא כי HCl נראה בסדר אפס עבור תגובה זו.
-
לבסוף, סכמו את סדרי התגובה של המגיבים כדי לקבל את סדר התגובה הכולל.
-
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.