Dipendenza dalla concentrazione

Fonte: Smaa Koraym presso la Johns Hopkins University, MD, USA

1. Dipendenza dalla concentrazioneEspandi

   In questo esperimento, combinerai concentrazioni variabili di HCl acquoso e tiosolfato di sodio per ottenere zolfo solido, che si raccoglie rapidamente in particelle gialle opache a una certa concentrazione di zolfo. Poiché la soluzione di reazione inizia limpida e incolore, puoi facilmente capire quando raggiunge quella concentrazione.

   Utilizzerai ogni volta la stessa provetta e lo stesso volume totale, quindi ci vorrà la stessa quantità di zolfo per rendere ogni soluzione completamente opaca. Pertanto, misurerai l'andamento della reazione cronometrando il tempo necessario. Utilizzerai quindi questi dati per stimare gli ordini di reazione dei singoli reagenti e della reazione complessiva.

   Prima di iniziare il laboratorio, creare una tabella che elenchi le concentrazioni dei reagenti, il tempo necessario per l'opacità della soluzione e la temperatura della soluzione per le prove.

   Tabella 1: Andamento della reazione

   prova	[Na2S2O3] (M)	[HCl] (M)	Tempo (i)	Temperatura (°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

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   Vogliamo assicurarci che le reazioni avvengano tutte a temperatura ambiente. Eseguirai due prove di riferimento, tre prove con diverse concentrazioni di tiosolfato di sodio e tre prove con diverse concentrazioni di HCl. Le concentrazioni variano diluendo le soluzioni madre di tiosolfato di sodio e HCl, come mostrato nelle tabelle seguenti.

   Tabella 2: Diluizioni di tiosolfato di sodio

   Concentrazione target	Volume di 0,2 M di tiosolfato di sodio	Volume di acqua deionizzata
   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

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   Tabella 3: Diluizioni di HCl

   Concentrazione target	Volume di 6.0 M HCl	Volume di acqua deionizzata
   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

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   Ricordarsi di prestare attenzione quando si maneggia l'HCl, che è tossico e altamente corrosivo. Anche l'anidride solforosa, che è un prodotto gassoso di questa reazione, è tossica. Lascerai i rifiuti di reazione nella cappa aspirante durante la notte per far fuoriuscire l'anidride solforosa in modo innocuo.

   • Per prima cosa, indossa un camice da laboratorio, occhiali di sicurezza a prova di schizzi e guanti in nitrile.
   • Riempi una bottiglia di plastica con acqua deionizzata e prendi una provetta contrassegnata con una X.
   • Blocca la provetta sopra il centro di una piccola piastra di agitazione. L'etichetta deve essere sul lato opposto rispetto a te. Assicurati di poter vedere chiaramente la X. Posiziona una piccola ancoretta magnetica nella provetta.
   • Usa un morsetto per termometro per fissare un termometro di vetro nel terzo inferiore del tubo, tenendolo lontano dalla X e dalla barra di agitazione.
   • Taglia un foglio di circa 20 quadrati di pellicola di paraffina di plastica da un rotolo e riporta il foglio nella tua cappa.
   • Stendere dei tovaglioli di carta nella cappa aspirante come superficie pulita per il riutilizzo del materiale da laboratorio.
   • Etichetta un becher da 600 ml come 'rifiuto' per la reazione, un becher da 100 ml come '0.2 M sodium thiosolfato' e un becher da 50 mL come '6 M HCl'.
   • Riempi il becher da 100 ml con 0,2 M di tiosolfato di sodio dal flacone di riserva nel cappuccio di erogazione.
   • Dopodiché, porta il becher da 50 ml e un vetro dell'orologio alla cappa di erogazione dell'acido per ottenere 50 ml di HCl 6 M. Copri il bicchiere pieno con il vetro dell'orologio e riporta la tua porzione di HCl nella cappa.
   • Prepara 20 ml di tiosolfato di sodio 0,1 M per il primo studio di benchmark. Utilizzare una pipetta tarata da 10 ml per misurare 10 ml di tiosolfato di sodio 0,2 M e dosarlo in un matraccio tarato da 20 ml. Riempire il matraccio tarato da 20 ml con acqua deionizzata fino al segno.
   • Quindi, taglia un quadrato di pellicola di paraffina di plastica, sigilla il pallone e capovolgilo più volte per mescolare accuratamente la soluzione.
   • Rimuovi la pellicola e versa la soluzione nella provetta.
   • Prepara 10 mL di HCl 3 M. Pipetta 5 mL di HCl 6 M in un cilindro graduato da 10 mL. Aggiungere acqua deionizzata per riempire il cilindro graduato alla linea da 10 ml.
   • Sigilla la parte superiore del cilindro graduato con un film di paraffina di plastica e mescola accuratamente la soluzione di HCl capovolgendola più volte.
   • Ora, avvia il motore di agitazione e ottieni un cronometro azzerato. Conferma di poter vedere la X attraverso la soluzione nella provetta.
   • Avvia contemporaneamente il cronometro e versa i 3 M HCl nella provetta.
   • Guarda la X attraverso la soluzione, che inizierà a diventare torbida quando sarà stato prodotto abbastanza zolfo per saturarla. Ferma il cronometro esattamente quando la soluzione diventa così opaca che la X scompare.
   • Registra il tempo nel tuo quaderno di laboratorio per la prova di benchmark 1 e poi reimposta il cronometro. Inoltre, registra la temperatura della soluzione.
   • Ora, spegni il motore di agitazione, rimuovi il termometro e sciacqualo con acqua deionizzata nel becher dei rifiuti.
   • Quindi, svuota la provetta nel becher di scarto, recupera la barra di agitazione con una pinza lunga e risciacqua la provetta e la barra di agitazione con acqua deionizzata.
   • Pulisci accuratamente la provetta con una spazzola per provette. Sciacquare brevemente anche il matraccio tarato e il cilindro graduato con acqua deionizzata. Asciugare il tutto con carta assorbente.
   • Ripeti la prova nello stesso identico modo per il secondo tempo di benchmark. Se il tempo non è compreso tra 3 e 5 secondi dalla prima prova, ripetere la prova di riferimento fino a quando non si hanno due prove coerenti.
   • Segui la stessa procedura generale per ogni prova successiva, modificando le diluizioni come indicato nella tua tabella e pulendo la tua vetreria tra una prova e l'altra. Utilizzare una pipetta volumetrica da 5 mL, se necessario, quando si misura la soluzione madre di tiosolfato di sodio nelle prove quattro e cinque.
   • Una volta eseguite tutte e otto le prove, sciacqua la vetreria e gli strumenti un'ultima volta e neutralizza i rifiuti di reazione con bicarbonato di sodio. Prestare attenzione perché l'anidride solforosa è uno dei prodotti di reazione.
   • Trasferisci i rifiuti di reazione neutralizzati nel contenitore di rifiuti designato. Quindi, versare la soluzione di tiosolfato di sodio rimanente nel contenitore dei rifiuti etichettato e sciacquare il becher con acqua deionizzata.
   • Neutralizza qualsiasi HCl rimanente con bicarbonato di sodio prima di gettarlo nello scarico con acqua del rubinetto.
   • Infine, pulisci e metti via il tuo materiale da laboratorio secondo le tue pratiche standard e butta via la spazzatura rimasta nel tuo cappuccio. Il tuo istruttore smaltirà i rifiuti di reazione in un secondo momento.
2. RisultatiEspandi
   • Ora, stima l'ordine di reazione del tiosolfato di sodio e dell'HCl. Calcola la concentrazione iniziale di tiosolfato di sodio nella miscela di reazione per le prove da 1 a 5. Osservando la concentrazione di tiosolfato di sodio e i tempi di reazione, vediamo che al raddoppio della concentrazione, il tempo di opacità si dimezza.

     Tabella 4: Stima dell'ordine di reazione del tiosolfato di sodio

     Prova	[Na2S2O3] aggiunto	Na2S2O3 volume (mL)	Volume totale (mL)	[Na2S2O3] in miscuglio	Tempo (s)	Tempo inverso (s-1)
     1, 2	0.1
     3	0.2
     4	0.15
     5	0.05

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   • Ricorda che ogni prova ha utilizzato lo stesso volume, quindi ci è voluta la stessa quantità di zolfo per rendere opaca ogni soluzione. Pertanto, la reazione è due volte più veloce quando la concentrazione di tiosolfato di sodio è raddoppiata.
   • Quando la concentrazione aumenta di un fattore 4, anche la velocità di reazione aumenta di un fattore 4. Questa relazione uno-a-uno suggerisce che la reazione sia stata di primo ordine per il tiosolfato di sodio. In tal caso, ci aspetteremmo che un grafico della velocità rispetto alla concentrazione di tiosolfato di sodio sia lineare.
   • Non abbiamo misurato quanto zolfo ci è voluto per rendere opaca la soluzione, ma supponiamo che fosse lo stesso per ogni prova. Questo ci permette di utilizzare l'inverso del tempo all'opacità come sostituto del tasso. La pendenza non sarà uguale a k, ma va bene per questo laboratorio.
   • Traccia il tempo di reazione inversa in funzione della concentrazione di tiosolfato di sodio. Ciò conferma la relazione lineare tra la produzione di zolfo e la concentrazione di tiosolfato. Pertanto, la reazione sembra essere di prim'ordine rispetto al tiosolfato.
   • Usa lo stesso metodo per stimare l'ordine di reazione di HCl. Innanzitutto, calcolare la concentrazione iniziale di HCl negli studi di riferimento e negli studi da 6 a 8.

     Tabella 5: Stima dell'ordine di reazione HCl

     Prova	[HCl] aggiunto	Volume HCl (mL)	Volume totale (mL)	[HCl] in miscuglio	Tempo (s)
     1, 2	0.1
     3	0.2
     4	0.15
     5	0.05

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   • Allora, guarda la concentrazione di HCl e i tempi di reazione per queste prove. I tempi di reazione sono quasi identici, quindi la concentrazione di HCl non ha alcun effetto sulla velocità di reazione. Ciò significa che HCl sembra essere l'ordine zero per questa reazione.
   • Infine, somma gli ordini di reazione dei reagenti per ottenere l'ordine di reazione complessivo.