濃度依存性
出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym
- 濃度依存性
この実験では、さまざまな濃度のHCl水溶液とチオ硫酸ナトリウムを組み合わせて固体硫黄を作り、特定の硫黄濃度で不透明な黄色の粒子に急速に集まります。反応液は無色透明で開始するため、その濃度に達すると簡単にわかります。
毎回同じ試験管と総体積を使用するため、各溶液を完全に不透明にするには同じ量の硫黄が必要です。したがって、反応の進行状況を測定するには、それにかかる時間を計ります。次に、そのデータを使用して、個々の反応物と全体的な反応の反応順序を推定します。
ラボを開始する前に、反応物の濃度、溶液の不透明度までの時間、および試験の溶液温度をリストした表を作成します。
表1:反応の進行状況
裁判 [ナ2S2オ3](M) [HCl](M) 時間 (秒) 温度 (°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 私たちは、反応がすべて室温で起こっていることを確認したいと考えています。2 つのベンチマーク試験、異なるチオ硫酸ナトリウム濃度の 3 つの試験、および異なる HCl 濃度の 3 つの試験を実施します。次の表に示すように、チオ硫酸ナトリウムとHClのストック溶液を希釈して濃度を変化させます。
表2:チオ硫酸ナトリウム希釈液
。目標濃度 0.2 Mチオ硫酸ナトリウムの容量 DI水の量 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 表3:HCl希釈液
目標濃度 >6.0 M HCl のボリューム DI水の量 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 HClは毒性があり、腐食性が高いため、取り扱いには注意が必要です。この反応の気体生成物である二酸化硫黄も有毒です。反応廃棄物をヒュームフードに一晩放置して、二酸化硫黄を無害に逃がします。
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まず、白衣、防滴安全メガネ、ニトリル手袋を着用してください。
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プラスチック製の洗浄ボトルに脱イオン水を入れ、Xのマークが付いた試験管を入手します。
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小さな攪拌板の中央に試験管を固定します。ラベルはあなたとは反対側にある必要があります。Xがはっきりと見えることを確認してください試験管に小さなマグネチックスターバーを置きます。
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温度計クランプを使用して、ガラス温度計をチューブの下3分の1に固定し、Xと攪拌棒を避けます。
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ロールから約20マスのプラスチックパラフィンフィルムのシートを切り取り、そのシートをフードに戻します。
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ペーパータオルをヒュームフードに敷き詰めて、実験器具を再利用するためのきれいな表面として使用します。
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600 mLのビーカーを反応の「廃棄物」として、100 mLのビーカーを「0.2 M sodium thiosulfate」として、50 mLのビーカーを「6 M HCl」とラベル付けします。
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100mLビーカーに、分注フード内のストックボトルから0.2Mチオ硫酸ナトリウムを入れます。
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その後、50mLのビーカーと時計のグラスを酸分注フードに持って行き、50mLの6M HClを取得します。充填されたビーカーを時計のガラスで覆い、HClの部分をフードに戻します。
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最初のベンチマーク試験のために、0.1 Mチオ硫酸ナトリウムを20 mL準備します。10 mL メスピペットを使用して 10 mL の 0.2 M チオ硫酸ナトリウムを測定し、20 mL メスフラスコに分注します。20 mLメスフラスコに脱イオン水を入れます。
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次に、プラスチックパラフィンフィルムを正方形にカットし、フラスコを密封し、数回反転させて溶液を完全に混合します。
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フィルムをはがし、溶液を試験管に注ぎます。
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10 mLの3 M HClを準備します。ピペット5 mLの6 M HClを10 mLメスシリンダーに入れます。脱イオン水を加えて、メスシリンダーを10mLラインに充填します。
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メスシリンダーの上部をプラスチックパラフィンフィルムで密封し、HCl溶液を数回反転させて完全に混合します。
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さあ、攪拌モーターを始動して、リセットストップウォッチを手に入れましょう。試験管内の溶液を通してXが見えることを確認します。
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ストップウォッチを同時に開始し、3 M HClを試験管に注ぎます。
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溶液を通してXを観察してください。溶液は、それを飽和させるのに十分な硫黄が生成されると濁り始めます。溶液が不透明になり、Xが消えたら、正確にストップウォッチを停止します。
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ベンチマークトライアル1の時間をラボノートに記録し、ストップウォッチをリセットします。また、溶液の温度も記録します。
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次に、攪拌モーターをオフにし、温度計を取り外し、脱イオン水で廃棄物ビーカーにすすぎます。
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次に、試験管を廃棄物ビーカーに空にし、長い鉗子で攪拌子を取り出し、試験管と攪拌棒を脱イオン水ですすいでください。
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試験管ブラシで試験管を徹底的に清掃します。メスフラスコとメスシリンダーも脱イオン水で短時間すすぎます。ペーパータオルですべてを乾かします。
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2番目のベンチマーク時間についてもまったく同じ方法で試行を繰り返します。時間が最初の試行から 3 秒から 5 秒以内でない場合は、2 つの一貫した試行が得られるまでベンチマーク試行を繰り返します。
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その後の各試行で、表に示されているように希釈を変更し、各試行の間にガラス器具をクリーニングし、同じ全体的な手順に従います。試験4および5でチオ硫酸ナトリウムストック溶液を測定する場合は、必要に応じて5 mL容量ピペットを使用してください。
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8回の試行をすべて行ったら、最後にもう一度ガラス器具と道具をすすぎ、重曹で反応廃棄物を中和します。二酸化硫黄は反応生成物の一つであるため、注意が必要です。
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中和した反応廃棄物を指定された廃棄物容器に移します。次に、残っているチオ硫酸ナトリウム溶液をラベル付きの廃棄物容器に注ぎ、ビーカーを脱イオン水ですすいでください。
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水道水で排水溝に流す前に、残っているHClを重曹で中和します。
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最後に、標準的な方法に従って実験器具を掃除して片付け、フードに残っているゴミは捨ててください。反応廃棄物は後日、インストラクターが処分します。
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- Results
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さて、チオ硫酸ナトリウムとHClの反応順序を推定します。試験1から5までの反応混合物中のチオ硫酸ナトリウムの開始濃度を計算します。チオ硫酸ナトリウムの濃度と反応時間を見ると、濃度が2倍になると、混濁までの時間が半分になることがわかります。。
表4:反応順序の推定チオ硫酸
ナトリウム
ここをクリックして表 4 をダウンロードしてくださいトライアル [Na2S2O3] が追加されました Na2S2O3 容量 (mL) 総容量 (mL) [Na2S2O3] を混ぜて 時間 (秒) 逆時間 (s-1) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
各試験で同じ量が使用されていたため、各溶液を不透明にするのに同じ量の硫黄が必要だったことを覚えておいてください。したがって、チオ硫酸ナトリウム濃度が2倍になると、反応は2倍速くなります。
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濃度が4倍になると、反応速度も4倍に増加します。この1対1の関係は、反応がチオ硫酸ナトリウムの一次であったことを示唆しています。もしそうなら、速度対チオ硫酸ナトリウム濃度のプロットは線形であると予想されます。
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溶液を不透明にするのに必要な硫黄の量は測定していませんが、各試行で同じであると仮定しています。これにより、不透明度に対する時間の逆数をレートの代用として使用できます。傾きは k と等しくなりませんが、このラボでは問題ありません。
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逆反応時間をチオ硫酸ナトリウム濃度の関数としてプロットします。これは、硫黄生産とチオ硫酸塩濃度との間の線形関係を裏付けています。したがって、反応はチオ硫酸塩に関して一次的であるように思われます。
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HClの反応順序を推定するために同じ方法を使用します。まず、ベンチマーク試験と試験6から8におけるHClの開始濃度を計算します。
表5:反応次数HClの推定
ここをクリックして表 5 をダウンロードトライアル [HCl]を追加 >HCl容量(mL) 総容量 (mL) [HCl]を混ぜて 時間 (秒) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
次に、これらの試験のHClの濃度と反応時間を見てください。反応時間はほぼ同じであるため、HCl濃度は反応速度に影響を与えません。これは、HClがこの反応に対して0次であるように見えることを意味します。
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最後に、反応物の反応順序を合計して、全体的な反応順序を取得します。
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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.