집중 의존성
출처: Smaa Koraym at Johns Hopkins University, MD, USA
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이 실험에서는 다양한 농도의 수성 HCl과 티오황산나트륨을 결합하여 특정 황 농도에서 불투명한 노란색 입자로 빠르게 모이는 고체 황을 만듭니다. 반응 용액은 투명하고 무색으로 시작하기 때문에 해당 농도에 도달하면 쉽게 알 수 있습니다.
매번 동일한 시험관과 총 부피를 사용하므로 각 용액을 완전히 불투명하게 만드는 데 동일한 양의 황이 필요합니다. 따라서 소요 시간을 측정하여 반응 진행 상황을 측정합니다. 그런 다음 해당 데이터를 사용하여 개별 반응물과 전체 반응의 반응 순서를 추정합니다.
실험실을 시작하기 전에 반응물 농도, 용액 불투명도까지의 시간 및 시험을 위한 용액 온도를 나열하는 표를 만드십시오.
표 1: 반응 진행 상황
.재판 [나2초2O3] (M) [HCl] (M) 시간 (초) 온도 (°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 우리는 반응이 모두 실온에서 일어나고 있는지 확인하고 싶습니다. 2개의 벤치마크 시험, 서로 다른 티오황산나트륨 농도를 사용한 3개의 시험, 그리고 다른 HCl 농도를 사용한 3개의 시험을 수행하게 됩니다. 다음 표와 같이 sodium thiosulfate와 HCl의 원액을 희석하여 농도를 변경합니다.
표 2: 티오황산나트륨 희석액
.목표 집중 >0.2M 티오 황산 나트륨의 부피 DI 물의 양 0.05 m 5 mL 15mL 0.10 m 10 mL 10 mL 0.15 m 15mL 5 mL 0.20 m 20mL 0mL 표 3: HCl 희석
.목표 집중 6.0m HCl의 부피 DI 물의 양 1.5 m 2.5mL 7.5 mL 3.0 m 5.0 mL 5.0 mL 4.5 M 7.5 mL 2.5mL 6.0 m 10 mL 0mL 독성이 있고 부식성이 강한 HCl을 다룰 때는 주의하십시오. 이 반응의 기체 산물인 이산화황도 독성이 있습니다. 이산화황이 무해하게 빠져나갈 수 있도록 반응 폐기물을 흄 후드에 밤새 방치합니다.
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먼저 실험복, 생활 방수 보안경, 니트릴 장갑을 착용합니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-7">
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롤에서 약 20제곱의 플라스틱 파라핀 필름 시트를 자르고 시트를 후드로 다시 가져옵니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-11">
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그런 다음 플라스틱 파라핀 필름을 정사각형으로 자르고 플라스크를 밀봉한 다음 여러 번 뒤집어 용액을 완전히 혼합합니다.
< 데이터 하위 메모 항목 = "1-17">
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10mL의 3M HCl. 피펫 5mL를 10mL 눈금이 매겨진 실린더에 준비합니다. 탈이온수를 추가하여 눈금이 매겨진 실린더를 10mL 라인에 채웁니다.
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눈금이 매겨진 실린더의 상단을 플라스틱 파라핀 필름으로 밀봉하고 HCl 용액을 여러 번 뒤집어 완전히 혼합합니다.
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이제 교반 모터를 시작하고 리셋 스톱워치를 얻으십시오. 시험관의 용액을 통해 X가 보이는지 확인합니다.
< 데이터 하위 메모 항목 = "1-21">
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용액을 통해 X를 관찰하십시오. 이는 포화 될 충분한 황이 생성되면 흐려지기 시작할 것입니다. 솔루션이 너무 불투명해져서 X가 사라지면 정확히 스톱워치를 중지하십시오.
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벤치마크 트라이얼 1에 대한 랩 노트에 시간을 기록한 다음 스톱워치를 재설정합니다. 또한 용액의 온도를 기록하십시오.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-24">
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각 후속 시도에 대해 동일한 전체 절차를 따르고, 표에 표시된 대로 희석액을 변경하고 각 시도 사이에 유리 그릇을 세척합니다. 시험 4 및 5에서 sodium thiosulfate 원액을 측정할 때 필요에 따라 5mL 용량 피펫을 사용하십시오.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-29">
플라스틱 세척 병에 탈이온수를 채우고 X가 표시된 시험관을 얻습니다.< 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-8">작은 교반 플레이트의 중앙에 시험관을 고정합니다. 레이블은 반대쪽에 있어야 합니다. X가 명확하게 보이는지 확인하십시오. 시험관에 작은 자기 교반 막대를 놓습니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-9">온도계 클램프를 사용하여 튜브의 아래쪽 1/3에 유리 온도계를 고정하고 X와 교반 막대를 멀리합니다.실험기구를 재사용할 수 있는 깨끗한 표면으로 흄 후드에 종이 타월을 깔아주세요.< 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-12">반응에 대해 600mL 비커를 'waste'로, 100mL 비커를 '0.2 M sodium thiosulfate'로, 50mL 비커를 '6 M HCl'로 표시합니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-13">분배 후드의 스톡 병에서 100mL 비커에 0.2M 티오황산나트륨을 채웁니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-14">그 후, 50mL 비커와 시계 유리를 산 분주 후드로 가져와 50mL의 6M HCl을 얻습니다. 채워진 비커를 시계 유리로 덮고 HCl의 일부를 후드로 다시 가져옵니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-15">첫 번째 벤치마크 시험을 위해 0.1M 티오황산나트륨 20mL를 준비합니다. 10mL 용량 피펫을 사용하여 10mL의 0.2M 티오황산나트륨을 측정하고 20mL 용량 플라스크에 분배합니다. 20mL 용량 플라스크에 탈이온수를 표시선까지 채웁니다.필름을 제거하고 용액을 시험관에 붓습니다.동시에 스톱워치를 시작하고 3M HCl을 시험관에 붓습니다.이제 교반 모터를 끄고 온도계를 제거한 다음 탈이온수로 폐기물 비커에 헹굽니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-25">그런 다음 시험관을 폐기물 비커에 비우고 긴 집게로 교반 막대를 회수한 다음 시험관을 헹구고 탈이온수로 막대를 저어줍니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-26">시험관 브러시로 시험관을 철저히 청소합니다. 부피 플라스크와 눈금이 매겨진 실린더도 탈이온수로 간단히 헹굽니다. 종이 타월로 모든 것을 말리십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-27">두 번째 벤치 마크 시간에 대해 똑같은 방식으로 평가판을 반복하십시오. 시간이 첫 번째 시도에서 3 - 5초 이내가 아닌 경우 두 번의 일관된 시도가 있을 때까지 벤치마크 시도를 반복합니다.여덟 번의 시도를 모두 수행했으면 유리 제품과 도구를 마지막으로 한 번 헹구고 베이킹 소다로 반응 폐기물을 중화하십시오. 이산화황은 반응 생성물 중 하나이므로 주의하십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-30">중화된 반응 폐기물을 지정된 폐기물 용기로 이송합니다. 그런 다음 남아있는 티오황산나트륨 용액을 라벨이 붙은 폐기물 용기에 붓고 비커를 탈이온수로 헹굽니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-31">수돗물로 배수구로 씻어내기 전에 베이킹 소다로 남아 있는 HCl을 중화하십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-32">마지막으로, 표준 관행에 따라 실험기구를 청소하고 치우고 후드에 남아 있는 쓰레기는 모두 버리십시오. 강사는 나중에 반응 폐기물을 처리할 것입니다. -
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< 데이터 하위 메모 항목 = "2-1">
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각 시도는 동일한 부피를 사용했기 때문에 각 용액을 불투명하게 만드는 데 동일한 양의 황이 필요했습니다. 따라서, 나트륨 티오 설페이트 농도가 두 배가 될 때 반응이 두 배 빠릅니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "2-3">
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동일한 방법을 사용하여 HCl의 반응 순서를 추정합니다. 먼저, 벤치마크 시험과 시험 6에서 8까지의 시험에서 HCl의 시작 농도를 계산합니다..
표 5: 반응 순서 HCl 추정
표 5를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오시험판 [HCl] 추가 HCl 부피(mL) 총 부피(mL) [HCl] 혼합 시간 (초) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05
< 데이터 하위 노트 항목 = "2-7">
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마지막으로 반응물의 반응 순서를 더하여 전체 반응 순서를 구합니다.
이제 티오황산나트륨과 HCl의 반응 순서를 추정합니다. 시험 1에서 5까지의 반응 혼합물에서 티오황산나트륨의 시작 농도를 계산합니다. sodium thiosulfate의 농도와 반응 시간을 살펴보면 농도가 두 배로 증가함에 따라 불투명도 시간이 절반으로 줄어드는 것을 볼 수 있습니다..표 4: 반응 순서 추정 티오황산나트륨
표 4를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오시험판 [Na2S2O3] 추가 Na2S2O3 부피(mL) 총 부피(mL) [Na2S2O3] 혼합 시간 (초) 역시간(s-1) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 농도가 4배 증가하면 반응 속도도 4배 증가합니다. 이 일대일 관계는 반응이 티오황산나트륨에 대한 1차였음을 시사합니다. 그렇다면, 우리는 속도 대 티오황산나트륨 농도의 플롯이 선형일 것으로 예상할 수 있습니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "2-4">우리는 용액을 불투명하게 바꾸는 데 얼마나 많은 황이 필요한지 측정하지 않았지만 각 시도에서 동일하다고 가정합니다. 이를 통해 불투명도에 대한 시간의 역을 속도의 대용으로 사용할 수 있습니다. 기울기는 k와 같지 않지만 이 랩에서는 괜찮습니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "2-5">티오황산나트륨 농도의 함수로 역반응 시간을 플로팅합니다. 이는 황 생산과 티오황산염 농도 사이의 선형 관계를 확인합니다. 따라서, 반응은 티오설페이트에 대해 1차인 것으로 보인다.그런 다음 HCl의 농도와 이러한 시도의 반응 시간을 살펴보십시오. 반응 시간은 거의 동일하므로 HCl 농도는 반응 속도에 영향을 미치지 않습니다. 이것은 HCl이 이 반응에 대해 0차인 것처럼 보인다는 것을 의미합니다. -
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.