Zależność od koncentracji
Źródło: Smaa Koraym z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, MD, USA
- Zależność od koncentracji
W tym eksperymencie połączysz różne stężenia wodnego HCl i tiosiarczanu sodu, aby uzyskać stałą siarkę, która szybko gromadzi się w nieprzezroczyste żółte cząstki przy określonym stężeniu siarki. Ponieważ roztwór reakcyjny zaczyna się klarownie i bezbarwnie, można łatwo stwierdzić, kiedy osiąga to stężenie.
Za każdym razem użyjesz tej samej probówki i całkowitej objętości, więc potrzeba takiej samej ilości siarki, aby każdy roztwór był całkowicie nieprzezroczysty. W ten sposób będziesz mierzyć postęp reakcji, mierząc czas, ile czasu to zajmie. Następnie wykorzystasz te dane do oszacowania kolejności reakcji poszczególnych reagentów i ogólnej reakcji.
Przed rozpoczęciem laboratorium sporządź tabelę z listą stężeń reagentów, czasu do zmętnienia roztworu i temperatury roztworu dla prób.
Tabela 1: Postęp reakcji
proces [Na2S2O3] (M) [HCl] (M) Czas (s) Temperatura (°C) 1 0.1 M 3.0 M 2 0.1 M 3.0 M 3 0,2 mln 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 mln 8 0.1 M 1,5 mln Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 1
Chcemy mieć pewność, że wszystkie reakcje zachodzą w temperaturze pokojowej. Przeprowadzisz dwie próby porównawcze, trzy próby z różnymi stężeniami tiosiarczanu sodu i trzy próby z różnymi stężeniami HCl. Stężenia można zmieniać, rozcieńczając roztwory podstawowe tiosiarczanu sodu i HCl, jak pokazano w poniższych tabelach.
Tabela 2: Rozcieńczenia tiosiarczanu sodu
Stężenie docelowe Objętość 0,2 M tiosiarczanu sodu Objętość wody DI 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 Kliknij tutaj, aby pobrać Tabelę 2
Tabela 3: Rozcieńczenia HCl
Stężenie docelowe Objętość 6.0 M HCl Objętość wody DI 1,5 mln 2,5 ml 7,5 ml 3.0 M 5.0 ml 5.0 ml 4,5 mln 7,5 ml 2,5 ml 6.0 M 10 ml 0 ml Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 3
Należy pamiętać o zachowaniu ostrożności podczas obchodzenia się z HCl, który jest toksyczny i silnie. Dwutlenek siarki, który jest gazowym produktem tej reakcji, jest również toksyczny. Odpady reakcyjne pozostawisz na noc w dygestorium, aby dwutlenek siarki mógł nieszkodliwie uciec
.-
Najpierw załóż fartuch laboratoryjny, odporne na zachlapanie okulary ochronne i rękawice nitrylowe.
-
Napełnij plastikową butelkę do mycia wodą dejonizowaną i zdobądź probówkę oznaczoną znakiem X.
-
Zaciśnij probówkę na środku małej płytki mieszającej. Etykieta musi znajdować się po przeciwnej stronie niż Ty. Upewnij się, że wyraźnie widzisz X. Umieść małe mieszadło magnetyczne w probówce.
-
Użyj zacisku termometru, aby przymocować szklany termometr w dolnej jednej trzeciej probówki, trzymając go z dala od X i pręta mieszającego.
-
Wytnij arkusz około 20 kwadratów plastikowej folii parafinowej z rolki i przynieś arkusz z powrotem do swojego kaptura.
-
Połóż ręczniki papierowe w dygestoriach jako czystą powierzchnię do ponownego użycia sprzętu laboratoryjnego.
-
Oznacz zlewkę o pojemności 600 ml jako 'odpad' do reakcji, zlewkę o pojemności 100 ml jako '0,2 M tiosiarczanu sodu', a zlewkę o pojemności 50 ml jako '6 M HCl'.
-
Napełnij zlewkę o pojemności 100 ml 0,2 M tiosiarczanem sodu z butelki podstawowej w okapie dozującym.
-
Następnie przynieś 50-mililitrową zlewkę i szkiełko zegarkowe do okapu dozującego kwas, aby uzyskać 50 ml 6 M HCl. Przykryj napełnioną zlewkę szkiełkiem zegarkowym i przynieś swoją porcję HCl z powrotem do okapu.
-
Przygotuj 20 ml 0,1 M tiosiarczanu sodu do pierwszej próby porównawczej. Za pomocą pipety miarowej o pojemności 10 ml odmierz 10 ml 0,2 M tiosiarczanu sodu i rozlej go do kolby miarowej o pojemności 20 ml. Napełnij kolbę miarową o pojemności 20 ml wodą dejonizowaną do kreski.
-
Następnie wytnij kwadrat plastikowej folii parafinowej, zamknij kolbę i odwróć ją kilka razy, aby dokładnie wymieszać roztwór.
-
Usuń film i wlej roztwór do probówki.
-
Przygotuj 10 ml 3 M HCl. Odpipetuj 5 ml 6 M HCl do 10-mililitrowego cylindra z podziałką. Dodaj wodę dejonizowaną, aby napełnić cylinder z podziałką do linii o pojemności 10 ml.
-
Uszczelnij górną część cylindra z podziałką plastikową folią parafinową i dokładnie wymieszaj roztwór HCl, odwracając go kilka razy.
-
Teraz uruchom silnik mieszający i zresetuj stoper. Upewnij się, że widzisz X przez roztwór w probówce.
-
Jednocześnie uruchom stoper i wlej 3 M HCl do probówki.
-
Obserwuj X przez roztwór, który zacznie mętnieć, gdy zostanie wyprodukowana wystarczająca ilość siarki, aby go nasycić. Zatrzymaj stoper dokładnie wtedy, gdy roztwór stanie się tak nieprzezroczysty, że X zniknie.
-
Zapisz czas w swoim notatniku laboratoryjnym dla próby porównawczej 1, a następnie zresetuj stoper. Zapisz również temperaturę roztworu.
-
Teraz wyłącz silnik mieszający, wyjmij termometr i przepłucz go wodą dejonizowaną do zlewki na odpady.
-
Następnie, opróżnij probówkę do pojemnika na odpady, wyjmij pręt mieszadła długimi kleszczami i przepłucz probówkę i mieszadło wodą dejonizowaną.
-
Dokładnie wyczyść probówkę za pomocą szczotki do probówki. Krótko przepłukać kolbę miarową i cylinder miarowy wodą dejonizowaną. Osusz wszystko ręcznikami papierowymi.
-
Powtórz próbę dokładnie w ten sam sposób dla drugiego testu porównawczego. Jeśli czas nie mieści się w przedziale 3-5 sekund od pierwszej próby, powtórz próbę porównawczą, aż uzyskasz dwie spójne próby.
-
Postępuj zgodnie z tą samą ogólną procedurą dla każdej kolejnej próby, zmieniając rozcieńczenia zgodnie z tabelą i czyszcząc szkło między każdą próbą. W razie potrzeby użyj pipety miarowej o pojemności 5 ml do pomiaru roztworu podstawowego tiosiarczanu sodu w próbach czwartej i piątej.
-
Po wykonaniu wszystkich ośmiu prób, opłucz szkło i narzędzia po raz ostatni, a następnie zneutralizuj odpady reakcyjne za pomocą sody oczyszczonej. Należy zachować ostrożność, ponieważ dwutlenek siarki jest jednym z produktów reakcji.
-
Przenieś zneutralizowane odpady reakcyjne do wyznaczonego pojemnika na odpady. Następnie wlej pozostały roztwór tiosiarczanu sodu do oznaczonego pojemnika na odpady i przepłucz zlewkę wodą dejonizowaną.
-
Zneutralizuj resztki HCl za pomocą sody oczyszczonej, zanim spłucz je do kanalizacji wodą z kranu.
-
Na koniec, wyczyść i odłóż swoje przybory laboratoryjne zgodnie ze swoimi standardowymi praktykami i wyrzuć wszelkie śmieci, które pozostały w twoim kapturze. Twój instruktor usunie odpady reakcyjne później.
-
- WynikiRozwiń
-
Teraz oszacuj kolejność reakcji tiosiarczanu sodu i HCl. Oblicz początkowe stężenie tiosiarczanu sodu w mieszaninie reakcyjnej dla prób od 1 do 5. Patrząc na stężenie tiosiarczanu sodu i czasy reakcji, widzimy, że wraz ze wzrostem stężenia czas do zmętnienia skraca się o połowę.
Tabela 4: Szacowanie kolejności reakcji tiosiarczanu sodu
Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 4Próba [Na2S2O3] dodano Na2S2O3 objętość (ml) Całkowita objętość (ml) [Na2S2O3] w mieszaninie Czas (s) Czas odwrotny (s-1) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
Pamiętaj, że każda próba używała tej samej objętości, więc potrzeba było tej samej ilości siarki, aby każdy roztwór był nieprzezroczysty. Tak więc reakcja jest dwa razy szybsza, gdy stężenie tiosiarczanu sodu jest podwojone.
-
Gdy stężenie wzrasta o współczynnik 4, szybkość reakcji również wzrasta o współczynnik 4. Ta zależność jeden do jednego sugeruje, że reakcja była pierwszym rzędem dla tiosiarczanu sodu. Jeśli tak, oczekiwalibyśmy, że wykres szybkości w funkcji stężenia tiosiarczanu sodu będzie liniowy.
-
Nie mierzyliśmy, ile siarki potrzeba, aby roztwór stał się nieprzezroczysty, ale zakładamy, że było to takie samo dla każdej próby. To pozwala nam użyć odwrotności czasu do nieprzezroczystości jako zamiennika stawki. Nachylenie nie będzie równe k, ale to jest w porządku dla tego laboratorium.
-
Wykres odwrotnego czasu reakcji jako funkcję stężenia tiosiarczanu sodu. Potwierdza to liniową zależność między produkcją siarki a stężeniem tiosiarczanów. Tak więc reakcja wydaje się być pierwszego rzędu w odniesieniu do tiosiarczanu.
-
Użyj tej samej metody, aby oszacować kolejność reakcji HCl. Najpierw należy obliczyć początkowe stężenie HCl w badaniach wzorcowych oraz w badaniach od 6 do 8.
Tabela 5: Szacowanie kolejności reakcji HCl
Kliknij tutaj, aby pobrać Tabelę 5Próba [HCl] dodano objętość HCl (ml) Całkowita objętość (ml) [HCl] w mieszaninie Czas (s) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
Następnie spójrz na stężenie HCl i czasy reakcji dla tych prób. Czasy reakcji są prawie identyczne, więc stężenie HCl nie ma wpływu na szybkość reakcji. Oznacza to, że HCl wydaje się być rzędem zerowym dla tej reakcji.
-
Na koniec, zsumuj kolejność reakcji reagentów, aby uzyskać ogólną kolejność reakcji.
-
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.