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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Dependência de Concentração

Conceitos Preparação do instrutor Protocolo do estudante

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A medida da rapidez com que uma reação ocorre é chamada de taxa de reação. Para uma reação de etapa única, a taxa é igual à mudança na concentração de cada reagente ou produto ao longo do tempo multiplicada pelo inverso do coeficiente estequiométrico correspondente. Você pode pensar na mudança na concentração ao longo do tempo como a concentração no tempo t menos a concentração inicial dividida por t. As taxas de reação são sempre positivas, então as expressões do reagente têm sinais negativos. Essas taxas podem não ser iguais em reações de várias etapas, mas ainda podemos usar essa relação como uma estimativa para a reação geral.

A lei de taxa, ou equação de taxa, descreve a relação entre a velocidade da reação e as concentrações do reagente. Nesta equação, k é a constante de taxa, A e B são os dois reagentes e m e n são suas respectivas ordens de reação. A ordem da reação descreve a relação entre a concentração de um reagente e a taxa e não está relacionada à estequiometria. É vital lembrar que a ordem da reação não é a mesma que o coeficiente do reagente na equação balanceada.

Quando uma reação envolve dois ou mais reagentes, devemos considerar a ordem de reação para cada reagente. A ordem geral da reação é igual à soma das ordens de reação dos reagentes. Por exemplo, se o reagente A é de primeira ordem e o reagente B é de ordem zero, a ordem geral da reação é um. As ordens de reação mais comuns em reações simples são ordem zero, primeira ordem e segunda ordem. Vamos examiná-los usando uma reação unimolecular como exemplo.

Se a reação for de ordem zero, a concentração do reagente não terá efeito na taxa de reação. Assim, a taxa de reação é igual a k, a constante de taxa. Um gráfico da taxa de reação em relação à concentração é uma linha horizontal.

Nas relações de primeira ordem, a concentração do reagente está linearmente relacionada à taxa de reação. Assim, a taxa é igual à constante de taxa vezes a concentração do reagente. Um gráfico da taxa de reação em relação à concentração será linear, com k como inclinação.

Se a reação for de segunda ordem, há uma relação quadrática entre a concentração e a taxa. Assim, a taxa é igual à constante de taxa vezes a concentração ao quadrado. Um gráfico da taxa em relação à concentração será parabólico, com k como inclinação.

A constante de taxa, k, é um valor dependente da temperatura que relaciona a energia de ativação da reação com a taxa de reação. Você explorará isso no próximo experimento de laboratório.

As taxas de reação são normalmente dadas em moles por litro por segundo. A taxa tem as mesmas unidades, independentemente da ordem de reação. Assim, a constante de taxa tem unidades diferentes, dependendo da ordem de reação. Por exemplo, se A é de primeira ordem e B é de ordem zero, então temos uma instância de moles por litro na equação de taxa. Portanto, a constante de taxa deve estar em segundos inversos.

Então, como determinamos a ordem de reação? A ordem de reação deve ser determinada experimentalmente por meio de uma série de testes. Se você tiver dois reagentes, um método é manter a concentração de um reagente constante, variar o outro e cronometrar quanto tempo leva para fazer uma certa quantidade de produto. O mesmo processo é repetido para o segundo reagente. Você pode então estimar a ordem de cada reagente plotando a taxa versus a concentração variável dos reagentes e vendo se ela se parece com um gráfico de zero, primeira ou segunda ordem. Combinar seus dados com a equação de taxa correspondente também permitirá que você calcule k.

Neste laboratório, você determinará as ordens de reação de dois reagentes variando suas concentrações e cronometrando quanto tempo leva para a reação progredir para tornar a solução opaca.

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Fonte: Smaa Koraym na Universidade Johns Hopkins, MD, EUA

Dependência de concentração
Neste experimento, você combinará concentrações variadas de HCl aquoso e tiossulfato de sódio para produzir enxofre sólido, que se reúne rapidamente em partículas amarelas opacas em uma certa concentração de enxofre. Como a solução de reação começa clara e incolor, você pode facilmente dizer quando ela atinge essa concentração.

Você usará o mesmo tubo de ensaio e volume total todas as vezes, portanto, será necessária a mesma quantidade de enxofre para tornar cada solução completamente opaca. Assim, você medirá o progresso da reação cronometrando quanto tempo isso leva. Em seguida, você usará esses dados para estimar as ordens de reação dos reagentes individuais e da reação geral.

Antes de iniciar o laboratório, faça uma tabela listando as concentrações de reagentes, o tempo para a opacidade da solução e a temperatura da solução para os testes.

Tabela 1: Progresso da reação

julgamento [Na₂S₂O₃] (M) [HCl] (M) Tempo(s) Temp (°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

Clique aqui para baixar a Tabela 1

Queremos ter certeza de que todas as reações estão ocorrendo à temperatura ambiente. Você realizará dois ensaios de referência, três ensaios com diferentes concentrações de tiossulfato de sódio e três ensaios com diferentes concentrações de HCl. Você variará as concentrações diluindo as soluções de estoque de tiossulfato de sódio e HCl, conforme mostrado nas tabelas a seguir.

Quadro 2: Diluições de tiossulfato de sódio

Concentração de alvo Volume de tiossulfato de sódio 0,2 M Volume de água 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

Clique aqui para baixar a Tabela 2

Tabela 3: Diluições de HCl

Concentração de alvo Volume de 6,0 M HCl Volume de água DI
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

Clique aqui para baixar a Tabela 3

Lembre-se de ter cuidado ao manusear HCl, que é tóxico e altamente corrosivo. O dióxido de enxofre, que é um produto gasoso dessa reação, também é tóxico. Você deixará os resíduos de reação na capela durante a noite para permitir que o dióxido de enxofre escape inofensivamente.
- Primeiro, coloque um jaleco, óculos de segurança à prova de respingos e luvas de nitrilo.
- Encha um frasco de lavagem de plástico com água deionizada e obtenha um tubo de ensaio marcado com um X.
- Clamp o tubo de ensaio sobre o centro de uma pequena placa de agitação. O rótulo deve estar do lado oposto ao seu. Certifique-se de que você pode ver claramente o X. Coloque uma pequena barra de agitação magnética no tubo de ensaio.
- Use um termômetro clamp para prender um termômetro de vidro no terço inferior do tubo, mantendo-o afastado do X e da barra de agitação.
- Corte uma folha de cerca de 20 quadrados de filme plástico de parafina de um rolo e traga a folha de volta ao capô.
- Coloque toalhas de papel na hotte como uma superfície limpa para a reutilização do material de laboratório.
- Rotule um béquer de 600 mL como 'resíduo' para a reação, um béquer de 100 mL como 'tiossulfato de sódio 0,2 M' e um béquer de 50 mL como 'HCl 6 M'.
- Encha o copo de 100 mL com tiossulfato de sódio 0.2 M do frasco de estoque na tampa de distribuição.
- Depois disso, leve o copo de 50 mL e um vidro de relógio ao exaustor de distribuição de ácido para obter 50 mL de HCl 6 M. Cubra o copo cheio com o vidro do relógio e traga sua porção de HCl de volta ao exaustor.
- Prepare 20 mL de tiossulfato de sódio 0,1 M para o primeiro estudo de referência. Use uma pipeta volumétrica de 10 mL para medir 10 mL de tiossulfato de sódio 0,2 M e distribua-o em um balão volumétrico de 20 mL. Encha o balão volumétrico de 20 ml com água desionizada até à marca.
- Em seguida, corte um quadrado de filme plástico de parafina, feche o frasco e inverta-o várias vezes para misturar bem a solução.
- Remova o filme e despeje a solução no tubo de ensaio.
- Prepare 10 mL de HCl 3 M. Pipete 5 mL de HCl 6 M em um cilindro graduado de 10 mL. Adicione água deionizada para encher o cilindro graduado até a linha de 10 mL.
- Sele a parte superior do cilindro graduado com filme plástico de parafina e misture bem a solução de HCl invertendo-a várias vezes.
- Agora, ligue o motor de agitação e obtenha um cronômetro de reinicialização. Confirme se você pode ver o X através da solução no tubo de ensaio.
- Inicie simultaneamente o cronômetro e despeje o HCl 3 M no tubo de ensaio.
- Observe o X através da solução, que começará a ficar turva quando enxofre suficiente for produzido para saturá-lo. Pare o cronômetro exatamente quando a solução se tornar tão opaca que o X desaparecer.
- Registre a hora em seu caderno de laboratório para o teste de benchmark 1 e, em seguida, reinicie o cronômetro. Além disso, registre a temperatura da solução.
- Agora, desligue o motor de agitação, remova o termômetro e enxágue-o com água deionizada no copo de resíduos.
- Em seguida, esvazie o tubo de ensaio no copo de resíduos, recupere a barra de agitação com uma pinça longa e enxágue o tubo de ensaio e a barra de agitação com água deionizada.
- Limpe completamente o tubo de ensaio com uma escova de tubo de ensaio. Enxágue brevemente o balão volumétrico e o cilindro graduado também com água deionizada. Seque tudo com papel toalha.
- Repita o teste exatamente da mesma maneira para o segundo tempo de benchmark. Se o tempo não estiver entre 3 e 5 s da primeira tentativa, repita a tentativa de referência até ter duas tentativas consistentes.
- Siga o mesmo procedimento geral para cada tentativa subsequente, alterando as diluições conforme indicado em sua tabela e limpando sua vidraria entre cada tentativa. Use uma pipeta volumétrica de 5 mL conforme necessário ao medir a solução estoque de tiossulfato de sódio nos ensaios quatro e cinco.
- Depois de realizar todas as oito tentativas, enxágue seus copos e ferramentas uma última vez e neutralize os resíduos de reação com bicarbonato de sódio. Tenha cuidado porque o dióxido de enxofre é um dos produtos da reação.
- Transfira os resíduos de reação neutralizados para o recipiente de resíduos designado. Em seguida, despeje qualquer solução de tiossulfato de sódio restante em seu recipiente de resíduos rotulado e enxágue o copo com água deionizada.
- Neutralize qualquer HCl restante com bicarbonato de sódio antes de jogá-lo no ralo com água da torneira.
- Finalmente, limpe e guarde seu material de laboratório de acordo com suas práticas padrão e jogue fora qualquer lixo restante em seu capô. Seu instrutor descartará os resíduos de reação mais tarde.
Results
- Agora, estime a ordem de reação do tiossulfato de sódio e do HCl. Calcule a concentração inicial de tiossulfato de sódio na mistura de reação para os ensaios 1 a 5. Olhando para a concentração de tiossulfato de sódio e os tempos de reação, vemos que, à medida que a concentração dobra, o tempo de opacidade é reduzido pela metade.
  Tabela 4: Estimando a ordem de reação tiossulfato de sódio
  
  Teste [Na₂S₂O₃] adicionado Na₂S₂O₃ volume (mL) Volume total (mL) [Na₂S₂O₃] em mistura Tempo(s) Tempo inverso (^s-1)
  1, 2 0.1
  3 0.2
  4 0.15
  5 0.05
  Clique aqui para baixar a Tabela 4
- Lembre-se de que cada tentativa usou o mesmo volume, então foi necessária a mesma quantidade de enxofre para tornar cada solução opaca. Assim, a reação é duas vezes mais rápida quando a concentração de tiossulfato de sódio é dobrada.
- Quando a concentração aumenta por um fator de 4, a taxa de reação também aumenta por um fator de 4. Essa relação um-para-um sugere que a reação foi de primeira ordem para tiossulfato de sódio. Nesse caso, esperaríamos que um gráfico de taxa versus concentração de tiossulfato de sódio fosse linear.
- Não medimos quanto enxofre foi necessário para tornar a solução opaca, mas presumimos que foi o mesmo para cada tentativa. Isso nos permite usar o inverso do tempo para a opacidade como um substituto para a taxa. A inclinação não será igual a k, mas tudo bem para este laboratório.
- Plote o tempo de reação inversa em função da concentração de tiossulfato de sódio. Isso confirma a relação linear entre a produção de enxofre e a concentração de tiossulfato. Assim, a reação parece ser de primeira ordem em relação ao tiossulfato.
- Use o mesmo método para estimar a ordem de reação do HCl. Primeiro, calcule a concentração inicial de HCl nos ensaios de referência e nos ensaios 6 a 8.
  Tabela 5: Estimando a ordem de reação HCl
  
  Teste [HCl] adicionado Volume HCl (mL) Volume total (mL) [HCl] em mistura Tempo(s)
  1, 2 0.1
  3 0.2
  4 0.15
  5 0.05
  Clique aqui para baixar a Tabela 5
- Em seguida, observe a concentração de HCl e os tempos de reação para esses ensaios. Os tempos de reação são quase idênticos, então a concentração de HCl não tem efeito na taxa de reação. Isso significa que o HCl parece ser de ordem zero para essa reação.
- Por fim, some as ordens de reação dos reagentes para obter a ordem geral da reação.

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Ordem de Rea o

Tiossulfato de S dio

cido Clor drico

Procedimento de Dilui o

Cin tica Qu mica

Precipita o de Enxofre

Medi o de Tempo

Opacidade da Solu o

Ensaios de Refer ncia

julgamento	[Na₂S₂O₃] (M)	[HCl] (M)	Tempo(s)	Temp (°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

Concentração de alvo	Volume de tiossulfato de sódio 0,2 M	Volume de água 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

Concentração de alvo	Volume de 6,0 M HCl	Volume de água DI
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

Teste	[Na₂S₂O₃] adicionado	Na₂S₂O₃ volume (mL)	Volume total (mL)	[Na₂S₂O₃] em mistura	Tempo(s)	Tempo inverso (^s-1)
1, 2	0.1
3	0.2
4	0.15
5	0.05

Teste	[HCl] adicionado	Volume HCl (mL)	Volume total (mL)	[HCl] em mistura	Tempo(s)
1, 2	0.1
3	0.2
4	0.15
5	0.05

Dependência de Concentração

Tabela 1: Progresso da reação

Quadro 2: Diluições de tiossulfato de sódio

Tabela 3: Diluições de HCl

Tabela 4: Estimando a ordem de reação tiossulfato de sódio

Tabela 5: Estimando a ordem de reação HCl

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