Зависимость от концентрации
Источник: Смаа Корайм из Университета Джонса Хопкинса, доктор медицины, США
- Зависимость от концентрации<кнопка class="развернуть">Развернуть
В этом эксперименте вы будете комбинировать различные концентрации водного HCl и тиосульфата натрия для получения твердой серы, которая быстро собирается в непрозрачные желтые частицы при определенной концентрации серы. Поскольку реакционный раствор начинается прозрачным и бесцветным, вы можете легко определить, когда он достигает этой концентрации.
Каждый раз вы будете использовать одну и ту же пробирку и общий объем, поэтому потребуется одинаковое количество серы, чтобы сделать каждый раствор полностью непрозрачным. Таким образом, вы будете измерять ход реакции, измеряя, сколько времени это займет. Затем вы будете использовать эти данные для оценки порядка реакции отдельных реагентов и общей реакции.
Перед началом лабораторной работы составьте таблицу с указанием концентраций реагентов, времени до непрозрачности раствора и температуры раствора для испытаний.
Таблица 1: Ход реакции
испытание [Н2С2О3] (М) [HCl] (М) Время(ы) Температура (°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 Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 1
Мы хотим убедиться, что все реакции происходят при комнатной температуре. Вы проведете два эталонных испытания, три испытания с разными концентрациями тиосульфата натрия и три испытания с разными концентрациями HCl. Концентрации можно варьировать, разбавляя исходные растворы тиосульфата натрия и HCl, как показано в следующих таблицах.
Таблица 2: Разведения тиосульфата натрия
Целевая концентрация Объем 0,2 М тиосульфата натрия Объем воды DI 0.05 M 5 мл 15 мл 0.10 M 10 мл 10 мл 0.15 M 15 мл 5 мл 0.20 M 20 мл 0 мл Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 2
Таблица 3: Разведения HCl
Целевая концентрация Объем 6,0 M HCl Объем воды DI 1.5 M 2.5 мл 7.5 мл 3.0 M 5.0 мл 5.0 мл 4.5 M 7.5 мл 2.5 мл 6.0 M 10 мл 0 мл Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 3
Не забывайте соблюдать осторожность при работе с HCl, который токсичен и очень коррозичен. Диоксид серы, который является газообразным продуктом этой реакции, также токсичен. Вы оставите отходы реакции в вытяжном шкафу на ночь, чтобы диоксид серы вышел безвредно.
-
Сначала наденьте лабораторный халат, защитные очки с защитой от брызг и нитриловые перчатки.
-
Наполните пластиковую бутылку для мытья деионизированной водой и получите пробирку с пометкой X.
-
Зажмите пробирку над центром маленькой пластины для перемешивания. Этикетка должна находиться на противоположной от вас стороне. Убедитесь, что вы хорошо видите X. Поместите небольшую магнитную мешалку в пробирку.
-
Используйте зажим для термометра, чтобы закрепить стеклянный термометр в нижней трети трубки, не допуская к X и перемешивающей планке.
-
Вырежьте лист из примерно 20 квадратов пластиковой парафиновой пленки из рулона и верните лист обратно в свой капюшон.
-
Положите бумажные полотенца в вытяжной шкаф в качестве чистой поверхности для повторного использования лабораторной посуды.
-
Пометьте стакан объемом 600 мл как 'отходы' для реакции, стакан объемом 100 мл как '0,2 М тиосульфата натрия', а стакан объемом 50 мл как '6 M HCl'.
-
Наполните стакан объемом 100 мл 0,2 М тиосульфата натрия из бутылочки в дозаторе.
-
После этого поднесите стакан объемом 50 мл и стакан часов к вытяжке для дозирования кислоты, чтобы получить 50 мл 6 M HCl. Накройте наполненный стакан стеклом часов и верните свою порцию HCl обратно в капюшон.
-
Приготовьте 20 мл 0,1 М тиосульфата натрия для первого эталонного испытания. С помощью объемной пипетки объемом 10 мл отмерьте 10 мл 0,2 М тиосульфата натрия и раздайте его в мерную колбу объемом 20 мл. Наполните мерную колбу объемом 20 мл деионизированной водой до отметки.
-
Затем вырежьте квадрат из пластиковой парафиновой пленки, запечатайте колбу и переверните ее несколько раз, чтобы тщательно перемешать раствор.
-
Снимите пленку и налейте раствор в пробирку.
-
Приготовьте 10 мл 3 M HCl. Пипетка 5 мл 6 M HCl в мерный цилиндр объемом 10 мл. Добавьте деионизированную воду для заполнения градуированного цилиндра до линии объемом 10 мл.
-
Запечатайте верхнюю часть градуированного цилиндра пластиковой парафиновой пленкой и тщательно перемешайте раствор HCl, перевернув его несколько раз.
-
Теперь запусти мотор перемешивания и получи секундомер для сброса. Убедитесь, что вы видите крестик через раствор в пробирке.
-
Одновременно запустите секундомер и налейте 3 M HCl в пробирку.
-
Наблюдайте за X через раствор, который начнет мутнеть, когда будет произведено достаточно серы, чтобы насытить его. Остановите секундомер ровно в тот момент, когда раствор станет настолько непрозрачным, что X исчезнет.
-
Запишите время в свою лабораторную записную книжку для испытания теста 1, а затем сбросьте секундомер. Также запишите температуру раствора.
-
Теперь выключите двигатель мешалки, снимите термометр и промойте его деионизированной водой в стакан для отходов.
-
Затем опорожните пробирку в стакан для отходов, достаньте стержень длинными щипцами и промойте пробирку и перемешивание деионизированной водой.
-
Тщательно очистите пробирку щеткой для пробирки. Также кратковременно промойте мерную колбу и градуированный цилиндр деионизированной водой. Высушите все бумажными полотенцами.
-
Повторите испытание точно таким же образом для второго эталонного времени. Если время не находится в пределах 3–5 секунд от первого испытания, повторяйте эталонное испытание до тех пор, пока не получите два последовательных испытания.
-
Следуйте одной и той же общей процедуре для каждого последующего испытания, меняя разведения, как указано в вашей таблице, и очищая стеклянную посуду между каждым испытанием. При необходимости используйте объемную дозатор объемом 5 мл при измерении исходного раствора тиосульфата натрия в четвертом и пятом испытаниях.
-
После того как вы проведете все восемь испытаний, промойте стеклянную посуду и инструменты в последний раз и нейтрализуйте отходы реакции пищевой содой. Будьте осторожны, потому что диоксид серы является одним из продуктов реакции.
-
Переместите нейтрализованные отходы реакции в предназначенный контейнер для отходов. Затем налейте оставшийся раствор тиосульфата натрия в контейнер для отходов на этикетке и промойте стакан деионизированной водой.
-
Нейтрализуйте остатки HCl пищевой содой, прежде чем смыть ее в канализацию водопроводной водой.
-
Наконец, очистите и уберите лабораторную посуду в соответствии со своими стандартными методами и выбросьте весь мусор, оставшийся в вытяжке. Ваш инструктор утилизирует отходы реакции позже.
-
- Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть
-
Теперь оценим порядок реакции тиосульфата натрия и HCl. Рассчитайте начальную концентрацию тиосульфата натрия в реакционной смеси для испытаний с 1 по 5. Глядя на концентрацию тиосульфата натрия и время реакции, мы видим, что по мере удвоения концентрации время до непрозрачности уменьшается вдвое.
Таблица 4: Оценка порядка реакции тиосульфата натрия
Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 4Trial [Na2S2O3] добавлен Na2S2O3 volume (mL) Общий объем (мл) [Na2S2O3] in mix Время (с) Обратное время (с-1) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
Помни, что в каждом испытании использовался один и тот же объем, поэтому требовалось одинаковое количество серы, чтобы сделать каждый раствор непрозрачным. Таким образом, реакция протекает в два раза быстрее при удвоении концентрации тиосульфата натрия.
-
Когда концентрация увеличивается в 4 раза, скорость реакции также увеличивается в 4 раза. Это взаимно однозначное соотношение позволяет предположить, что реакция первого порядка происходила для тиосульфата натрия. Если это так, то можно ожидать, что график зависимости скорости от концентрации тиосульфата натрия будет линейным.
-
Мы не измеряли, сколько серы понадобилось, чтобы сделать раствор непрозрачным, но предполагаем, что оно было одинаковым для каждого испытания. Это позволяет нам использовать обратную непрозрачность времени в качестве замены скорости. Наклон не будет равен k, но это нормально для этой лаборатории.
-
График обратного времени реакции в зависимости от концентрации тиосульфата натрия. Это подтверждает линейную зависимость между получением серы и концентрацией тиосульфата. Таким образом, реакция, по-видимому, первого порядка по отношению к тиосульфату.
-
Используйте тот же метод для оценки порядка реакции HCl. Во-первых, рассчитайте начальную концентрацию HCl в контрольных испытаниях и в испытаниях с 6 по 8.
Таблица 5: Оценка порядка реакции HCl
Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 5Trial [HCl] добавлен объем HCl (мл) Общий объем (мл) [HCl] в смеси Время (с) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
Затем посмотрите на концентрацию HCl и время реакции для этих испытаний. Время реакции практически идентично, поэтому концентрация HCl не влияет на скорость реакции. Это означает, что HCl кажется нулевым порядком для данной реакции.
-
Наконец, сложите порядки реакции реагентов, чтобы получить общий порядок реакции.
-
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.