Jímání plynů uvolňovaných při reakci je jedním z nejstarších způsobů sledování jejího průběhu a stále patří k těm nejpřímočařejším: každý mililitr, který se objeví v apyretické büretě, představuje známý počet molekul, takže odměrná trubice a stopky stačí k tomu, aby se chemická změna proměnila v křivku. Totéž měření se průmyslově používá všude tam, kde je plyn produktem nebo vedlejším produktem nějakého procesu – při výrobě vodíku, kvašení, anaerobním rozkladu biomasy, tuhnutí betonu –, a v analytické laboratoři se takto určuje obsah uhličitanů a účinnost šumivé tablety.
Rychlost reakce mezi pevnou látkou a rozpuštěným činidlem je dána na povrchu, kde se obě setkávají. Rozpuštěné molekuly přicházejí na tento povrch s frekvencí úměrnou tomu, kolik jich je na jednotku objemu, takže zdvojnásobení koncentrace kyseliny zhruba zdvojnásobuje počet úspěšných střetnutí za sekundu. Koncentrace tedy mění to, jak rychle reakce probíhá, ale ne to, jak daleko dospěje: množství produktu je určeno tím činidlem, které dojde jako první, což je zde vždy hořčík.
V této laboratoři sestavíte plynovou buretu naplněnou vodou a otočenou dnem vzůru nad kádinkou, zreagujete přibližně 0,2 g hořčíkového prášku se 150 ml kyseliny chlorovodíkové v míchané Erlenmeyerově baňce a každých deset sekund budete odečítat objem zachyceného vodíku. Měření se opakuje při třech koncentracích kyseliny – 0,3, 0,2 a 0,5 mol/l –, přičemž hmotnost hořčíku zůstává konstantní, takže jedinou proměnnou je síla kyseliny. Porovnání těchto tří křivek odděluje dvě otázky, které musí kinetický experiment vždy udržovat oddělené: jak rychle probíhá reakce a kolik toho produkuje.
Vzdělávací cíle
Montáž a provoz zařízení na sběr plynů
- Sestavte vodou naplněnou buretu otočenou dnem vzhůru nad zásobníkem a rozpoznávejte známky toho, že byla naplněna nebo uměstitěna nesprávně.
- Připojte reaktorovou nádobu ke sběrné zkumavce pomocí dvouotvorové zátky, skleněného kolena a plastové spojky a před zahájením reakce zkontrolujte, zda je cesta uzavřena.
Stichiometrie a plynové zákony
- Převeďte hmotnost hořčíku na počet molů a tento počet molů na objem vodíku za pokojových podmínek.
- Určete limitující reagens v každém ze tří běhů a předpovězte konečný objem před provedením jediného měření.
Chemická kinetika
- Vysvětlete, jak koncentrace rozpuštěného činidla ovlivňuje frekvenci kolizí na pevném povrchu, a tím i rychlost reakce.
- Rychlost reakce a rozsah reakce jsou dva různé pojmy. Rychlost reakce vyjadřuje, jak rychle se tvoří produkty nebo ubyvají reaktanty za jednotku času (jak rychle reakce probíhá), zatímco rozsah reakce určuje, jaké množství reaktantů se celkově přemění na produkty (do jaké míry reakce proběhne za daných podmínek, například v rovnováze). Změna koncentrace kyseliny mění rychlost reakce, ale nemění její celkový rozsah. Zvýšení koncentrace kyseliny zvětšuje počet částic v objemové jednotce, což vede k častějším srážkám mezi reaktanty, a tím urychluje průběh reakce. Celkový rozsah reakce (a tedy i celkové množství vytvořeného produktu) je však dán počátečním množstvím limitujícího reaktantu, nikoli tím, jak rychle k těmto srážkám dochází.
Kvantitativní měření a tvorba grafů
- Pořizujte měření objemu v časových intervalech v pevně daném intervalu a vyneste objem v závislosti na čase pro tři měření do jedné sady os.
- Získejte počáteční rychlost ze směrnice takové křivky a uveďte její jednotky.
Interpretace dat
- Porovnejte tyto tři křivky a rozhodněte, zda podporují závislost prvního řádu na koncentraci kyseliny.
- Opravy, které plynová bureta vyžaduje: teplota plynu, vodní pára jej nasycující, sloupec vody v trubici a prodleva mezi přidáním kovu a uzavřením baňky.
Bezpečnost a nakládání s odpady
- S zředěnou silnou kyselinou a jemně rozptýleným reaktivním kovem zacházejte s použitím vhodných ochranných pomůcek a shromážděný vodík uchovávejte mimo dosah jakéhokoli zdroje zapálení.
- Vyprázdněte spotřebovanou směs do záchytné kádinky a sklo opláchněte, místo abyste ho vylévali do dřezu.
Protokol
Montáž plynové byrety
- Naplňte 1 L kádinku minimálně 800 ml vody z kohoutku.
- Umístěte 1 l kádinku přímo napravo od plotýnky.
- Připojte univerzální držák k horní části stojanu nad středem 1L kádinky, abyste podepřeli plynovou byretu.
- Napl.
- Naplňte plynovou byretu po okraj vodou z 250 ml kádinky.
- Nasaďte gumovou zátku na plynovou byretu.
- Zajistěte převrácenou plynovou byretu na svorce tak, aby otvor (konec s gumovou zátkou) byl blízko dna 1litrového kádinku.
- Sejměte gumovou zátku (byreta musí být ponořena do kádinky).
Pokud voda vytéká z byrety, je to proto, že v kádince není dostatek vody nebo je byreta příliš vysoko. V takovém případě restartujte kroky 4 až 8.
- Umístěte modrý plastový konektor tak, aby jeho otvor ve tvaru písmene J směřoval pod otvor plynové byrety.
Měření reakce
- Položte Erlenmeyerovu baňku na topnou desku. Nezapínejte topný prvek.
- Vložte magnetickou míchací tyčinku do Erlenmeyerovy baňky.
- Nalijte 150 ml 0,3 M kyseliny chlorovodíkové (HCl) do Erlenmeyerovy baňky.
- Pomocí stěrky naberte malé množství práškového hořčíku (Mg) a vložte ho do vážící lodičky, abyste navážili přibližně 0,2 g.
- Vsypte práškový hořčík do Erlenmeyerovy baňky s roztokem kyseliny chlorovodíkové.
- Nasaďte zátko s dvěma otvory, spojenou se skleněným kolenem, na Erlenmeyerovu baňku.
- Ujistěte se, že skleněné kolínko na Erlenmeyerově baňce je vyrovnáno (připojeno) k plastové spojce připevněné ke kapalinové byretě.
- Spusťte stopky.
- Zapni magnetické míchadlo.
- Odečítejte objem plynu v byretě každých 10 sekund po dobu až 2 minut.
Výsledky jsou rovněž dostupné v grafické podobě v záložce Výsledky. / Objem vs. Čas
- Po 2 minutách zastavte stopky a magnetické míchadlo.
- Odstraňte zkumavku z Erlenmeyerovy baňky a vyjměte magnetické míchadlo.
- Odstraňte modrý plastový konektor z byrety.
- Vysypte obsah Erlenmeyerovy baňky do sběrné kádinky a propláchněte ji destilovanou vodou.
- Vynulovat stopky.
- Zopakujte kroky 4 až 20 s 0,2 M roztokem kyseliny chlorovodíkové.
- Zopakujte kroky 4 až 20 s 0,5 M roztokem kyseliny chlorovodíkové.
Poznámka: Reakce je 10x zrychlená.
Předvídané výsledky
Reakcí je rozpouštění hořčíkového kovu v kyselině chlorovodíkové, při kterém se uvolňuje vodík: Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g). Jeden mol kovu poskytuje jeden mol plynu a kyselina dodává dva moly hydroniových iontů na každý spotřebovaný mol kovu.
Kolik plynu: stejná plošinová úroveň ve všech třech bězích
Hmotnost hořčíku je v každém pokusu stejná a v každém pokusu je limitním reagentem, takže všechny tři křivky musí vystoupat ke stejnému konečnému objemu. S M(Mg) = 24,31 g/mol je vzorek o hmotnosti 0,2076 g n = 0,2076 / 24,31 = 8,54 × 10−3 mol a rovnice dává stejné množství molů vodíku. Při 20 °C a 101,3 kPa dává zákon ideálního plynu V = nRT / P = (8,54 × 10−3 × 8,314 × 293) / 101 300 = 2,05 × 10−4 m3, to je 205 ml. Použitím zkráceného molárního objemu 24 L/mol dostaneme rovněž 205 ml, takže údaj 204 ml dříve uváděný na této stránce představuje stejné číslo s ohledem na přesnost, jakou měření umožňuje.
Každý běh spotřebuje 2 × 8,54 × 10−3 = 1,71 × 10−2 mol kyseliny chlorovodíkové. 150ml podíly dodávají 0,0300, 0,0450 a 0,0750 mol při 0,2, 0,3 a 0,5 mol/l, takže kyselina je v nadbytku v poměru 1,8, 2,6 a 4,4 a hořčík je po celou dobu limitující reaktant. To je zdaleka nejdůležitější bod experimentu a ten, který studenti přehlížejí nejčastěji: Koncentrace mění tvar křivky, nikoli výšku jejího plata.
| Spustit | Kyselina | HCl dodáno v objemu 150 ml | Mg | Limitující činidlo | Zbývající HCl po dokončení | Očekávané H2 při 20 °C, 101,3 kPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,3 mol/l | 0,0450 mol | 0,00854 mol | Mg | 0,0279 mol (0,186 mol/L) | 205 ml |
| 2 | 0,2 mol/l | 0,0300 mol | 0,00854 mol | Mg | 0,0129 mol (0,086 mol/l) | 205 ml |
| 3 | 0,5 mol/l | 0,0750 mol | 0,00854 mol | Mg | 0,0579 mol (0,386 mol/l) | 205 ml |
Jak rychle: vliv koncentrace
Pro rozpouštění pevné látky v kyselině je rychlost úměrná ploše obnaženého kovu a nějaké mocnině koncentrace oxoniových iontů: rychlost = k · A · [H3O+]a. Plocha je zde udržována konstantní použitím stejné hmotnosti téhož prášku v každém pokusu, takže poměr počátečních rychlostí je roven poměru koncentrací umocněných na nultou (nebo: na n-tou... *wait, "na mocninu a"* -> na mocninu a). Pro hořčík v zředěné kyselině chlorovodíkové je hodnota a blízka jedné — tedy stejného řádu, jaký laboratorní úloha 062 získává pro uhličitan vápenatý — a kinetická rovnice prvního řádu je správnou počáteční hypotézou.
Při doslovném výkladu to předpovídá počáteční rychlosti v poměru 0,2 : 0,3 : 0,5, resp. 1,0 : 1,5 : 2,5. Kyselina se však v průběhu každého cyklu spotřebovává, a to nerovnoměrně: v okamžiku, kdy dojde hořčík, klesne koncentrace 0,2 mol/l roztoku na 0,086 mol/l, což představuje ztrátu 57 %, zatímco koncentrace roztoku 0,5 mol/l klesla pouze na 0,386 mol/l, což představuje ztrátu 23 %. Nejslabší kyselina se v průběhu reakce zpomaluje nejvíce, takže časy dokončení jsou od sebe dále vzdálené než počáteční rychlosti. Použijeme-li průměr počáteční a konečné koncentrace jako hrubý odhad pro celý průběh, dostaneme níže uvedené hodnoty.
| Kyselina | [HCl] na začátku | [HCl] při dokončení | Průměrná koncentrace [HCl] | Relativní počáteční rychlost | Relativní střední rychlost | Odhadovaná doba dokončení |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,2 mol/l | 0,200 mol/l | 0,086 mol/l | 0,143 mol/l | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 0,3 mol/l | 0,300 mol/l | 0,186 mol/l | 0,243 mol/l | 1.50 | 1.70 | 0.59 |
| 0,5 mol/l | 0,500 mol/l | 0,386 mol/l | 0,443 mol/l | 2.50 | 3.10 | 0.32 |
Očekávané pořadí je proto takové, jaké tato stránka vždy uváděla – 0,5 mol/l nejrychlejší, pak 0,3 a pak 0,2 – ale měření může vypovědět víc než jen o pořadí. Pokud V∞ je objem plateau a V(t) je naměřená hodnota v čase t, potom V(t) / V∞ je zlomek spotřebovaného hořčíku, takže všechny tři měření lze vynést v novém grafu se společnou svislou osou a přímo je porovnat. Výpočet směrnice za prvních dvacet sekund, než dojde k výraznému vyčerpání kyseliny, dává počáteční rychlost v ml/s a vydělením molárním objemem ji převede na mol/s. Pokud jsou tyto tři počáteční rychlosti v poměru 1,0 : 1,5 : 2,5, řád vzhledem ke kyselině je jedna. Pokud je tento poměr plošší, je reakce částečně omezena přenosem kyseliny k povrchu kovu, spíše než samotnou povrchovou reakcí, k čemuž dochází při vysoké koncentraci, jakmile každý přicházející ion reaguje při kontaktu.
Proč mají křivky takový tvar, jaký mají
Během průběhu reakce se společně mění tři věci a všechny tři ji zpomalují. Kyselina se spotřebovává, v nejslabší reakci z více než poloviny. Částice hořčíku se zmenšují, takže plocha A v rychlostním zákoně klesá; u prášku, jehož zrna se rozpouštějí konstantní lineární rychlostí, klesá plocha přibližně jako dvě třetiny mocniny zbývající hmotnosti, což je důvod, proč se křivka ohýbá dolů dlouho předtím, než kov zmizí. A produkovaný vodík ulpívá na kovu ve formě bublinek, které zakrývají část povrchu, dokud je míchání neuvolní – to je důvod, proč magnetická míchačka není volitelná.
Fungující opačně je reakční teplo. Beroucí ΔrH ≈ −467 kJ na mol hořčíku, hodnota používaná v laboratořích 059 a 060, 8,54 × 10−3 Mol reagující v tomto procesu uvolní přibližně 4,0 kJ. Při dodání do 150 ml roztoku, jehož tepelná kapacita je přibližně 150 g × 4,18 J/(g·K) = 627 J/K, to představuje nárůst teploty o přibližně 6 °C, pokud nedojde k žádnému úniku tepla. Při aktivační energii řádově 60 kJ/mol je Arrheniův faktor pro nárůst z 293 K na 299 K exp[(60 000 / 8,314)(1/293 − 1/299)] ≈ 1,6, takže samotné samovznícení by reakci v průběhu jednoho cyklu zrychlilo přibližně 60 %. Vyčerpání a samovznícení působí opačnými směry a pozorovaná křivka je výsledkem jejich vzájemného působení; Erlenmeyerova baňka není izolovaná, takže v praxi převládá vyčerpání a křivka se zplošťuje.
Poctivé odečítání z burety
Hodnota na byretě se od skutečného množství zachyceného vodíku liší o tři korekce. Za prvé, plyn v trubici se nachází nad vodou a je nasycen vodní párou, která při teplotě 20 °C představuje tlak 2,3 kPa, tedy 2,3 % atmosférického tlaku. Za druhé, voda uvnitř byrety stojí výše než voda v kádince a tento sloupec vyvíjí protitlak: výška sloupce 20 cm odpovídá ρgh = 1000 × 9,81 × 0,20 = 2,0 kPa, což představuje dalších 1,9 %. V obou případech je tlak zachyceného plynu nižší než atmosférický, takže odečtený objem je větší, než by zabíral stejné množství vodíku při tlaku 101,3 kPa – po sečtení obou hodnot o přibližně 4 %, což je hodnota, která výrazně přesahuje chybu odečtu byrety. Za třetí, při přepočtu je třeba použít teplotu plynu namísto předpokládaných 20 °C; chyba 5 °C odpovídá 1,7 %. Třída pracující s přesností na dvě platné číslice může všechny tři chyby zanedbat. Třída uvádějící tři číslice tak učinit nesmí a měla by použít P(H2) = P(atmosférický) − P(vodní pára) − ρgh před použitím plynového zákona.
Jaké je místo této laboratoře
Toto je jeden ze souboru čtyř experimentů zabývajících se faktory, které ovlivňují rychlost reakce. Laboratoře 061 a 062 udržují konstatní koncentraci a mění kontaktní povrch; tato laboratoř a laboratoř 064 udržují povrch konstantní a mění koncentraci. Společně izolují dvě proměnné, o nichž srážkový model předpovídá, že by měly hrát roli. Zejména laboratoř 062 provádí určení řádu reakce ze souboru měření v čase, což je analýza, pro kterou se tyto křivky hodí nejlépe, a laboratoře 059 a 060 provádějí kalorimetrii, která stojí za výše použitým údajem o entalpii.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
Zaměření Co je to rychlost reakce a jaký je rozdíl mezi rychlostí reakce a množstvím vzniklého produktu.
Aktivity: Sestavte byretu a slovy popište, co se stane, když se hořčík setká s kyselinou. U každé ze tří koncentrací zaznamenávejte objem každých deset sekund a ručně vynesete tři křivky do jednoho grafu. Odpovězte na dvě otázky týkající se grafu: který pokus dosáhl jako první objemu 50 ml a skončily všechny tři pokusy na stejném objemu? Na základě zjištění, že tomu tak je, představte pojem limitující činidlo a napište slovní rovnici reakce.
11. ročník
Zaměření Kvantitativní zpracování — stoichiometrie, zákon ideálního plynu a počáteční rychlost.
Aktivity: Vyrovnejte rovnici a před spuštěním jakéhokoli měření vypočítejte látkové množství hořčíku, látkové množství kyseliny chlorovodíkové dodané v každém pokusu a objem vodíku očekávaný při naměřené pokojové teplotě. Ověřte, že kov je ve všech třech pokusech limitujícím reagujícím. Změřte počáteční rychlost každého pokusu ze směrnice prvních dvaceti sekund, vyjádřete ji v mL/s a v mol/s a porovnejte tyto tři rychlosti se třemi koncentracemi. Zaznamenejte teplotu v místnosti a uveďte, jaká by byla odpověď, kdyby byla o 5 °C vyšší.
12. ročník / Úroveň college
Zaměření Stanovení řádu reakce a poctivý rozpočet chyb.
Aktivity: Získejte počáteční rychlost každého běhu a proložte $\ln(\text{rychlost})$ závislostí na $\ln[\text{HCl}]$; směrnicí je řád $a$ vzhledem k oxoniovému iontu. Opravte každé odečtení na buretu na tlak vodních par a hydrostatický tlak, než je převedete na moly. Zohledněte zakřivení každé křivky pomocí argumentu zmenšující se částice a vyčerpání kyseliny a odhadněte nárůst teploty z reakční entalpie, abyste rozhodli, zda je samoořívání dostatečně velké na to, aby na něm záleželo. Porovnejte výsledek s řádem získaným pro uhličitan vápenatý v laboratorní úloze 062 a diskutujte, proč by režim omezený difúzí zploštil zdánlivý řád.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Kádinka, 1000 ml (zásobník vody pro invertovanou buretu)
- Kádinka, 500 ml (rekuperace použité směsi)
- Kádinka, 250 ml (k naplnění byrety)
- Elektronická váha
- Erlenmeyerova baňka, 250 ml
- Plynová bureta, 200 ml
- Skleněné koleno se zátkou se dvěma otvory
- Odměrný válec, 250 ml
- Topná deska s magnetickou míchadlem (používá se pouze jako míchadlo – topné těleso zůstává vypnuté)
- Laboratorní stojan s univerzální svorkou
- Magnetické míchadlo
- Plastový konektor (modrý, tvaru J)
- Gumová zátka
- Obracečka
- Teploměr
- Časovač
- Vážicí lodička
Produkty
- HCl 0,2 mol/l (roztok)
- HCl 0,3 mol/l (roztok)
- HCl 0,5 mol/l (roztok)
- Hořčík (prášek, přibližně 0,2 g na jednu dávku)
- Destilovaná voda (oplach)
- Vodovodní voda