063 – Influența concentrației asupra vitezei de reacție 1

Colectarea gazului degajat de o reacție este una dintre cele mai vechi modalități de urmărire a progresului acesteia și încă una dintre cele mai directe: fiecare mililitru care apare în biuretă reprezintă un număr cunoscut de molecule, așa că un tub gradat și un cronometru sunt suficiente pentru a transforma o schimbare chimică într-o curbă. Aceeași măsurătoare este utilizată la scară industrială ori de câte ori un gaz este produsul sau subprodusul unui proces — generarea hidrogenului, fermentarea, digestia anaerobă a biomasei, priza betonului — iar în laboratorul analitic reprezintă modul în care se determină conținutul de carbonat și tăria unui comprimat efervescent.

Viteza unei reacții dintre un solid și un reactiv dizolvat este determinată la suprafața unde cele două se întâlnesc. Moleculele dizolvate ajung la acea suprafață cu o frecvență proporțională cu numărul lor per unitate de volum, astfel încât dublarea concentrației acidului dublează aproximativ numărul de întâlniri eficace în fiecare secundă. Prin urmare, concentrația schimbă cât de repede se desfășoară reacția, dar nu și până unde merge: cantitatea de produs este stabilită de reactivul care se termină primul, care aici este întotdeauna magneziul.

În acest laborator veți construi o biuretă de gaz umplută cu apă și inversată deasupra unui pahar Berzelius, veți reacționa aproximativ 0,2 g de pulbere de magneziu cu 150 mL de acid clorhidric într-un balon Erlenmeyer agitat și veți citi volumul de hidrogen colectat la fiecare zece secunde. Experimentul este repetat la trei concentrații de acid — 0,3, 0,2 și 0,5 mol/L — menținând masa magneziului constantă, astfel încât singura variabilă să fie tăria acidului. Compararea celor trei curbe separă cele două întrebări pe care un experiment de cinetică trebuie să le țină întotdeauna separate: cât de repede se desfășoară reacția și cât produce aceasta.

Obiective educaționale

Asamblarea și operarea unui aparat de colectare a gazelor

• Asamblați o biuretă umplută cu apă și inversată deasupra unui rezervor și recunoașteți semnele că a fost umplută sau poziționată incorect.
• Conectați un vas de reacție la un tub de colectare printr-un dop cu două orificii, un cot de sticlă și un conector de plastic și verificați dacă calea este închisă înainte ca reacția să înceapă.

Stoichiometria și legile gazelor

• Convertește o masă de magneziu într-un număr de moli, iar acel număr de moli într-un volum de hidrogen în condiții ambientale.
• Identificați reactivul limitant în fiecare dintre cele trei probe și prevedeați volumul final înainte de a efectua o singură citire.

Cinetică chimică

• Concentrația unui reactiv dizolvat guvernează frecvența coliziunilor la o suprafață solidă prin determinarea numărului de particule prezente pe unitatea de volum din soluție. Cu cât concentrația este mai mare, cu atât există mai multe molecule sau ioni de reactiv în aceeași cantitate de spațiu, ceea ce crește probabilitatea ca aceștia să intre în contact cu suprafața solidului. Conform teoriei coliziunilor, o frecvență mai mare a coliziunilor utile pe secundă duce direct la o creștere a vitezei de reacție.
• Distingeți viteza unei reacții de gradul acesteia de avansare (extensia ei) și spuneți de ce modificarea concentrației acidului o schimbă pe una și nu pe cealaltă.

Măsurare cantitativă și reprezentare grafică

• Luați citiri de volum cronometrate la un interval fix și reprezentați grafic volumul în funcție de timp pentru cele trei rulări pe un singur set de axe.
• Obțineți o rată inițială din panta unei astfel de curbe și precizați unitățile acesteia.

Interpretarea datelor

• Comparați cele trei curbe și decideți dacă acestea susțin o dependență de ordinul întâi față de concentrația acidului.
• Corecțiile pe care le necesită o biuretă de gaze sunt: temperatura gazului, vaporii de apă care îl saturează, coloana de apă din tub și întârzierea dintre adăugarea metalului și închiderea balonului.

Siguranță și gestionarea deșeurilor

• Manipulați un acid slab diluat și un metal reactiv fin divizat cu echipamentul de protecție adecvat și țineți hidrogenul colectat departe de orice sursă de aprindere.
• Goliți amestecul uzat în paharul de recuperare și clătiți sticlăria în loc să o goliți în chiuvetă.

Protocol

Asamblarea biuretei de gaz

1. Umpleți un pahar Berzelius de 1 L cu cel puțin 800 mL de apă de la robinet.
2. Pune paharul Berzelius de 1 L direct la dreapta plitei.
3. Atașați o clemă universală în partea superioară a stativului, deasupra centrului fiolei de 1 L, pentru a susține bura de gaz.
4. Umpleți eprubeta de 250 mL cu apă de la robinet.
5. Umpleți bureta de gaz cu apă din paharul de 250 mL, până la refuz.
6. Pune un dop de cauciuc pe biureta de gaz.
7. Fixați biureta de gaze inversată pe clemă, astfel încât deschiderea (capătul cu dopul de cauciuc) să fie aproape de fundul sticlei de 1 L.
8. Scoateți dopul de cauciuc (biureta trebuie să fie imersată în vasul de sticlă).

Dacă apa curge din biuretă, acest lucru se datorează faptului că nu există suficientă apă în pahar sau biureta este prea înaltă. Dacă acesta este cazul, reluați pașii 4 până la 8.

9. Așezați conectorul de plastic albastru astfel încât deschiderea sa în formă de J să fie sub deschiderea buretei de gaz.

Măsurarea reacției

10. Așezați balonul Erlenmeyer pe plita fierbinte. Nu porniți elementul de încălzire.
11. Introduceți bara de agitare magnetică în balonul Erlenmeyer.
12. Turnați 150 mL de acid clorhidric (HCl) 0,3 M în balonul Erlenmeyer.
13. Folosind spatula, luați o cantitate mică de pulbere de magneziu (Mg) și plasați-o în barcheta de cântărire pentru a măsura o cantitate de aproximativ 0,2 g.
14. Depuneți pulberea de magneziu în balonul Erlenmeyer care conține soluția de acid clorhidric.
15. Așezați dopul cu două găuri, cuplat la cotul de sticlă, pe balonul Erlenmeyer.
16. Asigurați-vă că cotul de sticlă al balonului Erlenmeyer este aliniat (conectat) la conectorul de plastic atașat la biureta de gaz.
17. Porniți cronometrul.
18. Porniți agitatorul magnetic.
19. Realizați o citire a volumului de gaz din biuretă la fiecare 10 secunde, timp de până la 2 minute.

Rezultatele sunt de asemenea disponibile în formă grafică în tab-ul Rezultate. / Volum vs. Timp

20. După 2 minute, opriți cronometrul și agitatorul magnetic.
21. Scoateți dopul din balonul Erlenmeyer și scoateți agitatorul magnetic.
22. Îndepărtați conectorul albastru de plastic de pe biureă.
23. Goliți conținutul balonului Erlenmeyer în vasul de recuperare și clătiți-l cu apă distilată.
24. Resetează cronometrul.
25. Repetați pașii de la 4 la 20 cu soluția de acid clorhidric 0,2 M.
26. Repetați pașii 4 până la 20 cu soluția de acid clorhidric 0,5 M.

Reacția este accelerată de 10 ori.

Rezultate anticipate

Reacția este dizolvarea magneziului metalic în acid clorhidric, care eliberează hidrogen: Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g). Un mol de metal diferă de un mol de gaz, iar acidul furnizează doi moli de ion hidroniu pentru fiecare mol de metal consumat.

Cât gaz: același platou în toate cele trei rulări

Masa de magneziu este aceeași în fiecare experiment și în fiecare experiment el este reactivul limitativ, așa că toate cele trei curbe trebuie să urce până la același volum final. Cu M(Mg) = 24,31 g/mol, o probă de 0,2076 g este n = 0,2076 / 24,31 = 8,54 × 10⁻³ mol, iar ecuația dă același număr de moli de hidrogen. La 20 °C și 101,3 kPa, legea gazelor ideale dă V = nRT / P = (8,54 × 10⁻³ × 8,314 × 293) / 101 300 = 2,05 × 10⁻⁴ m³, adică 205 mL. Utilizarea volumului molar aproximativ de 24 L/mol dă tot 205 mL, astfel încât cifra de 204 mL menționată anterior pe această pagină reprezintă același număr în limita preciziei pe care o poate susține măsurătoarea.

Fiecare rulare consumă 2 × 8,54 × 10⁻³ = 1,71 × 10⁻² moli de acid clorhidric. Porțiile de 150 mL furnizează 0,0300, 0,0450 și 0,0750 mol la 0,2, 0,3 și 0,5 mol/L, astfel încât acidul este în exces cu factori de 1,8, 2,6 și 4,4, iar magneziul este reactantul limitativ pe parcurs. Acesta este cel mai important aspect al experimentului și cel pe care studenții îl ratează cel mai des: concentrația modifică forma curbei, nu înălțimea platoului său.

Cât de repede: efectul concentrației

Pentru un solid care se dizolvă într-un acid, viteza este proporțională cu aria metalului expus și cu o anumită putere a concentrației ionilor de hidroniu: rate = k · A · [H₃O⁺]^a. Zona este menținută fixă aici prin utilizarea aceleiași mase din aceeași pulbere de fiecare dată, astfel încât raportul vitezelor inițiale este raportul concentrațiilor ridicat la puterea a. Pentru magneziu în acid clorhidric diluat, a este aproape de unu — același ordin pe care laboratorul 062 îl obține pentru carbonatul de calciu — și o lege de ordinul întâi este ipoteza de pornire corectă.

Dacă luăm această valoare la prima vedere, se prevăd viteze inițiale în raportul 0,2 : 0,3 : 0,5 sau 1,0 : 1,5 : 2,5. Cu toate acestea, acidul se consumă pe măsură ce fiecare reacție avansează, și nu în mod egal: până când magneziul se epuizează, soluția de 0,2 mol/L a scăzut la 0,086 mol/L, o pierdere de 57 %, în timp ce soluția de 0,5 mol/L a scăzut doar la 0,386 mol/L, o pierdere de 23 %. Acidul cel mai slab încetinește cel mai mult pe măsură ce reacția avansează, astfel încât timpii de finalizare sunt mai distanțați între ei decât sunt ratele inițiale. Folosind media concentrațiilor inițiale și finale ca aproximare pentru întregul proces, se obțin cifrele de mai jos.

Prin urmare, ordinea așteptată este cea pe care această pagină a menținut-o întotdeauna — 0,5 mol/L cel mai rapid, apoi 0,3, apoi 0,2 — dar măsurătoarea poate spune mai multe decât ordinea. Dacă V_∞ este volumul platoului și V(t) este citirea la momentul t, atunci V(t) / V_∞ reprezintă fracțiunea din magneziul consumat, astfel încât cele trei experimente pot fi reprezentate din nou pe o scală verticală comună și comparate direct. Luarea pantei pe parcursul primelor două secunde, înainte ca acidul să fie epuizat în mod semnificativ, oferă viteza inițială în mL/s, iar împărțirea la volumul molar o convertește în mol/s. Dacă acele trei viteze inițiale se află în raportul 1,0 : 1,5 : 2,5, ordinul în raport cu acidul este unu. Dacă raportul iese mai plat decât acesta, reacția este limitată parțial de transportul acidului către suprafața metalului mai degrabă decât de reacția de la suprafață în sine, ceea ce se întâmplă la concentrație ridicată odată ce fiecare ion care sosește reacționează la contact.

De ce curbele au forma pe care o au

Trei lucruri se schimbă concomitent pe măsură ce o reacție avansează, și toate trei o încetinesc. Acidul este consumat, cu mai mult de jumătate în reacția cea mai slabă. Particulele de magneziu se micșorează, astfel încât aria A din legea vitezei scade; pentru o pulbere ale cărei granule se dizolvă la o viteză liniară constantă, aria scade aproximativ ca putere de două treimi din masa rămasă, motiv pentru care curba se aplatizează cu mult înainte ca metalul să se consume. Iar hidrogenul produs se agață de metal sub formă de bule, acoperind o parte din suprafață până când agitarea îl desprinde – acesta este motivul pentru care agitatorul magnetic nu este opțional.

Lucrând în sens invers este căldura de reacție. Luând Δ_rH ≈ −467 kJ pe mol de magneziu, cifra folosită în laboratoarele 059 și 060, 8,54 × 10⁻³ Un mol de substanță care reacționează aici eliberează aproximativ 4,0 kJ. Această energie, furnizată unei cantități de 150 mL de soluție, a cărei capacitate termică este de aproximativ 150 g × 4,18 J/(g·K) = 627 J/K, corespunde unei creșteri a temperaturii de aproximativ 6 °C, în cazul în care nu se pierde nicio parte din această energie. Cu o energie de activare de ordinul a 60 kJ/mol, factorul Arrhenius pentru o creștere de la 293 K la 299 K este exp[(60 000 / 8,314)(1/293 − 1/299)] ≈ 1,6, astfel încât doar autoîncălzirea ar accelera reacția cu aproximativ 60 % pe parcursul unui ciclu. Epuizarea și autoîncălzirea acționează în direcții opuse, iar curba observată reprezintă rezultatul net al celor două; balonul Erlenmeyer nu este izolat, așa că, în practică, epuizarea prevalează și curba se aplatizează.

Citirea corectă a biuretei

Trei corecții separă valoarea indicată pe biuretă de cantitatea de hidrogen colectată. În primul rând, gazul din tub se află deasupra apei și este saturat cu vapori de apă, care la 20 °C contribuie cu 2,3 kPa, adică 2,3 % din presiunea atmosferică. În al doilea rând, apa din interiorul biuretului se află la un nivel mai ridicat decât apa din paharul de laborator, iar acea coloană exercită o presiune inversă: o înălțime de 20 cm corespunde unei presiuni de ρgh = 1000 × 9,81 × 0,20 = 2,0 kPa, adică încă 1,9 %. Ambele fac ca gazul colectat să aibă o presiune sub cea atmosferică, astfel încât volumul citit este mai mare decât cel pe care l-ar ocupa aceeași cantitate de hidrogen la 101,3 kPa — cu aproximativ 4 % odată ce cele două sunt combinate, ceea ce se situează cu mult în afara erorii de citire a biuretului. În al treilea rând, conversia trebuie să utilizeze temperatura reală a gazului, nu o valoare presupusă de 20 °C; o eroare de 5 °C reprezintă 1,7 %. O clasă care lucrează cu două cifre semnificative poate ignora toate cele trei erori. O clasă care raportează trei cifre nu poate face acest lucru și ar trebui să aplice P(H₂) = P(atmosferică) − P(vapori de apă) − ρgh înainte de a folosi legea gazelor.

Unde se încadrează acest laborator

Acesta este unul dintr-un set de patru experimente privind factorii care influențează viteza de reacție. Laboratoarele 061 și 062 mențin concentrația constantă și variază suprafața de contact; acesta și 064 mențin suprafața constantă și variază concentrația. Împreună, ele izolează cele două variabile pe care modelul coliziunilor anticipează că ar trebui să conteze. Laboratorul 062, în special, realizează determinarea ordinului de reacție dintr-un set de măsurători cronometrate, care este analiza pentru care aceste curbe sunt cel mai bine potrivite, iar laboratoarele 059 și 060 efectuează calorimetria din spatele valorii entalpiei folosite mai sus.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare: Ce este o viteză de reacție și diferența dintre cât de repede se desfășoară o reacție și cât produce aceasta.

Activități: Asamblați biureta și descrieți în cuvinte ce se întâmplă când magneziul întâlnește acidul. Înregistrați volumul la fiecare zece secunde pentru fiecare dintre cele trei concentrații și trasați manual cele trei curbe pe un singur grafic. Răspundeți la două întrebări pe baza graficului: care rulare a ajuns la 50 mL prima și dacă cele trei rulate s-au încheiat la același volum. Folosiți observația că o fac pentru a introduce ideea de reactiv limitativ și scrieți ecuația în cuvinte pentru reacție.

Clasa a XI-a

Concentrare: Tratarea cantitativă — stoechiometria, legea gazelor ideale și viteza inițială.

Activități: Echilibrați ecuația și calculați, înainte de a rula orice, numărul de moli de magneziu, numărul de moli de acid clorhidric furnizați în fiecare probă și volumul de hidrogen așteptat la temperatura camerei măsurată. Confirmați că metalul este reactivul limitativ în toate cele trei probe. Măsurați viteza inițială a fiecărei probe din panta primelor două secunde, exprimați-o în mL/s și în mol/s și comparați cele trei viteze cu cele trei concentrații. Înregistrați temperatura camerei și specificați care ar fi fost rezultatul dacă aceasta ar fi fost cu 5 °C mai ridicată.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare: Determinarea ordinului de reacție și un buget de erori onest.

Activități: Extrageți viteza inițială a fiecărei probe și ajustați ln(viteză) în funcție de ln[HCl]; panta reprezintă ordinul $a$ al ionului de hidroniu. Corectați fiecare citire a biuretei pentru presiunea vaporilor de apă și coloana hidostatică înainte de a o converti în moli. Țineți seama de curbura fiecărei înregistrări utilizând argumentul particulei în micșorare și epuizarea acidului, și estimați creșterea temperaturii din entalpia reacției pentru a decide dacă autono-încălzirea este suficient de mare încât să conteze. Comparați rezultatul cu ordinul obținut pentru carbonatul de calciu în laboratorul 062 și discutați de ce un regim limitat de difuzie ar aplatiza ordinul aparent.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Pahar de laborator, 1000 mL (rezervor de apă pentru biureta inversată)
• Pahar Berzelius, 500 mL (recuperarea amestecului uzat)
• Pahar de laborator, 250 mL (umplerea biuretei)
• Cântar electronic
• Balon Erlenmeyer, 250 mL
• Buretă de gaze, 200 mL
• Cot din sticlă cu dop cu două găuri
• Cilindru gradat, 250 mL
• Plită electrică cu agitator magnetic (utilizată doar ca agitator — elementul de încălzire rămâne oprit)
• Suport de laborator cu clemă universală
• Magnet de agitare
• Conector de plastic (albastru, în formă de J)
• Dop de cauciuc
• Spatulă
• Termometru
• Cronometru
• Nacelă de cântărire

Produse

• HCl 0,2 mol/L (soluție)
• HCl 0,3 mol/L (soluție)
• HCl 0,5 mol/L (soluție)
• Magneziu (pulbere, aproximativ 0,2 g per rulare)
• Apă distilată (clătire)
• Apă de la robinet