062 – Influența suprafeței de contact asupra vitezei de reacție 2

Calcarul este atacat de acid oriunde acestea se întâlnesc, iar consecințele sunt vizibile pe o scară de la industrială la geologică. Gazele de ardere sunt epurate cu calcar fin măcinat, deoarece o pudră reacționează în câteva minute acolo unde o bucată mare ar avea nevoie de zile; elementele sculptate în piatră ale clădirilor vechi sunt erodate de ploaia acidifiată în ritmuri care depind de gradul de uzură și porozitate al suprafeței; și sisteme întregi de peșteri sunt dizolvate din calcar de către apa freatică ce nu conține nimic mai puternic decât dioxid de carbon dizolvat. În fiecare caz, reacția este aceeași, iar ceea ce diferă este viteza cu care se produce.

Trei lucruri determină acea viteză: suprafața pe care o prezintă solidul, concentrația acidului și ușurința cu care acidul își cedează protonii. Primele două influențează numărul de coliziuni pe secundă dintre acid și carbonat, iar a treia determină câte dintre moleculele de acid prezente sunt disociate efectiv în orice moment. Toate trei pot fi separate experimental prin modificarea unuia singur pe rând și cronometrarea reacției, ceea ce face acest laborator.

Vei efectua patru reacții ale carbonatului de calciu cu acid pe o plită incandescendentă cu agitare și vei cronometra fiecare reacție până la finalizare. Proba A — 2,71 g de carbonat de calciu sub formă de pulbere în 100 mL de acid clorhidric 2 mol/L — este proba de referință, iar fiecare dintre celelalte trei modifică un singur aspect al acesteia: proba B înlocuiește acidul puternic cu acid etanoic la aceeași concentrație, proba C înlocuiește pulberea cu bucăți din același material, iar proba D înjumătățește concentrația acidului clorhidric. Acidul este în exces mare în fiecare probă, astfel încât toate cele patru reacții merg până la finalizare, singura cantitate care diferă fiind timpul necesar. Compararea fiecărei probe cu A izolează, pe rând, efectul tăriei acidului, al suprafeței de contact și al concentrației.

Obiective educaționale

Suprafața de contact și viteza de reacție

• O reacție dintre un solid și o soluție poate avea loc doar la interfață, deoarece particulele din soluție nu pot interacționa decât cu straturile exterioare ale solidului, cele cu care vin în contact direct. Prin urmare, divizarea solidului mărește suprafața de contact disponibilă pentru reacție, ceea ce accelerează viteza cu care reactantul este consumat, dar nu modifică cantitatea totală de produs obținută, deoarece cantitatea inițială de reactanți rămâne aceeași.
• Compară timpul necesar pentru pulbere și pentru bucăți de aceeași masă și precizează ce stabilește această comparație și ce nu poate stabili.

Concentrația și viteza de reacție

• Determinați, din cele două probe de acid clorhidric, cum reacționează timpul de reacție la înjumătățirea concentrației și exprimați rezultatul ca ordin de reacție în raport cu ionul hidroniu.
• Verificați prin calcul că acidul este în exces în fiecare probă, astfel încât nicio probă să nu fie limitată de cantitatea de acid disponibilă.

Acizi tari și slabi

• Calculează concentrația de hidroniu a unei soluții de acid etanoic de 2 mol/L pe baza constantei sale de disociere acidă și compară-o cu cea a acidului clorhidric de 2 mol/L.
• Explicați de ce acidul slab reacționează totuși de doar aproximativ două ori mai lent, în loc de de sute de ori mai lent, în termenii rezervorului de acid nedisociat.
• Distanțați tăria unui acid de concentrația sa și dați o definiție pentru fiecare pe care cealaltă nu o poate satisface.

Proiectare experimentală și măsurare

• Identificați variabila controlată în fiecare dintre cele trei comparații și explicați de ce celelalte variabile trebuie menținute constante pentru ca comparația să fie validă.
• Stabiliți punctul final al unei reacții prin încetarea efervescenței.

Practică de laborator

• Cântăriți un solid până la o masă specificată folosind funcția de tarare și transferați pulberea și bucățile fără a pierde material.
• Configurați un agitator magnetic și goliți fiecare pahar de laborator în recipientul de recuperare — inclusiv solidul nedizolvat, folosind cleștele — înainte de a începe următoarea rundă.

Protocol

Pregătire

1. Turnați câte 100 mL în fiecare dintre paharele de laborator de 250 mL, după cum urmează (acidul este apoi în mare exces față de cei 0,027 mol de carbonat de calciu utilizați):

• Pahar A: acid clorhidric (HCl) 2 M (2 mol/L)
• Cilindru B: acid etanoic (CH₃COOH) la 2 M (2 mol/L)
• Pahar C: acid clorhidric (HCl) 2 M (2 mol/L)
• Pahar D: acid clorhidric (HCl) la 1 M (1 mol/L)

Experiența 1

1. Folosind balanța, cântăriți exact “TARE” înainte).
2. Pune eprubeta A (acid clorhidric 2 M) pe plita fierbinte.
3. Pune agitatorul magnetic în paharul Berzelius de pe plita electrică.
4. Porniți agitatorul magnetic folosind butonul de pe plita electrică.
5. Porniți cronometrul pentru a măsura durata reacției.
6. Depuneți probele de carbonat de calciu în becherul A.
7. Observați durata reacției din eprubeta A. Opriți cronometrul când reacția este finalizată.
8. Opriți agitatorul magnetic.
9. Scoateți tija magnetică din pahar.
10. Goliți conținutul eprubetei A în recipientul de recuperare. Dacă mai rămâne pulbere pe fundul eprubetei, înclinați-o mai mult deasupra tăvii. Dacă rămân bucăți solide, așezați-le în recipientul de recuperare folosind penseta.
11. Resetează cronometrul.
12. Repetați pașii de la 1 la 10, folosind eprubeta B (acid etanoic 2 M)
13. Comparați rezultatele obținute între eprubeta A (acid clorhidric 2 M) și eprubeta B (acid etanoic 2 M).

Experiența 2

1. Cântăriți o bucată de carbonat de calciu de 2,71 g în vasul de cântărire, aceeași masă ca pulberea folosită în Experiența 1, astfel încât să difere doar forma fizică.
2. Așezați eprubeta C (acid clorhidric la 2 M) pe plita fierbinte.
3. Pune agitatorul magnetic în paharul Berzelius de pe plita electrică.
4. Porniți agitatorul magnetic folosind butonul de pe plita electrică.
5. Porniți cronometrul pentru a măsura durata reacției.
6. Depuneți proba de carbonat de calciu în eprubeta C.
7. Observați durata reacției din eprubeta C. Opriți cronometrul când reacția s-a terminat.
8. Opriți agitatorul magnetic.
9. Scoateți tija magnetică din pahar.
10. Goliți conținutul eprubetei C în recipientul de recuperare. Dacă a rămas pulbere pe fundul eprubetei, înclinați-o mai mult deasupra tăvii. Dacă rămân bucăți solide, puneți-le în recipientul de recuperare folosind cleștele.
11. Resetează cronometrul.
12. Comparați rezultatele obținute între eprubeta A (2,71 g de CaCO₃(s) sub formă de pulbere) și vasul C (2,9 g CaCO₃(bucăți).

Experiența 3

1. Folosind balanța, cântărește exact 2,71 g de pulbere de carbonat de calciu, utilizând talerul de cântărire.
2. Așezați eprubeta D pe plita electrică.
3. Pune agitatorul magnetic în paharul Berzelius de pe plita electrică.
4. Porniți agitatorul magnetic folosind butonul de pe plita electrică.
5. Porniți cronometrul pentru a măsura durata reacției.
6. Depuneți proba de carbonat de calciu în eprubeta D.
7. Observă durata reacției din eprubeta D. Oprește cronometrul când reacția este terminată.
8. Opriți agitatorul magnetic folosind butonul de pe plita.
9. Scoate agitatorul magnetic din paharul Berzelius.
10. Goliți conținutul eprubetei D în recipientul de recuperare. Dacă mai rămâne pulbere pe fundul eprubetei, înclinați-o mai mult deasupra tăvii. Dacă rămân bucăți solide, puneți-le în recipientul de recuperare folosind penseta.
11. Comparați rezultatele: (paharul A) acid clorhidric la 2 M vs. (paharul D) acid clorhidric la 1 M.

Notă: reacția este accelerată de 10 ori mai rapid, pentru a observa mai ușor reacția completă

Rezultate anticipate

Reacțiile

Carbonatul de calciu este o bază, iar ambii acizi îl dizolvă, formând o sare de calciu solubilă, apă și dioxid de carbon:

CaCO₃(s) + 2 HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)
CaCO₃(s) + 2 CH₃COOH(aq) → Ca(CH₃COO₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

Ambele reprezintă aceeași reacție scrisă de două ori. Eliminarea ionilor spectatori ne arată procesul care are loc efectiv la suprafața solidului, iar acesta implică doar ionul de hidroniu:

CaCO₃(s) + 2 H₃O⁺(aq) → Ca²⁺(aq) + 3 H₂O(l) + CO₂(g)

Cu M(CaCO₃) = 100,09 g/mol, cele 2,71 g cântărite reprezintă n = 2,71 / 100,09 = 0,0271 mol și necesită 0,0542 mol de ion hidroniu. Cei 100 mL de acid 2 mol/L furnizează 0,200 mol, iar acidul 1 mol/L furnizează 0,100 mol, astfel încât acidul este în exces cu factori de 3,7 și, respectiv, 1,8. Prin urmare, fiecare probă consumă tot carbonatul său și eliberează aceeași cantitate de 0,0271 mol de dioxid de carbon; doar timpul diferă.

Rezultate preconizate

Două precizări cu privire la aceste cifre înainte de a le interpreta. Simularea derulează reacțiile chimice de zece ori mai repede decât în realitate, așa cum se menționează în nota de la sfârșitul protocolului, astfel încât duratele corespunzătoare în laborator ar fi de ordinul a opt până la optsprezece minute. Iar seria C utilizează 2,9 g de carbonat în loc de 2,71 g, cu aproximativ 7 % mai mult material decât celelalte trei; ținând cont de această diferență, timpul echivalent al acesteia se situează la aproximativ 104 s, astfel încât raportul său față de referință este mai aproape de 2,0 decât de 2,2, valoare indicată de cifrele brute.

Concentrare: rulați D față de rulați A

Aceasta este cea mai curată dintre cele trei comparații, deoarece s-a modificat doar un număr. Înjumătățirea concentrației de acid clorhidric duce timpul de la 51 s la 104 s, un factor de 2,04. Dacă viteza este proporțională cu o anumită putere n a concentrației de hidroniu, viteza ∝ [H₃O⁺]ⁿ, atunci timpul necesar pentru a consuma o cantitate fixă de carbonat variază în funcție de [H₃O⁺]^-n, iar n rezultă din cele două măsurători:

n = log(t_D / t_A) / log([H₃O⁺]_A / [H₃O⁺]_D) = log(104 / 51) / log(2.0 / 1.0) = log(2.04) / log(2) = 1.03

Reacția este de ordinul întâi în raport cu ionul de hidroniu, ceea ce se măsoară pentru dizolvarea calcitului în acid la aceste concentrații. Teoria coliziunilor oferă explicația direct: dublarea numărului de ioni de hidroniu pe litru dublează numărul celor care ajung pe fiecare centimetru pătrat de carbonat în fiecare secundă, iar fiecare sosire are aceeași șansă de a reacționa ca înainte. Nimic legat de suprafață sau de mecanism nu s-a schimbat — doar traficul.

Tăria acidului: proba B față de proba A

Acidul clorhidric se disociază complet în apă, astfel încât o soluție de 2 mol/L de acid clorhidric conține 2 mol/L de ioni hidroniu. Acidul etanoic nu se disociază complet: cu K_a = 1,8 × 10⁻⁵, echilibrul CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ oferă

[H₃O⁺] = √(K_a × C) = √(1.8 × 10⁻⁵ × 2.0) = 6.0 × 10⁻³ mol/L, pH = 2,22

Iată partea interesantă. Experimentul D a stabilit că viteza este de ordinul întâi în raport cu ionul de hidroniu. Aplicat în mod naiv la experimentul B, acest lucru ar prezice un timp mai lung cu raportul concentrațiilor — 51 s × (2,0 / 0,0060) = 17 000 s, aproape cinci ore. Timpul observat este de 93 s. Legea vitezei de ordinul întâi nu este greșită; greșeala constă în a presupune că concentrația liberă de hidroniu din soluția de bază este cea care guvernează reacția de suprafață.

Paharul conține doar 6,0 × 10⁻⁴ mol de hidroniu liber în orice moment, iar carbonatul are nevoie de 0,0542 mol — de nouăzeci de ori mai mult decât este prezent. Prin urmare, fiecare ion de hidroniu consumat la suprafață este înlocuit imediat prin disocierea unei alte molecule de acid etanoic, și există 0,200 mol din acestea care așteaptă. Deoarece acidul nedisociat difuzează la suprafață și disociază acolo, ceea ce limitează viteza este livrarea de total acid, mai degrabă decât hidroniu preformat. Această limită este aceeași pentru ambii acizi, motiv pentru care proba B durează de 1,8 ori mai mult decât proba A, și nu de 330 de ori: răspunsul se află aproape de limita acidității totale de 1,0 și nicidecum aproape de limita hidroniului liber de 330. Un student care anticipează ore și măsoară 93 s a învățat ceva mai valoros decât unul care anticipează corect dintr-un motiv greșit.

Suprafață de contact: rulați C împotriva lui A

Carbonatul de calciu are o densitate de 2,71 g/cm³³, astfel încât cele 2,71 g cântărite ocupă aproape exact 1,00 cm³ indiferent de modul în care este divizat. Pentru un solid divizat, aria unui volum fix este A = 6V/d, unde d este diametrul particulei; astfel, o pulbere cu granule de 100 µm prezintă o suprafață de aproximativ 6 × 1,00 / 0,0100 = 600 cm², în timp ce același centimetru cub ca două sau trei bucăți prezintă sub 10 cm². Așteptarea geometrică este, prin urmare, ca bucățile să reacționeze de zeci de ori mai lent, și pe un banc cu așchii de marmură cam asta se întâmplă.

Simularea indică un factor de aproximativ 2,0, odată ce se ia în calcul masa suplimentară de 7 % din seria C. Valoarea direcție este corect și aceasta este direcția în care laboratorul există pentru a se stabili — o suprafață mai mare, o reacție mai rapidă —, dar magnitudinea este mult mai mică decât implică geometria celor două probe, iar raportul nu ar trebui citat ca o măsură a efectului suprafeței. Merită comparat cu laboratorul 061, unde se face aceeași comparație între pulberea de magneziu și panglica de magneziu și dă 1,7: acolo raportul mic este autentic, deoarece o panglică are o grosime de doar 0,15 mm și reacția trebuie să pătrundă prin foarte puțin metal pentru a se termina, în timp ce o bucată de calcar are mii de micrometri grosime și nu se poate comporta în același mod.

Ideea de bază este raportul dintre suprafață și volum. Aria unei particule variază ca pătratul dimensiunii sale, iar volumul ca cubul, astfel încât aria per unitate de volum variază ca 1/d: măcinarea unui solid la o zecime din diametrul său îi înmulțește aria expusă de zece ori. Ac Acesta este motivul pentru care un scrubber industrial își macină calcarul și motivul pentru care reactivitatea unui solid este o proprietate a preparării sale la fel de mult ca și a formulei sale.

Gazul și modul în care reacția putea fi urmărită cantitativ

Fiecare rulare eliberează un mol de dioxid de carbon per mol de carbonat, deci 0,0271 mol — un volum de V = nRT/P = (0,0271 × 8,314 × 298) / 101 325 = 6,6 × 10⁻⁴ m³, despre 0,66 L de gaz, și o pierdere de 0,0271 × 44,01 = 1,19 g de masă din paharul de laborator. Efervescența este ceea ce măsoară efectiv cronometrarea: se consideră că reacția s-a încheiat atunci când barbotarea încetează. Deoarece pe bancul de laborator se află o balanță, același experiment ar putea fi urmărit cantitativ așezând paharul pe aceasta și înregistrând masa la fiecare zece secunde, ceea ce transformă patru măsurători unice de timp în patru curbe de viteză și permite compararea vitezelor inițiale în loc a timpilor de finalizare.

Identitatea gazului poate fi confirmată prin barbotarea acestuia prin apă de var, o soluție saturată de hidroxid de calciu, care devine tulbure pe măsură ce carbonatul de calciu insolubil precipită: Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) → CaCO₃(s) + H₂O(l). Aceasta este o extensie opțională — protocolul nu include testul și nu se furnizează apă de var — dar este confirmarea standard și merită menționată, nu în ultimul rând deoarece precipitatul pe care îl formează este substanța cu care a început experimentul.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare: observând că aria suprafeței, concentrația și alegerea acidului schimbă viteza de desfășurare a unei reacții și învățând vocabularul care le descrie.

Activități: scrieți ecuația în cuvinte pentru reacție și denumiți gazul produs; preziceți, pentru fiecare dintre cele trei comparații, care pahar Berzelius va termina primul; efectuați cele patru probe și înregistrați fiecare durată într-un tabel; ordonați cele patru probe de la cea mai rapidă la cea mai lentă și identificați pentru fiecare comparație singurul lucru care a fost schimbat; descrieți în cuvinte ce se întâmplă cu bucata de calcar pe măsură ce reacția avansează și explicați de ce barbotarea se oprește în cele din urmă.

Clasa a XI-a

Concentrare: tratament cantitativ — moli, reactiv în exces, viteză medie și diferența dintre tăria și concentrația unui acid.

Activități: echilibrați ambele ecuații și scrieți ecuația ionică netă; calculați numărul de moli de carbonat și de acid din fiecare pahar și arătați că acidul este în exces în toate cele patru experimente; calculați volumul de dioxid de carbon eliberat și masa pierdută de pahar; exprimați fiecare durată ca o viteză medie în mol/s și the așezați în tabel cele trei rapoarte; calculați concentrația de hidroniu și pH-ul acidului etanoic 2 mol/L din K_a și compară-l cu acidul clorhidric 2 mol/L; explică, utilizând teoria coliziunilor, de ce înjumătățirea concentrației acidului clorhidric dublează aproximativ timpul.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare: extragerea unui ordin de reacție din date, rezolvarea rezultatului pentru acidul slab și criticarea designului.

Activități: determină ordinul de reacție în ceea ce privește ionul de hidroniu din probele A și D și menționează ipotezele pe care le presupune acest pas; folosește acest ordin pentru a prezice durata probei B pe baza concentrației sale de hidroniu liber, obține o valoare de câteva ore, și apoi soluționează contradicția comparând hidroniul liber disponibil în pahar cu cantitatea pe care o consumă carbonatul; formulează argumentul privind aciditatea totală și identifică ce măsurătoare l-ar distinge de modelul hidroniului liber; dedu ecuația A = 6V/d, estimează raportul de arie între pulbere și bucăți; propune o reproiectare care măsoară vitezele inițiale prin pierderea de masă în loc de timpii de finalizare, și specifică a cincea probă necesară pentru a introduce temperatura în studiu.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Pahare Berzelius de 250 mL — patru, câte unul pentru fiecare determinare
• Cilindru gradat (100 mL)
• Cântar electronic
• Taviță de cântărire
• Plită electrică cu agitator magnetic
• Magnet de agitare
• Spatulă
• Clește
• Cronometru
• Coșul de reciclare

Produse

• HCl 2 mol/L (soluție) — 100 mL pentru paharul A și 100 mL pentru paharul C
• HCl 1 mol/L (soluție) — 100 mL pentru paharul D
• CH₃COOH 2 mol/L (soluție) — 100 mL pentru paharul B
• Carbonat de calciu (pudër) — 2,71 g pentru fiecare dintre paharele de laborator A, B și D
• Carbonat de calciu (bucăți) — 2,9 g pentru paharul de laborator C