Sikkerhetsrisiko:lav. fare for øyeskade. HMS ruoner

Transkript

1 Reaksjonskinetikk. jodklokka Risiko fare Oltak Sikkerhetsrisiko:lav fare for øyeskade HMS ruoner Figur 1 :risikovurdering Innledning Hastigheten til en kjemisk reaksjon avhenger av flere faktorer: Reaksjonsmekanisme, konsentrasjon av reaktanter, temperatur og bruk av katalysator. I dette eksperimentet skal dere studere kinetikken til følgende reaksjon: (1) 6I + BrO 3 + 6H 3 O + 3 I + Br + 9H O Reaksjonen foregår med moderat hastighet ved værelsestemperatur. Hastigheten vil være avhengig av konsentrasjonene av reaktantene: I -, BrO 3 - og H 3 0 +, og uttrykkes: () Hastigheten = k [I - ] m [ BrO 3 ] n [H 3 O + ] p Dette er en ligning med åtte ukjente. For å løse denne ligningen må vi eliminere 7 av dem og løse en ukjent ad gangen. Vi ønsker å finne hastighetskonstanten k, reaksjonsordenen med hensyn på de ulike reaktantene - m, n og p og total orden for denne reaksjonen ved bruk av initielle hastigheters metode. Denne metoden går ut på å studere hvor fort konsentrasjonen til reaktanter/produkter endres like etter at reaksjonen har startet.

2 I tillegg er oppgaven å finne ut hvordan hastigheten avhenger av temperaturen og vil beregne aktiveringsenergien (E a ) for reaksjonen. Vi skal studere hastigheten ved hjelp av en såkalt klokkereaksjon. En klokkereaksjon er en reaksjon som foregår samtidig med vår reaksjon og i samme reaksjonsblanding. (3) I + S O 3 I + S 4 O 6 Denne reaksjonen foregår med mye større hastighet enn reaksjon (1). Reaksjon (1) blir derfor hastighetsbegrensende. Det betyr at I, som er et reaksjonsprodukt i reaksjon (1), vil reagere med tiosulfat S O 3 og raskt gjendanne I - så lenge det er tiosulfat, S O 3, til stedet. Når tiosulfaten er brukt opp, vil vi få fritt jod (I ) i løsningen. Stivelse er også tilsatt reaksjonsblandingen. Den reagerer med fritt jod og danner blå farge. Tiden det tar før all tiosulfaten er brukt (før det blir blå farge) er klokka vår, og et mål for reaksjonshastigheten. - Δ [S O - ] v = 3 Δt Ved å slå sammen likning 1. og 3. får vi totallikningen 4. (1) 6I + BrO 3 + 6H 3 O + 3 I + Br + 9H O (3) 3I + 6S O 3 6I + 3S 4 O (4) BrO 3 + 6S O 3 + 6H 3 O + 3S 4 O 6 + Br + 9H O I løpet av den tida det tar å bruke opp tiosulfaten, er det også forbrukt noe BrO 3 og H 3 O +. Ut fra utgangskonsentrasjonene og molforholdene i likning (4) er dette neglisjerbart. Vi kan forutsette at hastigheten v som vi bestemmer er nær opp til den initielle hastigheten. I denne

3 perioden blir det ikke netto forbrukt I -, for reagert I - gjendannes fra reaksjonen mellom tiosulfat og fritt jod. Som mål for reaksjonshastigheten i reaksjon (1), registreres tiden det tar å forbruke en kjent mengde S O 3 i reaksjon (3). Reaksjonstiden er omvendt proporsjonal med reaksjonshastigheten. Den tiden dere måler her blir et mål for den initielle hastigheten til reaksjon (1). Ved å endre konsentrasjonen av en reaktant og holde de andre konsentrasjonene konstante, kan vi finne ut hvorledes reaksjonshastigheten varierer med konsentrasjonen av en reaktant. Dere skal i forsøket variere reaktantene en etter en i reaksjon (1), og måle tiden det tar for at den samme mengde S O 3 - forbrukes ved ulike startkonsentrasjoner av BrO 3, I - og H 3 O +. Mengde reagert S O 3 holdes konstant ved at dere til en hver tid har samme mengde tiosulfat i løsningen. Mengden av tiosulfat er liten i forhold til de andre reaktantene. Når dere har bestemt reaksjonsordenen for samtlige reaktanter, (m, n og p i dette eksempel), kan dere bestemme hastighetskonstanten k i de ulike eksperimentene og gjennomsnittsverdien for k. Deretter skal dere undersøke hvordan reaksjonshastigheten avhenger av temperaturen. Vanligvis vil reaksjonshastigheten øke med stigende temperatur. Ved å måle reaksjonshastigheten ved ulike temperaturer, kan dere beregne aktiveringsenergien E a for reaksjonen ved hjelp av Arrhenius` likning: (5) k = A Ea RT eller overført til naturlig logaritme: (6) ln k = E a RT + konstant

4 k er hastighetskonstanten, T er absolutt temperatur, E a er aktiveringsenergi og konstanten R = 8,314 J/Kmol eller 1,987 cal/kmol, A korrigerer for de faktorer utenom aktiveringsenergien som er nødvendig for å oppnå effektive kollisjoner. a) Ved å plotte ln k mot 1/T vil en få en rett linje med vinkelkoeffisient - E a / R. E a kan derved beregnes ut fra kurven. b) Dere skal også beregne E a fra likningen: k (7) ln k1 = E a R ( T T T T 1) 1 Utstyr og reagenser Erlenmeyerkolber målesylindere vannbad stoppeklokke termometer katalysator (NH 4 ) 6 Mo 7 O 4 0,1 M HCl 0,001M Na S O 3 (nylaget) stivelsesløsning 1% 0,040 M KBrO 3 0,01M KI Praktisk utførelse I Reaksjonshastigheten som funksjon av konsentrasjon (reaksjonsorden og k verdien) I tabellen nedenfor er oppgitt volum (i ml) av de ulike reaktantene i 5 forskjellige eksperimenter. En bør først måle ut 100 ml av hver av de ulike reagensene i rene kolber, husk å merke kolbene. Disse

5 utgjør kjemikalielageret i eksperimentene. Som det fremgår av tabellen på neste side, tilsettes vann i eksperiment 1 og 4. Dette er gjort for å holde totalvolumet konstant. Eksperimentene 1-4 er utført etter samme prosedyre, vi beskriver bare utførelsen for et eksperiment 1. I dette forsøket skal flere reagenser blandes, og for å få kontroll over reaksjonsstarten, Mål ut med målesylinder reaktantene KI, Na S O 3 og vann over i en kolbe (A), tilsett på samme måte KBrO 3, HCl og stivelse i en annen kolbe (B). Reaktantene er nå fordelt i kolbene A og B slik at reaksjonen ikke starter før innholdet i kolbene blandes. Innholdet av kolbe B helles over i kolbe A, stoppeklokken startes og blandingen ristes. Fortsett ristingen til blåfarge oppnås, det tar omlag 3-4 minutter. Avles tiden, og noter temperaturen. Gjenta forsøket for de andre reaksjonsblandingene. Tabell 1 tabell over løsninger og deres mengde forhold for å utføre en jodklokkereaksjon. Reaksjonskolbe A (f. eks 50 ml) Reaksjonskolbe B eksp. KI (ml) Na S O 3 (ml) H O (ml) KBrO 3 (ml) HCl (ml) stivelse dr dr dr dr. Dere kan anvende de samme erlenmeyerkolbene, men skyll godt med RO- vann mellom hvert forsøk. Skyll også målesylinderen etter bruk. Gjenta forsøket dersom noe ser ut til å ha gått galt.

6 Regn ut konsentrasjonene i blandinger Bestem verdien av eksponentene n, m og p. Beregn k- verdien for reaksjonen ved denne temperaturen. Husk! Les av og notér temperaturen under eksperiment 1 til bruk i del II. II. Reaksjonshastigheten som funksjon av temperaturen I denne delen av eksperimentet skal dere undersøke hvorledes reaksjonshastigheten avhenger av temperaturen. Dere skal utføre reaksjonen i eksperiment 1 ved ca. 0, 10, 0 og 40 C. Målingene ved ca. 0 C er allerede gjort under punkt I Bestemmelse av reaksjonshastigheten de ulike temperaturene : Forsøket utføres som under punkt 1, men kolbene A og B med reaktantene settes i et vannbad på (f.eks) 40 C i 10 minutter for å jevne ut temperaturen (pre-inkubere) Start reaksjonene, (innholdet i kolbe B slås over i kolbe A). Hold kolben neddykket i det varme vannet til reaksjonen er ferdig. Noter temperaturen i kolbe A etter fargeomslag. Gjenta eksperimentet ved de andre temperaturene (du skal dekke 0, 10, 0, og 40 C) Beregn hastighetskonstanten k- ved de ulike temperaturene. Drøft svarene. Ved bestemmelse av reaksjonshastighetene ved 10 og 0 C brukes henholdsvis kaldt vann fra springen og isvann. Husk å jevne ut temperaturen før reaksjonsstart. Til eksperimentet ved 0 C er det lurt å benytte et stort vannbad med is/vann, da eksperimentet vil ta lang tid. Det er ikke nødvendig at forsøkene utføres eksakt ved de angitte temperaturer, men det er viktig at forsøkstemperaturen avleses nøyaktig (±0,5 C) og noteres. III. Hvordan en katalysator påvirker reaksjonshastigheten. Noen ioner kan ha en stor katalytisk virkning på kjemiske reaksjoner.

7 Dere skal undersøke hvorledes (NH 4 ) 6 Mo 7 O 4 virker på reaksjon (1). Eksperiment 1 utføres en gang til, men denne gangen tilsettes noen dråper (eller korn) katalysatorblanding i kolben B før reaksjonen startes. Eksperimentet utføres ellers som tidligere ved å riste til fargeomslag, og registrere tiden. Dette er en demooppgave og ingenting herfra skal beregnes. Beregninger Beregning av aktiveringsenergien Aktiveringsenergi kan bestemmes grafisk ved bruk av resultatene fra forsøkene I og II. Metode I Dere skal lage et diagram hvor dere plotter inn ln k- verdiene mot 1/T og bestemme E a for reaksjonene ut fra Arrhenius likning (6) som angir en rett linje. (6) ln k = E a RT + konstant Dette er det samme som y= ax + b. Les av to vilkårlige punkter på grafen og regn ut Ea. Dere skal IKKE bruke målte data, men lese av grafen. Metode II Dere skal også benytte likning (7) til å beregne E a. Her kan dere sette inn k- verdien for to målte temperaturer og løse likningen. k (7) ln k1 = E a R ( T T T T 1) 1 Kommenter eventuell forskjeller på de to verdiene for E a i diskusjonene, og angi hvilken du tror er mest korrekt.