Wpływ siły jonowej i temperatury na szybkość reakcji utleniania jonów jodkowych przez jony nadsiarczanowe |
|
|
Marcin Górski |
Data: |
|
Mirosław Dziergowski |
Zaliczenie: |
Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest:
zbadanie wpływu siły jonowej na szybkość i stałą szybkości reakcji utleniania jonów jodkowych przez jony nadsiarczanowe,
wyznaczenie energii aktywacji reakcji:
Zasada pomiaru.
Kinetykę w/w reakcji bada się wyznaczając średnią szybkość reakcji vo w początkowym jej stadium, zmieniając siłę jonową roztworu przez odpowiedni dodatek azotanu potasu. Szybkość reakcji mierzy się pośrednio, określając czas „t” potrzebny do wytworzenia się w roztworze określonej ilości produktu rea-kcji. Ponieważ jednym z produktów reakcji jest jod, którego obecność w roztworze można łatwo wykryć za pomocą wskaźnika skrobiowego, do każdej z probówek dodaje się niewielką (znaną) ilość tiosiarcza-nu sodu i skrobi.
Tiosiarczan sodu redukuje bardzo szybko powstający w reakcji jod, wskutek czego roztwór zabarwia się na niebiesko dopiero wówczas, gdy cała ilość tiosiarczanu zostanie zużyta. Znając ilość i stężenie doda-nego tiosiarczanu można obliczyć ilość powstałego jodu oraz odpowiadającą jej zmianie stężenia jonów S2O82-. Mierząc czas niezbędny do pojawienia się zabarwienia możemy obliczyć początkową średnią szybkość reakcji.
III.Wyniki pomiarów.
Wpływ siły jonowej |
Wpływ temperatury |
|||||||||||
Nr dośw. |
t [s] |
vo [mol/l⋅s] 10-6 |
[KNO3] [mol/l] |
I [mol/l] |
k [l/mol⋅s] 10-3 |
logk |
logko |
T [K] |
t [s] |
vo [mol/l⋅s]
|
k [l/mol⋅s] |
1/T [K-1] 10-3 |
1 |
678 |
1,179 |
0,0000 |
0,1277 |
1,242 |
-2,906 |
-3,474 |
293 |
865 |
9,24⋅10-7 |
9,74⋅10-4 |
3,401 |
2 |
550 |
1,559 |
0,0461 |
0,1738 |
1,643 |
-2,784 |
-3,424 |
303 |
460 |
1,73⋅10-6 |
1,82⋅10-3 |
3,300 |
3 |
410 |
1,951 |
0,0923 |
0,2201 |
2,056 |
-2,687 |
-3,384 |
313 |
310 |
2,58⋅10-6 |
2,72⋅10-3 |
3,195 |
4 |
333 |
2,402 |
0,1615 |
0,2892 |
2,532 |
-2,596 |
-3,364 |
323 |
146 |
5,48⋅10-6 |
5,77⋅10-3 |
3,096 |
5 |
263 |
3,041 |
0,3000 |
0,4277 |
3,205 |
-2,494 |
-3,357 |
333 |
76 |
1,05⋅10-5 |
1,11⋅10-2 |
3,003 |
6 |
205 |
3,902 |
0,4615 |
0,5892 |
4,113 |
-2,386 |
-3,349 |
|
|
|
|
|
7 |
138 |
5.797 |
0,6923 |
0,8200 |
6,111 |
-2,214 |
-3,271 |
|
|
|
|
|
Przykładowe obliczenia.
A. Wpływ siły jonowej.
1. Obliczenie stężeń początkowych [KNO3], [KJ]o , [(NH4)2S2O8]o oraz siłę jonową.
ROZTWÓR |
STĘŻENIE [mol/l] |
KJ |
0,2 |
Na2S2O3 |
0,01 |
(NH4)2S2O8 |
0,2 |
KNO3 |
1,5 |
Korzystając ze wzoru: C1V1=C2V2 obliczamy w/w stężenia
, gdzie V2 - objętość całkowita (równa 65ml).
Lp |
Stężenia KNO3 [mol/l] |
Siła jonowa I [mol/l] |
1 |
0,0000 |
0,1277 |
2 |
0,0461 |
0,1738 |
3 |
0,0923 |
0,2201 |
4 |
0,1615 |
0,2892 |
5 |
0,3000 |
0,4277 |
6 |
0,4615 |
0,5892 |
7 |
0,6923 |
0,8200 |
Obliczenia przykładowe:
dla próbki nr 1
dla próbki 2:
Siłę jonową mieszaniny obliczamy, korzystając ze wzoru:
KJ → K+ + J- [KJ] = [K+] = [J-] = 0,0308
Na2S2O3 → 2Na+ + S2O32- [Na2S2O3] = [S2O32-] = 0,0015 ⇒ [Na+] = 2⋅0,0015=0,003
(NH4)2S2O8 → 2NH4+ + S2O82- [(NH4)2S2O8] = [S2O82-] = 0,0308 ⇒ [NH4+] = 2⋅0,0308 = 0,0616
KNO3 → K+ + NO3- [KNO3] = [K+] = [NO3-]
Siła jonowa próbki 1:
I = 0,5⋅(0,0308 + 0,0308 + 0,003 + 0,0015⋅4 + 0,0616 + 0,0308⋅4 + 0 + 0) = 0,1277 [mol/l]
2. Na podstawie ilości tiosiarczanu wprowadzonego do mieszaniny obliczamy ilość jodu potrzebnego do utlenienia tej ilości tiosiarczanu oraz odpowiadającą jej zmianę stężenia S2O82-, czyli Δ[S2O8 2-].
Ilość jodu która przereagowała: n = C⋅V = 0,01⋅0,01 = 10-4:2 = 5⋅10-5 mola
Ilość jodu potrzebna do utlenienia tiosiarczanu: 5⋅10-5 mola
Początkowa liczba moli nadsiarczanu: n = 0,2⋅0,01 = 2⋅10-3 mola
Pozostała ilość nadsiarczanu: 2⋅10-3 - 5⋅10-5 = 1,95⋅10-3
Stężenia jonów [S2O82-] w czasie zmiany barwy:
Zmiana stężenia jonów Δ[S2O8 2-] = 3,08⋅10-2 - 3⋅10-2 = 8⋅10-4
Średnia początkowa szybkość reakcji obliczamy ze wzoru:
Obliczenia przykładowe: próbka 1: vo =
próbka 2: vo =
próbka 3: vo =
próbka 4: vo =
próbka 5: vo =
próbka 6: vo =
próbka 7: vo =
Z zależności (1)
oraz z zależności (2)
obliczamy k, ko dla wszystkich badanych mieszanin.
Stałe wynoszą odpowiednio:
α = 0,733
B = -0,062
A = 0,509
zA = -1
zB = -2
Obliczenia przykładowe stałej k z zależności (1):
próbka 1:
próbka 2:
próbka 7:
Obliczenia przykładowe stałej ko z zależności (2):
próbka 1:
próbka 2:
próbka 7:
5. Odchylenie standardowe Δko liczymy ze wzoru:
gdzie:
n - liczba doświadczeń
- wartość średnia stałej ko z n-doświadczeń (równa 4,18⋅10-4).
Δko = 6,902⋅10-5.
Wpływ temperatury.
Obliczenie średniej początkowej szybkości reakcji.
dla T = 293K
dla T = 303K
dla T = 313K
dla T = 323K
dla T = 333K
Obliczenie stałej szybkości reakcji k.
dla T = 293K
dla T = 303K
dla T = 313K
dla T = 323K
dla T = 333K
Obliczenie czynnika przedwykładniczego A i Ea wykorzystując postać logarytmiczną równania Arrheniusa.
Jest to zależność liniowa (y = ax + b)
Metodą najmniejszych kwadratów oliczamy A.
Lp |
T-1 |
lnk |
1 |
3,401⋅10-3 |
-6,934 |
2 |
3,300⋅10-3 |
-6,309 |
3 |
3,194⋅10-3 |
-5,907 |
4 |
3,096⋅10-3 |
-5,155 |
5 |
3,003⋅10-3 |
-4,501 |
-5132,74
14,88
⇒ Ea = -a⋅R = 5132,74⋅8,314 = 42,673
lnA = 14,88 ⇒ A = e14,88 = 2,899358⋅106
Wnioski
Na szybkość reakcji duży wpływ ma temperatura. Ten parametr w decydujący sposób wpływa na szybkość reakcji, ponieważ nie tylko podwyższa liczbę zderzeń na wskutek wzrostu energii kinetycznej drobin, ale także podwyższa udział zderzeń skutecznych, które prowadzą do utworzenia drobin pro-duktów. Możemy, więc stwierdzić, że czas zajścia reakcji w temperaturach niższych jest znacznie dłu-ższy niż w temperaturach wyższych, co można zaobserwować w naszych wynikach.
Korzystając z zależności:
można stwierdzić, że jeżeli zA i zB są jednakowych znaków, to wówczas logk > logk0 i wtedy stała szybkości reakcji rośnie ze wzrostem I, natomiast jeżeli zA i zB są przeciwnych znaków wtedy logk < logk0 i stała k maleje ze wzrostem I.