Bestämning av hastighetskonstant och aktiveringsenergi för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon i sur lösning Jodklockan

Relevanta dokument
Bestämning av hastighetskonstant för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon

EXPERIMENTELLT PROV ONSDAG Provet omfattar en uppgift som redovisas enligt anvisningarna. Provtid: 180 minuter. Hjälpmedel: Miniräknare.

Kinetik. Föreläsning 1

EXPERIMENTELLT PROV

Titrera. Pär Leijonhufvud

Kinetik, Föreläsning 2. Patrik Lundström

Kinetik, Föreläsning 1. Patrik Lundström

Kinetik. Föreläsning 2

Kemisk reaktionskinetik. (Kap ej i kurs.)

Avsnitt 12.1 Reaktionshastigheter Kemisk kinetik Kapitel 12 Kapitel 12 Avsnitt 12.1 Innehåll Reaktionshastigheter Reaktionshastighet = Rate

Kapitel 12. Kemisk kinetik

EXPERIMENTELLT PROV

KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi. KINETIK 2(2) A: Kap

Kap 2 Reaktionshastighet. Reaktionshastighet - mängd bildat eller förbrukat ämne per tidsenhet

Övningar Homogena Jämvikter

Övningsuppgifter Syror och baser

Bestämning av fluoridhalt i tandkräm

Jämviktsuppgifter. 2. Kolmonoxid och vattenånga bildar koldioxid och väte enligt följande reaktionsformel:

På samma sätt ges ph för en lösning av en svag bas och dess salt av:

KEMIOLYMPIADEN 2007 Uttagning

Att göra i ordning en byrett för titrering

Homogen gasjämvikt: FYSIKALISK KEMI. Laboration 2. Dissociation av dikvävetetraoxid. N2O4(g) 2 NO2(g)

Mål Likformighet, Funktioner och Algebra år 9

Syror och baser. H 2 O + HCl H 3 O + + Cl H + Vatten är en amfolyt + OH NH 3 + H 2 O NH 4. Kemiföreläsning

Experimentet som naturvetenskapligt arbetssätt

Energi, katalys och biosyntes (Alberts kap. 3)

Reaktionskinetik...hur fort går kemiska reaktioner

4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

Fysikalisk kemi KEM040. Clausius-Clapeyronekvationen Bestämning av ångtryck och ångbildningsentalpi för en ren vätska (Lab2)

Syntes av acetylsalicylsyra (aspirin)

Citronsyra i sura frukter

Kinetik. Föreläsning 3

Laboration Enzymer. Labföreläsning. Introduktion, enzymer. Kinetik. Första ordningens kinetik. Michaelis-Menten-kinetik

NATIONELLT PROV I MATEMATIK KURS E VÅREN Tidsbunden del

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel Kapitel 12. Repetition inför delförhör 2. Kemisk kinetik. 2BrNO 2NO + Br 2

Sura och basiska ämnen Syror och baser. Kap 5:1-5:3, (kap 9)

Kapitel Repetition inför delförhör 2

Kemisk Dynamik för K2, I och Bio2

3. Vilka livsmedel innehåller reducerande sockerarter?

Materialfysik vt Kinetik 5.1 Allmänt om kinetik. [Mitchell 3.0; lite ur Porter-Easterling 5.4]

KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi. KINETIK 1(2) A: Kap

AREA 41 KEMINS GRUNDER

Linnéuniversitetet Institutionen för fysik och elektroteknik

Kemisk jämvikt. Kap 3

Titrering av en stark syra med en stark bas

Hemlaboration 4 A (Norrköping)

Tentamen i KEMI del A för basåret GU (NBAK10) kl Institutionen för kemi, Göteborgs universitet

KINETIK 1(2) A: Kap Vad är kinetik? 14.1 Koncentration och reaktionshastighet. KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

2BrO 2 (mycket snabb) Härled, med lämpligt valda approximationer, uttryck för (a) förbrukningshastigheten

Arbete A3 Bestämning av syrakoefficienten för metylrött

Räkneuppgifter. Lösningsberedning. 1. Vilka joner finns i vattenlösning av. a) KMnO 4 (s) b) NaHCO 3 (s) c) Na 2 C 2 O 4 (s) d) (NH 4 ) 2 SO 4 (s)

Föreläsning 13: Multipel Regression

Skriv reaktionsformler som beskriver vad som bör hända för följande blandningar: lösning blandas med 50 ml 0,05 H 3 PO 4 lösning.

Del I: Digitala verktyg är inte tillåtna. Endast svar krävs. Skriv dina svar direkt i provhäftet.

Labbrapport 1 Kemilaboration ämnens uppbyggnad, egenskaper och reaktioner. Naturkunskap B Hösten 2007 Av Tommy Jansson

Konc. i början 0.1M 0 0. Ändring -x +x +x. Konc. i jämvikt 0,10-x +x +x

Laborationer i Naturkunskap B och Naturkunskap 2

1. Ett grundämne har atomnummer 82. En av dess isotoper har masstalet 206.

NKEA02, 9KE211, 9KE311, 9KE , kl Ansvariga lärare: Helena Herbertsson , Lars Ojamäe

30. Undersökning av aminosyror i surkål

Kapitel 1. Kemiska grundvalar

Provet består av Del I, Del II, Del III samt en muntlig del och ger totalt 76 poäng varav 28 E-, 24 C- och 24 A-poäng.

Lösningar och kommentarer till uppgifter i 2.2

Uppgift 1-9. Endast svar krävs. Uppgift Fullständiga lösningar krävs. 120 minuter för Del B och Del C tillsammans. Formelblad och linjal.

Kap 6: Termokemi. Energi:

Huvudansökan, kandidatprogrammet i kemi Urvalsprov kl

I princip gäller det att mäta ström-spänningssambandet, vilket tillsammans med kännedom om provets geometriska dimensioner ger sambandet.

Tentamen för KEMA02 lördag 14 april 2012, 08-13

Del A: Digitala verktyg är inte tillåtna. Endast svar krävs. Skriv dina svar direkt på provpappret.

Tentamen i Kemi för miljö- och hälsoskyddsområdet: Allmän kemi och jämviktslära

I en utspädd sur lösning faller sackaros sönder enligt följande reaktion: När man följde reaktionen som en funktion av tiden erhölls följande data:

Tentamen i Allmän kemi NKEA02, 9KE211, 9KE , kl

4.1 Se lärobokens svar och anvisningar. 4.2 För reaktionen 2ICl(g) I 2 (g) + Cl 2 (g) gäller att. För reaktionen I 2 (g) + Cl 2 (g) 2ICl(g) gäller 2

Vilken av följande partiklar är det starkaste reduktionsmedlet? b) Båda syralösningarna har samma ph vid ekvivalenspunkten.

LAB 11 STUDIER AV TEMPERATUR OCH

LCK 319 LCK 319. Cyanid lätt frigörande. Arbetsgång. För samtliga fotometrar Utgåva 05/08

Räta linjens ekvation.

Provet består av Del I, Del II, Del III samt en muntlig del och ger totalt 76 poäng varav 28 E-, 24 C- och 24 A-poäng.

Kinetik. Föreläsning 4

SPEKTROFOTOMETRISK BESTÄMNING AV KOPPARHALTEN I MÄSSING

Vetenskaplig metod och Statistik

TENTAMEN I KEMI TFKE16 (4 p)

Rättningstiden är i normalfall 15 arbetsdagar, annars är det detta datum som gäller:

Bestämning av en saltsyralösnings koncentration genom titrimetrisk analys

KEMIOLYMPIADEN 2009 Uttagning

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Onsdag den 22 augusti 2012 kl 8:30-13:30 i V. Examinator: Bitr. Prof.

Transport över membran Undersökning osmos och växtceller (potatis)

Laboratoriemetod för att manuellt rena DNA från ett prov på 0,5 ml

4. Vad kan man multiplicera x med om man vill öka värdet med 15 %?

Provlektion till Uppdrag: Matte 9

M0038M Differentialkalkyl, Lekt 4, H15

4 rörelsemängd. en modell för gaser. Innehåll

Syror är en grupp av ämnen med en gemensam egenskap de är sura.

Repetitionsuppgifter. gymnasiekemi

Sammanfattningar Matematikboken X

Matematik Betygskriterier i matematik år 9 Ekholmsskolan i Linköping

KEMI 5. KURSBEDÖMNING: Kursprov: 8 uppgifter varav eleven löser max. 7 Tre av åtta uppgifter är från SE max. poäng: 42 gräns för godkänd: 12

Svar: Halten koksalt är 16,7% uttryckt i massprocent

Transkript:

1 K 1 070703/SEF Bestämning av hastighetskonstant och aktiveringsenergi för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon i sur lösning Jodklockan Inledning Avsikten med detta försök är att bestämma hastighetskonstanten för nedbrytning av väteperoxid till vatten genom reaktion med jodidjon som samtidigt oxideras till molekylärt jod. Denna reaktion kan studeras visuellt genom att de bildade jodmolekylerna tillsammans med stärkelse ger upphov till ett komplex med kraftigt blå färg. Det är uppträdandet av denna färg som i praktiken ska observeras i försöket. Kinetiken för den studerade reaktionen är egentligen av tredje ordningen. Dessutom finns en parallellreaktion som inte kräver sur lösning. Genom att välja försöksbetingelserna på lämpligt sätt kan emellertid några variabler hållas konstanta, varvid reaktionen i detta fall kan studeras som ett första ordningens förlopp med avseende på väteperoxid. Teori Sur reduktion av väteperoxid med jodidjon sker enligt reaktionsformeln: H 2 O 2 + 2 + 2 H + > 2 H 2 O + 2 (1) Reaktionen går i minst två steg med bl.a. underjodsyrlighet, HIO, som mellanprodukt. Reaktionshastigheten beror på koncentrationerna för alla reaktanterna. Genom att hålla såväl jodidjon- som vätejonkoncentrationerna höga och konstanta kommer emellertid hastigheten för reaktionen i praktiken bara att styras av på halten av väteperoxid, som successivt sjunker under försöket. Reaktionshastigheten kan tecknas på följande sätt: d H 2 O 2 dt = k H 2 O 2 I H + (2)

2 Detta kan enligt ovan förenklas till ett första ordningens samband enligt d H 2 O 2 dt = k! H 2 O 2 (3) med k! = k I H + (4) Efter integrering från tiden noll, t = 0, blir ekvationen ln [H 2 O 2 ] = ln [H 2 O 2 ] 0 k t (5) där index noll (0) anger koncentrationen av väteperoxid vid tiden noll. I detta försök ska koncentrationen av väteperoxiden mätas vid olika tidpunkter, varefter man avsätter ln [H 2 O 2 ] (eller någonting som är proportionellt mot detta) som funktion av tiden i ett diagram. Resultatet bör enligt (5) bli en rät linje med riktningskoefficienten k. Den räta linjen är samtidigt en indikation på att reaktionen verkligen är av första ordningen med avseende på väteperoxid. Genom att dividera k med de konstanta koncentrationerna för jodid och vätejon, kan till sist hastighetskonstanten, k, beräknas med hjälp av (4). För att man ska kunna beräkna aktiveringsenergin måste hastighetskonstanten bestämmas vid olika temperaturer. Enlig Arrhenius ekvation gäller: k = A exp E a R T ln k = ln A E a R T med aktiveringsenergin E a och den preexponentiella faktorn A. I en graf med ln k som funktion av 1/T får man en rät linje med riktningskoefficienten E a /R. Genom att göra experiment vid två temperaturer, T 1 och T 2, får man två hastighetskonstanter, k 1 och k 2, som ger upphov till ett ekvationssystem (8) varur E a kan beräknas. ln k 1 = ln A E a R T 1 (8) (6) (7) E a ln k 2 = ln A R T 2 Med hjälp av (7) och (8) kan även A beräknas. Detta tal ger en ungefärlig uppfattning om kollisionsfrekvensen mellan molekyler och joner i den aktuella reaktionen.

3 Metod Eftersom det är svårt att direkt mäta koncentrationen av väteperoxid och dess minskning med tiden, ska en indirekt metod användas. Den går ut på att man istället för koncentrationen mäter tiden för förbrukning av en bestämd mängd väteperoxid vid olika tillfällen efter att reaktionen satts igång. Denna tid är relaterad till den aktuella väteperoxidkoncentrationen. När väteperoxiden reduceras bildas en lika stor mängd jod. Denna låter man reagera med en i förväg tillsatt volym natriumtiosulfatlösning, varvid jodidjonerna återbildas och deras koncentration hålls konstant. 2 + 2 S 2 O 3 2 > 2 + S 4 O 6 2 (9) När tiosulfatjonerna förbrukats, frigörs jod och den blå stärkelsefärgen dyker upp. Tidpunkten för dess uppträdande noteras och samtidigt sätts ännu en lika stor volym natriumtiosulfatlösning till reaktionslösningen. När den blå färgen uppträder igen, upprepas samma förlopp tills ett rimligt antal mätpunkter har erhållits. När den blå färgen uppträder efter tiden t, har volymen V t av natriumtiosulfatlösning förbrukats. Denna volym är enligt reaktionerna (9) och (1) proportionell mot den sammanlagda mängden bildad jod i (1). Om reaktionen tillläts gå tills all väteperoxid hade förbrukats, skulle den bildade joden totalt motsvara volymen V oo av natriumtiosulfatlösning för att återreduceras enligt (9). Detta innebär att koncentrationen av väteperoxid vid varje tidpunkt är proportionell mot volymen V oo V t enligt följande: tid [H 2 O 2 ] [ 2 ] bildad [S 2 O 3 2 ] förbrukad 0 q V oo 0 0 t q (V oo V t ) q V t V t oo 0 q V oo V oo Här är q en konstant proportionalitetsfaktor som bl.a. beror på koncentrationen av natriumtiosulfatlösningen och lösningens totala volym, som är praktiskt taget konstant. Kännedom om q är emellertid inte nödvändig. Däremot måste man ta reda på V oo genom att titrera den använda väteperoxiden med natriumtiosulfatlösningen. Detta görs i ett separat försök, eftersom det tar alldeles för lång tid att vänta tills all väteperoxid har förbrukats i den studerade reaktionen.

4 När värdena i tabellen ovan sätts in i ekvation (5) får man ln (q (V oo V t )) = ln (q V oo ) k t (10) vilket kan förenklas till ln (V oo V t ) = ln V oo k t (11) Genom att avsätta ln (V oo V t ) mot t i ett diagram är det sålunda möjligt att beräkna hastighetskonstanten, k, utan direkt kännedom om den absoluta koncentrationen av väteperoxid. Utförande Eftersom reaktionshastigheten är starkt temperaturberoende, måste reaktionskärlet vara väl termostaterat. Det består av en vanlig 1 L bägare som är nedsänkt i ett vattenbad med termostat och lock. I samma vattenbad placeras två provrör med övriga lösningar som också ska termostateras och blandas samman, när reaktionen startas. Eftersom första försöket ska ske vid cirka 10 C eller något däröver, är det viktigt att vattenbadet innehåller kallt vatten från början. Följande lösningar behövs * Väteperoxidlösning, H 2 O 2 (aq), 1 L ca 0,5%, som späds från 3% eller 35% förrådslösning. Denna lösning måste göras ny varje dag * Perklorsyra, HClO 4, 200 ml cirka 2 4 M med väl känd koncentration * Natriumtiosulfat, Na 2 S 2 O 3, 100 ml 0,2 M som bereds av fast salt * Stärkelselösning, 50 ml Dessutom behövs fast kaliumjodid, KI, och koncentrerad svavelsyra, H 2 SO 4. Väg noggrant upp cirka 1 g (eller annan angiven mängd) fast kaliumjod på analysvåg och lös saltet i 500 ml kallt vatten i en 1 L bägare. Tillsätt med pipett 30,00 ml perklorsyra. Placera bägaren i termostatbadet i åtminstone 15 20 minuter. Rör om emellanåt så att temperaturutjämningen går fortare. Pipettera ner 20,00 ml 0,5% väteperoxidlösning i ett stort provrör och 10 ml stärkelselösning i ett annat. Placera båda provrören i termostatbadet. Bestämning av V oo kan lämpligen göras medan termostateringen pågår. För detta behövs en 10 ml byrett fylld med 0,2 M natriumtiosulfatlösning. Späd 10 ml konc svavelsyra till cirka 100 ml med vatten i en E-kolv och lös upp cirka 2 g fast kaliumjodid. Sätt sedan till 5,00 ml 0,5% väteperoxidlösning med hjälp av pipett. Blandningen blir nu kraftigt gulbrun av frigjord jod. Titrera med tiosulfat-

5 lösningen tills färgen bleknat till svagt gul. Tillsätt då cirka 2 ml stärkelselösning och titrera vidare tills den blå lösningen blir helt färglös. Upprepa titreringen en gång och beräkna V oo. Notera att i huvudförsöket tillsätts 20 ml väteperoxid, medan endast 5 ml används vid titreringen. Även till huvudförsöken behövs en fylld byrett med 0,2 M natriumtiosulfatlösning, som portionsvis ska överföras till reaktionsbägaren. När byretten är fylld och på plats och alla lösningarna termostaterade till konstant temperatur är det dags att blanda reaktionslösningarna. Börja med att hälla stärkelselösningen från provröret i bägaren och sedan väteperoxiden samtidigt som tidtagaruret startas. Tillsätt sedan så snabbt som möjligt men ändå noggrant 1,00 ml natriumtiosulfatlösning från byretten i bägaren och rör om ordentligt. Den mörkblå färg, som uppträdde när väteperoxiden tillsattes, försvinner nu. Skölj sedan det provrör, som innehöll väteperoxiden, med cirka 10 ml vatten och häll även detta i bägaren. Efter en kort stund återvänder den blå färgen plötsligt. Notera så noggrant som möjligt tiden för den blå färgens återkomst utan att stanna tidtagaruret. Tillsätt därefter snabbt ytterligare 1,00 ml natriumtiosulfat och blanda igen. Vänta in den blå färgens uppdykande, läs av tiden när detta sker och tillsätt ännu en portion tiosulfatlösning osv. Fortsätt på samma sätt tills sammanlagt 8,00 ml tiosulfatlösning har tillsatt. Observera att det alltid är tiden för färgens uppkomst som ska noteras. Skulle man missa detta vid något enstaka tillfälle är det ändå möjligt att fortsätta och använda övriga värden vid beräkningarna. Tiosulfatlösningen måste emellertid alltid tillsättas snabbt efter färgens uppträdande, men ändå med så stor noggrannhet som möjligt. Under försökets gång ska temperaturen i reaktionskärlet avläsas några gånger. Den bör inte förändras mer än ett par tiondels grader. Uppskatta ett medelvärde av temperaturen och använd detta vid beräkningarna i fortsättningen. Ovanstående försök ska upprepas vid temperaturerna cirka 20 och 30 C. Då kommer reaktionen att gå avsevärt mycket snabbare. Det är därför extra viktigt att vara observant på när den blå färgen uppträder, vilket kan ske efter bara 15-20 s vid den högsta temperaturen. Olika grupper ska göra försök med olika koncentrationer av jodid- och vätejoner för att beräkning av hastighetskonstanten, k, ska bli rättvisande.

6 Figur 1. Experimentuppställning Beräkningar * Gör en tabell för varje experiment med rubrikerna T (K) t (s) V t (ml) V oo V t (ml) ln (V oo V t ) * Rita helst i ett diagram grafer med ln (V oo V t ) som funktion av tiden, t. Dessa bör bli räta linjer med olika lutning för varje temperatur. * Beräkna riktningskoefficienterna, dvs, k, för de räta linjerna enligt (11). * Använd (4) för att beräkna k med hjälp av kända värden på [I ] och [H + ]. * Avsätt ln k T mot 1/T i ett nytt diagram och beräkna aktiveringsenergin, E a, med hjälp av (7) eller (8).

7 Kommentarer Olika grupper bör arbeta med olika koncentrationer av perklorsyra och kaliumjodid, t.ex. 2, 3 resp 4 M HClO 4 och 1,5, 2,0 resp 2,5 g invägd KI. Då blir koncentrationerna av vätejoner cirka [H + ] = 0,11, 0,16 resp 0,21 M och av jodidjoner cirka [I ] = 16, 22 resp 27 mm. Det är lämpligt att grupper med den lägsta vätejonkoncentrationen använder den största mängden jodid och vice versa för att reaktionshastigheten ska bli hanterbar. Enligt litteraturen(?) är Arrhenius formel för reaktionshastigheten ln k = 5250/T + 15,848 Detta ger en aktiveringsenergi på E a = 43,6 kj/mol och den preexponentiella faktorn till A = 7,6 10 6 s 1, dvs cirka 7,6 miljoner kollisioner per sekund. I Nuffield, Book of Data, sid 119, finns följande värden för den vätejonberoende reaktionen: E a = 43,5 kj/mol och ln A = 15,84, vilket ger A = 7,6 10 6 s 1 och ln k = 5230/T + 15,84