Krystalviolet og Hydroxid - Reaktionskinetik

Side 1

[navn fjernet] 3.x Reaktionskinetik 2/2-12

Side 1 af 8

Reaktionskinetik – reaktion mellem krystalviolet og hydroxid

Formål

At bestemme reaktionsordenen, hastighedskonstant og aktiveringsenergien for reaktionen mellem

              +   1
krystalviolet, CV (aq) og hydroxidioner:

CV (aq) + OH^{–} (aq) → CVOH (aq) (1)

+

Teori^{2}

Reaktionen antages at følge et hastighedsudtryk af typen:

v = k∙[CV]^{x} ⋅ [OH^{-}]^{y} (2)

+ hvor x og y antages at have værdien enten 0, 1 eller 2.

I forsøgene anvendes hydroxid i stort overskud i forhold til krystalviolet, således at det kun er koncentrationen af krystalviolet, der ændres. Hydroxid koncentrationen regnes for at være konstant under reaktionen (pseudoførsteordensreaktion). Herved reduceres hastighedsudtrykket til:

v = k ∙[CV^{+}]^{x} hvor k = k∙[OH^{-}]^{y} (3)

pseudo pseudo

STX 3.g^{+} er farvet, kan krystalvioletkoncentrationen bestemmes spektrofotometrisk til forskellige

tidspunkter i reaktionsforløbet. Ved passende afbildninger kan x og k bestemmes.

pseudo

Reaktionsordenen, y med hensyn til hydroxid bestemmes ved at lave måleserier med forskellige koncentrationer af hydroxid, og således at hydroxid er i alle måleserierne er i stort overskud.

Aktiveringsenergien bestemmes ved at gennemføre reaktionen ved forskellige temperaturer.

Apparatur/kemikalier

          3
Krystalviolet med koncentrationerne 10,0 mg/L, 5,0 mg/L, 4,0 mg/L, 3,0 mg/L, 2,0 mg/L og

1,0 mg/L, 0,40 M NaOH, 0,40 M KNO, spektrofotometer, computer og termometer.

3

Udførelse

1

Se bilag 1 for struktur

2

Se KK3 s.11-23 og 28-30

3

Opløst i KNO_{3} (aq)

Side 2

[navn fjernet] 3.x Reaktionskinetik 2/2-12

Side 2 af 8

I inddeles i 4 hold og hvert hold skal udføre følgende:

a. Optage absorptionsspektrum af krystalviolet

b. Lave en standardkurve for krystalviolet

c. Lave en måleserie ved én hydroxidionskoncentration

d. Lave en måleserie ved én temperatur forskellig fra stuetemperaturen

Ad a)

Absorptionsspektret af 5,0 mg/L opløsningen optages med KNO (aq) som reference^{4}. Ud fra

3 spektret fastlæges en bølgelængde til fastlæggelse af en standardkurve. Denne bølgelængde anvendes i resten af forsøget. Kopier spektret til Word og gem det til rapporten.

Ad b)

Mål absorbansen af de fem opløsninger 5,0 mg/L ….. 1,0 mg/L ved den valgte bølgelængde. Brug

samme kuvette.

Ad c)

Måleserier:

Måleserie/hold 10,0 mg/L 0,40 M NaOH 0,40 M KNO^{5} Start Slut

Krystalviolet

                                            O          O
mL            mL            mL        Temp./ C   Temp./ C

3

1 10,0 10,0 0,0 19 22

2 | 10,0 | 7,5 | 2,5
3 | 10,0 | 5,0 | 5,0
4 | 10,0 | 2,5 | 7,5

4

Se bilag 2 for vejledning til spektrofotometeret

5

For konstant ionstyrke

Side 3

[navn fjernet] 3.x Reaktionskinetik 2/2-12

Side 3 af 8

Krystalvioletopløsningen overføres til et 100 mL bægerglas. NaOH/KNO blandes i et andet 100

3 mL bægerglas. De to væsker hældes sammen i et af bægerglassene, og der omrøres kort (det skal gå hurtigt!). En kuvette fyldes hurtigt med opløsningen, og anbringes i spektrofotometeret, hvorefter absorbansen måles løbende i intervaller af 1,0 sekunder.

Når absorbansen er mindre end 0,20 stoppes forsøget.

Ad d)

Hold 10,0 mg/L 0,40 M NaOH Ca. Start Målt start Målt Slut- Gennemsnits-

Krystalviolet

                            O         O          O         O
mL           mL       Temp./ C   temp./ C  temp./ C  temp./ C

1 10,0 10,0 8,0 10 15

2 | 10,0 | 10,0 | 13,0
3 | 10,0 | 10,0 | 26,0
4 | 10,0 | 10,0 | 32,0

Der fremstilles et vandbad med den pågældende ca. temperatur. Krystalviolet og NaOH afmåles i hvert sit reagensglas og anbringes i vandbadet i ca. 15 min, hvorefter starttemperauren måles.

Indholdet i de 2 reagensglas hældes sammen i et 100 mL bægerglas og en kuvette fyldes hurtigt med opløsningen, hvorefter absorbansen måles løbende i intervaller af 1,0 sekunder i alt 50 sek.

Sluttemperaturen af opløsningen i kuvetten måles.

Resultaterne overføres til Excel og gemmes

Resultater/databehandling:

Side 4

[navn fjernet] 3.x Reaktionskinetik 2/2-12

Side 4 af 8

Vi startede med at lave et absorptionsspektrum, så vi kan bestemme den bølgelængde. Denne bølgelængde skal vi bruge for at vide, hvor vi skal måle i spektrummet, når vi laver vores standardkurve.

Vi valgte bølgelængden 585 nm, da det er ca. ved denne bølgelængde, at absorptionsspektrummet har sin top. Bølgelængden blev bestemt ved hjælp af programmet.

En standardkurve laves for at vi kan bestemme koncentrationen af krystalviolet. Vi skal bruge den rette linjes ligning, til at finde koncentrationen af krystalviolet. Det vises hvordan senere, Standardkurven for forsøget ser således ud.

Side 5

[navn fjernet] 3.x Reaktionskinetik 2/2-12

Side 5 af 8

To af punkterne ligger lige over eller lige under den bedste rette linje, som er blevet lagt ind. Standardkurven kan bruges som hjælp til at finde koncentrationen af krystalviolet. Den viser samtidig at absorbansen er proportional med koncentrationen af krystalviolet.

                                                  𝑦−𝑏
Vi beregner koncentrationen af krystalviolet ved formlen 𝑥= , hvor x er koncentrationen af
                                                   𝑎

krystalviolet, y er absorbansen, b og a er fundet ved hjælp af standardkurvens ligning.

Vi kan ud fra graferne bestemme at reaktionen er af første orden. Da R er tættest på 1 ifølge den rette linjes ligning for afbildningerne.

Alle afbildningerne og beregningerne kan ses i bilag.

Så for at finde k pseudo skal vi bruge koncentrationen af hydroxid. Som vi kan finde ved

𝐶_{𝑂𝐻} = = = =0,200𝑀

𝑛 𝑉_{1} ∙ 𝐶 10 𝑚𝑙∙ 0,40𝑀
𝑉 𝑉_{2} 20 𝑚𝑙

Så koncentrationen af hydroxid er 0,200 M.

Hold [OH]/M K /sek^{-1}

pseudo

Standardkurve y = 0,2331x + 0,0073
R² = 0,9634

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 1 2 3 4 5 6

Koncentration

1 | 0,178
2 | 0,485
3 | 0,825
4 | 0,918
5 | 1,127

Side 6

[navn fjernet] 3.x Reaktionskinetik 2/2-12

Side 6 af 8

1 | 0,200 | 0,0226
2 | 0,150 | 0,0131
3 | 0,100 | 0,0109
4 | 0,050 | 0,0049

• k for de 4 hold sammenholdes med [OH^{-}] i de fire forsøg (husk der sker en fortynding af

pseudo

OH^{-} ved sammenblandingen)
Bestem y ud fra de 4 resultater – f.eks. ved at afbilde ln k som funktion af [OH^{-}]

pseudo

Bestem endvidere k

Ud fra de 4 k pseudo

, som der er blevet fundet, kan vi finde y og konstanten k ved at afbillede en graf med ln(k) som funktion af ln([OH]), da pseudo

𝑘_{𝑝𝑠𝑒𝑢𝑑𝑜} =𝑘∙ [ 𝑂𝐻]^{𝑦} →ln(𝑘_{𝑝𝑠𝑒𝑢𝑑𝑜})=ln ( 𝑘 ∙ [ 𝑂𝐻]^{𝑦}) →ln(𝑘_{𝑝𝑠𝑒𝑢𝑑𝑜})=ln ( 𝑘) + ln ([ 𝑂𝐻]^{𝑦})
→ln(𝑘_{𝑝𝑠𝑒𝑢𝑑𝑜})=ln ( 𝑘) + 𝑦∙ ln ( [ 𝑂𝐻])

Hvor det kan ses at denne udledte formlen er lig med formlen for en ret linje y1 = ax+b. Hvor

ln(k) er lig med y1, ln(k) er lig med b, y er lig med a og ln([OH]) er lig med x pseudo

y = 0,9344x + 1,9946
R² = 0,9675

-3,5

-3

-2,5

-2 k -1,5

-1

-0,5

0

-6 -4 -2 0 l n

( p s e u Lineær (Serie1) d o

) ln([OH])

Serie1

Lineær (Serie1)

Side 7

[navn fjernet] 3.x Reaktionskinetik 2/2-12

Side 7 af 8

Da vi har lavet en graf med ln(k pseudo

) som funktion af ln([OH]), kan vi hurtig finde y og k.

y = 0,9344

ln(k) = 1,9946, så k = 0,690444

Vi kan lave et Arhhenius plot ud fra de fundne k pseudo som er fundet ved forskellige temperaturer.

k t/K

pseudo

0,0246 | 298,15
0,0226 | 293,15
0,0078 | 289,65

Vi kan finde aktiveringsenergien ved formlen

ln()= ∙ ( −)

𝑘_{1} −𝐸_{𝐴} 1 1
𝑘_{2} 𝑅 𝑇_{2} 𝑇_{1}

Da vi kender k ved forskellige temperaturer pseudo

solve(ln()= ∙ ( −))

0,0246 −𝐸_{𝐴} 1 1
0,0226 8,31_{𝑚𝑜𝑙∙𝐾}^{𝐽} 293,15𝐾 298,15𝐾

y = -11079x + 33,614
R² = 0,7256

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0,00334 0,00336 0,00338 0,0034 0,00342 0,00344 0,00346 ln(k pseudo

)

1/T (K^{-1})

y

Lineær (y)

Lineær (y)

Side 8

[navn fjernet] 3.x Reaktionskinetik 2/2-12

Side 8 af 8

𝐸_{𝐴} =12317,8 𝐽=12,32 𝑘𝐽

Aktiveringsenergien er lav, da den normalt ville være mellem 50-200 kJ.

Konklusion:

Da der skete en fejl i vores forsøg, så vi ikke kunne beregne vores k pseudo

, så vi havde kun de andre holds konstanter. Derfor kan jeg ikke påstå at vores forsøg lykkedes helt. Men vores formål lykkedes, for vi fandt reaktionsordenen, hastighedskonstanten og aktiveringsenergien for reaktionen mellem krystalviolet og hydroxid.