[navn fjernet] 3.K
1
Indhold
Formål: ................................................................................................................................................. 2
Teori: .................................................................................................................................................... 2
Konduktivitet: .................................................................................................................................. 2
Reaktionsorden: (Kemirapporten ”Reaktionsorden ”) .................................................. 2
Første ordens reaktioner: .................................................................................................................. 3
Anden ordens reaktioner: ................................................................................................................. 4
Reaktionsmekanisme: ...................................................................................................................... 6
Substitutionsreaktioner: ................................................................................................................... 7
Reaktionsmekanismen for nucleofile substitutionsreaktioner: ........................................................ 8
Materialer: ............................................................................................................................................ 9
Kemikalier:....................................................................................................................................... 9
Apparatur: ........................................................................................................................................ 9
Fremgangsmåde: .................................................................................................................................. 9
Resultater/Diskussion: ....................................................................................................................... 10
1:..................................................................................................................................................... 10
2:..................................................................................................................................................... 11
3:..................................................................................................................................................... 12
4:..................................................................................................................................................... 12
5:..................................................................................................................................................... 13
6:..................................................................................................................................................... 15
7:..................................................................................................................................................... 15
8:..................................................................................................................................................... 16
Fejlkilder: ....................................................................................................................................... 16
Konklusion: ........................................................................................................................................ 17
[navn fjernet] 3.K
2
Formål:
At finde ud af hvordan konduktiviteten ændre sig under reaktionen mellem 2-chlor-2-methylpropan
og vand. Vi ønsker også at bestemme reaktionsorden for reaktionen.
Teori:
Konduktivitet:
Konduktivitet betyder ledningsevne, det er altså en opløsnings eller metals evne til at lede elektrisk
energi. Vi er interesseret i konduktiviteten for en opløsning, og en opløsning er elektrisk ledende,
hvis den indeholder ioner. Når vi vil måle en opløsnings konduktivitet, kan vi bruge to rektangulære
elektroder, som sidder parallelt overfor hinanden i en dyppecelle. Dyppecellen tilsluttes til en
ledningsevnemåler. Ved måling af konduktiviteten anvender vi vekselspænding, for at undgå at lave
en elektrolyse.
Reaktionsorden: (Kemirapporten ”Reaktionsorden ”)
Reaktionshastigheden afhænger af reaktanternes koncentrationer. Vi antager, at vi ved ovenstående
forsøg finder hastighedsudtrykket for reaktionen således:
Reaktionen er da af ordenen m med hensyn til A og af ordenen n med hensyn til B. Den totale
reaktionsorden er m og n lagt sammen. Reaktionsorden er derfor bestemt af eksponenterne i det
eksperimentelt fundne hastighedsudtryk.
Et eksempel som reaktion kan vi tage vores eget forsøg, en reaktion mellem peroxodisulfationer
(S
2
O
8
2-
) og iodidioner (I
-
):
Hastighedsudtrykket vil kunne beskrives på følgende måde:
[navn fjernet] 3.K
3
Vi kan ikke bestemme reaktionsordenerne, vi skal først lave forsøget, og derpå have kendskab til
sammenhængen mellem koncentrationen af pågældende stof og tiden. Når vi har det, kan vi ved
grafisk analyse bestemme, om der er tale om en første eller anden ordens reaktion.
Første ordens reaktioner:
En første ordens reaktion har hastighedsudtrykket:
Vi kan omskrive hastighedsudtrykket til:
Vi kan løse denne differentialligning, og vil til slut komme ud med følgende ligning:
Formlen viser, at hvis vi afbilder en første ordens reaktion som ln[A] som funktion af t, får vi en
aftagende ret linje.
Hastighedskonstanten k kan aflæses som den numeriske værdi af linjens hældningskoefficient. Når
vi vil finde [A] skal vi bruge følgende formel:
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
2500
Ekspon. (Serie1)
[navn fjernet] 3.K
4
Hermed har vi vist, at koncentrationen af A aftager eksponentielt i en første ordens reaktion. Vi
laver en graf over [A] som funktion af t:
Anden ordens reaktioner:
Et anden ordens hastighedsudtryk kan se således ud:
Vi kan omskrive hastighedsudtrykket til:
Løsningen til den differentialligning bliver:
Hvis vi afbilder en anden ordens reaktion som 1/[A] mod t, vil vi få en ret linje:
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
2500
Serie1
Ekspon. (Serie1)
[navn fjernet] 3.K
5
Hvis vi igen bare afbilder koncentrationen af A som funktion af t, får vi med tilnærmelse vis en
eksponentiel aftagende funktion:
I vores forsøg kunne vi forestille os at vi havde kendskab til sammenhængen mellem [S
2
O
8
2-
] og
tiden. For at finde ud af om det så er en første eller anden ordens reaktion tager vi henholdsvis
ln[S
2
O
8
2-
] og 1/[S
2
O
8
2-
]. Hvis den første har den pæneste rette linje (R-kvadranten tættest på 1), er
det en første ordens reaktion, er det nummer to graf, der har den tætteste R-kvadrant på 1, er det en
anden ordens reaktion.
0
20
40
60
80
100
120
0 200
Serie1
Lineær (Serie1)
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0 200
Serie1
Ekspon. (Serie1)
[navn fjernet] 3.K
6
Reaktionsmekanisme:
En bimolekylær elementarreaktion opstår ved sammenstød mellem to partikler:
Vi har forudsat at de to partikler danner et nyt partikel, men der kunne sagtens blive dannet to eller
flere partikler ved sammenstødet. Molekyler bevæger sig tilfældigt rundt mellem hinanden, de
skifter fart og hastighed ved sammenstød med andre molekyler. Ved koncentrationer af moderat
størrelsesorden sker der mange antal sammenstød mellem A og B pr. sekund. Hvis den ene af
koncentrationerne bliver fordoblet, får det andet molekyle dobbelt så mange sammenstød med det
forøget molekyle. Antal sammenstød mellem A og B pr. tid må være proportionalt med produktet af
de to koncentrationer. Reaktionshastigheden vil derfor være:
I en unimolekylær elementarreaktion omdannes en enkelte partikel:
Antallet af x-molekyler som omdannes pr. tid, må være en bestemt brøkdel af det totale antal X-
molekyler, derfor:
Et reaktionsskema for en kemisk reaktion angiver kun stofomsætningen ved reaktionen. Det
fortæller os ikke om hvordan reaktionen forløber. En detaljeret redegørelse for reaktionsforløbet
kaldes reaktionsmekanismen for reaktionen. Vi kunne forestille os følgende reaktionsskema:
En reaktionsmekanisme til reaktionen kunne se således ud:
[navn fjernet] 3.K
7
Dette er blot et eksempel hvordan reaktionsmekanismen kunne se ud, ud fra reaktionsskemaet. I
reaktionsforløbet får vi dannet X og Y som bliver brugt til at danne reaktionsprodukterne, sådanne
molekyler kalder vi mellemprodukter. De er ofte for ustabile til at blive bevaret eller isoleret fra
opløsningen. Vi kan ikke angive et samlet hastighedsudtryk for reaktionen, da vi ikke ved hvilke af
reaktionsmekanismerne der foregår langsomst. Reaktionen kan selvfølgelig ikke foregå hurtigere
end det langsomste trin. Hvis vi forestiller os, at vi udfører forsøget, og at det viser sig, at den første
reaktionsmekanisme er den langsomste, så vil hastighedsudtrykket blive:
Reaktionen vil derfor blive af anden orden, da både A og B er af første orden.
Substitutionsreaktioner:
Vi ser på reaktionen mellem iodmethan og hydroxidioner:
Denne reaktion ved at blande iodmethan og hydroxidioner er en substitutionsreaktion. Det er altså
en reaktion, hvor at et molekyle bliver ”byttet ud” med et andet. Inden reaktionen er iodatomet
bundet til carbonatomet med et fælles elektronpar. Når reaktionen forløber tager iodatomet
elektronparret med sig, og bliver til en ion, da den har en overskydende elektron. Derved kan
oxygenatomet optage den frie plads, som er opstået på methan og danner en kovalent binding
mellem carbon og oxygen. Derfor kalder vi hydroxidionen for et nucleofilt reagens, og reaktionen
er derfor en nucleofil substitutionsreaktion. Iodionen kalder vi den udgående gruppe, da den bliver
erstattet.
I vores forsøg danner vi en alkohol ved reaktion mellem vand og 2-chlor-2-methylpropan:
[navn fjernet] 3.K
8
Reaktionsmekanismen for nucleofile substitutionsreaktioner:
Der findes to forskellige reaktionsmekanismer for nucleofile substitutionsmekanismer. De betegnes
som S
N
1 og S
N
2, S står for substitution, og N for nucleofil, tallene 1 og 2 står for henholdsvis
unimolekylær og bimolekylær. Vi starter med at kigge på bimolekylære mekanismer. Reaktionen
mellem iodmethan og hydroxidioner er en typisk S
N
2-reaktion:
Det eksperimentelt fundne hastighedsudtryk står ovenstående. Hastighedsudtrykket viser at
reaktionen forløber i et enkelt trin, derfor er det en bimolekylær elementarreaktion.
Vi kigger nu pet et eksempel på en S
N
1-reaktion, som er reaktionen mellem 2-iod-2-methylpropan
og hydroxidioner:
Hastighedsudtrykket er betydeligt anderledes i forhold til forrige reaktion. Vi kan se at den
nucleofile reagens (hydroxidionerne) slet ikke indgår i hastighedsudtrykket. Derfor er den
nucleofile reagens altså ikke indblandet i det hastighedsbestemmende trin. Derfor kunne
reaktionsmekanismerne se således ud:
Først fraspaltes den udgående gruppe (iod), og der bliver dannet en positiv ion på carbon. Det
kaldes en carbokation eller en carboniumion. Dette molekyle er meget ustabilt, og søger derfor
hurtigt at reagere videre med det nucleofile reagens. Derfor vil den sidste reaktionsmekanisme
foregå hurtigt mens den første reaktionsmekanisme vil foregå langsomt. Så det
hastighedsbestemmende trin være den første reaktionsmekanisme som er en unimolekylær
elementarreaktion. Så det vil blive en S
N
1-reaktion, som viser, at det hastighedsbestemmende trin er
unimolekylært.
[navn fjernet] 3.K
9
Det er afgørende om den udgående gruppe sidder på et primært, sekundært eller tertiært
carbonatom. Hvis carbonatomet er primært, foregår reaktionen om hovedregel efter S
N
2-
mekanismen. Det er fordi, der tit er plads til den nucleofile reagens til at ramme carbonatomet, og
binder sig imens den udgående gruppes bindinger sprænges. Der er der ikke, hvis carbonatomet er
tertiært. Men til gengæld dannes en tertiær carbokation nemmere end en primær og sekundær.
Derfor vil vi sandsynligvis få en S
N
1-reaktion, hvis den udgående gruppe er bundet til et tertiært
carbonatom. Hvis det er et sekundær carbonatom, som den udgående gruppe er bundet til, bliver
reaktionen sandsynligvis S
N
2, men det afgøres af det nucleofile reagens og af opløsningsmidlets
polaritet.
Materialer:
Kemikalier:
0,100 M 2-chlor-2-methylpropan (opløst i acetone)
Apparatur:
Cylinderglas
1 mL pipette
100 mL måleglas
Ledningsevnemåler
Ledningsevnemåler tilsluttet til computer med datastudie
Fremgangsmåde:
Vi starter med at rense apparaturet med demineraliseret vand. Derefter hælder vi noget vand op i et
måleglas og måler konduktiviteten, som skal være mindre end 1 μS/cm, ellers skal
ledningsevnemåleren renses igen. Vi starter derfor datastudie og tilslutter ledningsevnemåleren til
computeren. Vi overfører 1 mL 2-chlor-2-methylpropan til et cylinderglas. Vi fylder så et måleglas
op med 99 mL demineraliseret vand. Så hælder vi opløsningerne sammen og starter datastudie,
[navn fjernet] 3.K
10
samtidige med at vi bevæger ledningsevnemåleren forsigtigt op og ned i cylinderglasset. På
datastudie kan vi se at konduktiviteten stiger som reaktionen forløber, når grafen begynder at blive
konstant stopper vi forsøget.
Resultater/Diskussion:
De data vi har fået ud af forsøget har vi indsat i excel, og har lavet en graf, den ses her:
Grafen vise hvordan konduktiviteten stiger som funktion af tiden. Vi har klippet nogle af de sidste
resultater ud, fordi grafen blev konstant men begyndte derpå at aftage.
1:
Grunden til at startkoncentrationen af C
4
H
9
Cl er 0,001 M. Årsagen hertil skal findes ved at kigge på
reaktanten C
4
H
9
Cl inden reaktionen går i gang. Koncentrationen af stoffet er 0,1 M, og vi udtager 1
mL, vi kan regne stofmængden ud vha. stofmængdekoncentrationsformlen. Stofmængden bliver
0,0001 mol. Så når vi sætter reaktionen i gang blander vi den ene mL med 99 mL demineraliseret
vand, så vi bruger igen stofmængdekoncentrationsformlen til at finde startkoncentrationen af
stoffet. Vi finder derpå startkoncentrationen af C
4
H
9
Cl til 1,00 * 10
-3
M.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
00
Serie1
[navn fjernet] 3.K
11
De øvrige koncentrationer som er angivet i skemaet, der er til at starte med 0 M HCl, fordi HCl
bliver dannet i løbet som reaktionen forløber. Efter i princippet uendelig lang tid vil al C
4
H
9
Cl være
omdannet til HCl, derfor må startkoncentrationen af C
4
H
9
Cl være det samme, som
slutkoncentrationen af HCl, derfor 1,00 * 10
-3
M. Til slut vil al C
4
H
9
Cl være omdannet, og der vil
derfor ikke være mere tilbage derfor 0 M C
4
H
9
Cl.
2:
Vi får at vide at sammenhængen mellem konduktiviteten og koncentrationen af HCl er
proportionale. Det skyldes at de andre stoffer der optræder i reaktionen, også er elektriske ledende,
men så lidt at det ikke behøver medregnes i den samlet konduktivitet. Da sammenhængen er
proportional så er forholdet mellem konduktivitet og koncentration det sammen. Derfor kan vi
dividere vores slutkoncentration af HCl med sidste konduktivitets værdi. Så finder vi forholdet
mellem konduktivitet og koncentration, så ganger vi det konstante forhold med konduktiviteten til
et pågældende tidspunkt og finder derpå koncentrationen af HCl. Vi viser et enkelt regneeksempel
og skriver de andre koncentrationer i skemaet:
Så tager vi konduktiviteten efter 15 sekunder, 13 μS/cm:
Tid / s
Konduktivitet / μS/cm
C(HCl) / M
0
0
0
15
13
9,35 * 10
-5
30
56
4,03 * 10
-4
45
77
5,54 * 10
-4
[navn fjernet] 3.K
12
60
94
6,76 * 10
-4
75
108
7,77 * 10
-4
90
119
8,56 * 10
-4
105
127
9,14 * 10
-4
120
132
9,50 * 10
-4
”∞”
139
1,00 * 10
-3
3:
I forsøget ser vi bort fra, at det demineraliserede vand også bidrager til konduktiviteten. Årsagen
hertil er fordi, det er sådan en lille procentdel af konduktiviteten, som skyldes demineraliseret vand.
Årsagen her til er vands autoprotolyse, ved målinger af den elektriske ledningsevne for rent vand
(demineraliseret vand) ved 25 ºC er værdien:
Vi kan altså se at koncentrationen af demineraliseret vand er meget lav flere tusinde gange lavere.
4:
Koncentrationen af C
4
H
9
Cl afhænger af koncentrationen af HCl og omvendt. Da vi har
koncentrationen af HCl til tidspunkterne i skemaet, kan vi også finde koncentrationen af C
4
H
9
Cl.
Hvis du ligger [HCl] sammen med [C
4
H
9
Cl], skal det give 1,00 * 10
-3
M. Derfor trækker vi bare
[HCl] fra 1,00 * 10
-3
M, for at finde [C
4
H
9
Cl].
[HCl] / M
[C
4
H
9
Cl] / M
0
1,00 * 10
-3
9,35 * 10
-5
9,06 * 10
-4
4,03 * 10
-4
5,97 * 10
-4
5,54 * 10
-4
4,46 * 10
-4
6,76 * 10
-4
3,24 * 10
-4
7,77 * 10
-4
2,23 * 10
-4
8,56 * 10
-4
1,44 * 10
-4
9,14 * 10
-4
8,63 * 10
-5
[navn fjernet] 3.K
13
9,50 * 10
-4
5,04 * 10
-5
1,00 * 10
-3
0
5:
Vi skal beregne de sidste størrelser i skemaet, vi gør blot som der står ln[C
4
H
9
Cl] og 1/[C
4
H
9
Cl]:
Tid / s
Konduktivitet / μS/cm
C(HCl) / M
[C
4
H
9
Cl] / M
Ln[C
4
H
9
Cl]
1/[C
4
H
9
Cl]
0
0
0
1,00 * 10
-3
-6,91
1000
15
13
9,35 * 10
-5
9,06 * 10
-4
-7,01
1103,75
30
56
4,03 * 10
-4
5,97 * 10
-4
-7,42
1675,04
45
77
5,54 * 10
-4
4,46 * 10
-4
-7,72
2242,15
60
94
6,76 * 10
-4
3,24 * 10
-4
-8,03
3086,42
75
108
7,77 * 10
-4
2,23 * 10
-4
-8,41
4484,30
90
119
8,56 * 10
-4
1,44 * 10
-4
-8,85
6944,44
105
127
9,14 * 10
-4
8,63 * 10
-5
-9,36
11587,49
120
132
9,50 * 10
-4
5,04 * 10
-5
-9,90
19841,27
”∞”
139
1,00 * 10
-3
0
-
-
Vi laver nu en to grafer på excel, en med ln[C
4
H
9
Cl] som funktion af tiden, og en med 1/[C
4
H
9
Cl]
som funktion af tiden:
Det er grafen for ln[C
4
H
9
Cl] som funktion af tiden, som har R-kvadranten 0,9811.
y = -0,0251x - 6,6749
R² = 0,9811
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0
Serie1
Lineær (Serie1)
[navn fjernet] 3.K
14
Det er grafen for 1/[C
4
H
9
Cl] som funktion af tiden, som har R-kvadranten 0,754.
Den første graf med ln[C
4
H
9
Cl] som funktion af tiden, har den pæneste R-kvadrant, derfor er det en
første ordens reaktion.
Vi skal også finde et hastighedsudtryk for reaktionen. Da det er en første orden reaktion skal
hastighedsudtrykket hedde:
y = 132,89x - 2199,3
R² = 0,7548
-5000
0
5000
10000
15000
20000
25000
0
Serie1
Lineær (Serie1)
Lineær (Serie1)
[navn fjernet] 3.K
15
6:
Vi laver en graf på excel, hvor vi tager [C
4
H
9
Cl] som funktion af tiden:
Vi kan se på ligningen af hastighedskonstanten bliver 0,026 1/M.
For at finde halveringstiden bruger vi følgende formel:
Vi kan også se på talsættet, at de 0,001 M er halveret ved ca. 30 sekunder, så det passer nogenlunde.
7:
For at finde ud af, hvor stor koncentrationen af C
4
H
9
Cl er efter 10 minutter, bruger vi den ligning,
som vi fik i ovenstående opgave. Vi sætter 600 sekunder ind i stedet for x:
y = 0,0013e
-0,026x
R² = 0,9814
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0
Serie1
Ekspon. (Serie1)
[navn fjernet] 3.K
16
Så dividere vi koncentrationen efter 10 minutter med startkoncentrationen:
Det er den brøkdel der er tilbage efter 10 minutter.
8:
Vi skal anføre en reaktionsmekanisme for reaktion. Vi kigger på hastighedsudtrykket, og kan se, at
det er en første ordens reaktion, og derfor kun afhænger af koncentrationen af 2-chlor-2-
methylpropan. Vi kan se under teori afsnittet, at det minder om et hastighedsudtryk for en S
N
1-
reaktion. Derfor er det en S
N
1-reaktion, vi kan se at de skal afhænge af en unimolekylær
elementarreaktion. Vi forestiller os at 2-chlor-2-methylpropan spalter chloratomet fra, og bliver
derved til carbokation, denne proces skal foregå langsomt. Derpå vil det dannet carbokation hurtigt
reagere med vand og danne alkyloxoniumioner. Som derefter vil spalte et hydrogenatom fra, som
reagerer med chloratomet og bliver til saltsyre. Derfor kunne en reaktionsmekanisme se således ud
for reaktionen:
Fejlkilder:
Apparaturet som blev brugt under forsøget kan have været forurenet, så det har påvirket
forsøget.
[navn fjernet] 3.K
17
Vi skulle opmåle opløsningerne, og når det er i små mængder, gør en smule til eller fra
mange procent.
Når man blander opløsningerne sammen starter reaktionen med det samme, så man skal
være klar med dyppecellen. Men vi kan ikke lade dyppecellen være i fra start når vi blander
opløsningerne, for hvis vi hælder opløsningen ned i dyppecellen eller nær den, så vil den
måle en høj konduktivitet fra start, og det vil ødelægge grafen.
Konklusion:
Konduktiviteten stiger i løbet af reaktionen. Reaktionen var en første ordens reaktion.