[navn fjernet] 3.u
Kemirapport: Aktiverings energi
1
Aktiveringsenergi
Formål
Formålet er at eftervise Arrheniusligning ved at undersøge reaktionen mellem persulfationer og
iodioner og derved bestemme aktiveringsenergien for denne reaktion
Teori
I dette forsøg skal vi beskæftige os med begrebet aktiveringsenergi. Populært sagt er
aktiveringsenergien, den tilstrækkelige energi, som molekylerne skal have, når de passere hinanden
for at kunne omdannes til produkt. Kort sagt; den energi det kræves for at starte en bestemt kemisk
reaktion. Man kan også tænke det, som højden af den potentielle energibarrierer som adskiller
reaktanten og produktets energiniveau.
I store træk svarer aktiveringsenergien til højden af
overgangstilstanden barrier. (transition state), som er
den konfiguration af elektroner og atomkerner, der har
det højeste energi niveau igennem et reaktionsforløb.
I dette forsøg undersøges reaktionen mellem
persulfationer og iodioner, som forløber således:
S
2
O
8
2-
+ 2 I
-
2 SO
4
2-
+ I
2
I denne opløsning vil der hele tiden være nogle af
ionerne, der støder sammen, men det er ikke hver
gang der dannes produkt. Reaktanterne skal have
den rigtige rumlige placering og rigtige hastighed,
hvormed de støder sammen, for at de kan danne et
kompleks, hvorefter det omdannes til produkt. Det ses på figuren at reaktanterne skal over et
energibjerg før det bliver produkt og det svare til den kinetiske energi reaktanterne skal besidde før
at reaktionen vil forløbe. Aktiveringsenergien kan dernæst beregnes ved følgende ligning:
k
k
TRE
a
0
ln
,
mol
J
E
a
, R er gaskonstanten, T er temperaturen, k er hastighedskonstanten
og k
0
er hastighedskonstanten ved 0 kelvin. Hastighedskonstanterne finder vi også i udtrykkene for
reaktionshastigheden, og det vides på foran at lige netop vores forsøg er en 2. ordens reaktion, og
derved er reaktionshastigheden givet ved:
Figur 1 Grafen viser en top, som svarer til den energibarrier
som substratet s skal overgå, for at reaktionen forløber og
ender som produkt. For at reaktionen vil forløbe mod højre
skal substratet i sidste ende have et lavere energiniveau end
produktet. Den blå linje viser hvordan en tilsætning af en
katalysator vil betyde at aktiveringsenergien falder.
[navn fjernet] 3.u
Kemirapport: Aktiverings energi
2
IOSkv
2
82
I forsøget måler vi reaktionshastighederne ved forskellige temperaturer, for at bevise at
hastighedskonstanten afhænger af temperaturen på følgende måde:
TR
E
a
ekk
0
, der kan omskrives til
0
ln
1
ln k
TR
E
K
a
, ved at tage den naturlige logaritme på
begge sider af lighedstegner. Denne opstilling kaldes også Arrhenius ligning, og hvis vores reaktion
følger den får man en ret linje, hvis man afbilder den naturlige logaritme til hastighedskonstanten
som funktion af den reciprokke værdi at temperaturen målt i kelvin. Denne linjes hældning vil
svarer til
R
E
a
.
Når vi laver forsøget blander vi følgende opløsninger: 10,0 mL 0,200 M Na
2
S
2
O
8,
10,0 mL 0,200 M
KI og 5,0 mL
3
1000,4
M Na
2
S
2
O
3
med stivelse. Startkoncentrationerne er derfor:
M
L
LM
OSOSNac
M
L
LM
IKIc
M
L
LM
OSOSNac
4
3
2
32322
2
82822
1000,8
25,0
005,01000,4
08,0
25,0
01,0200,0
)(
08,0
25,0
01,0200,0
)(
Thiosulfationerne vil under sammenblanding reagere hurtigt med de først dannede iodioner (se
første reaktions skema).
IOSIOS 22
2
642
2
32
Reaktionen fjerner altså didiod molekylerne og derfor vil opløsningen først indeholde iod-
molekyler når thiosulfationerne er brugt op. Indholdet af iod-molekyler ses straks da det danner en
komleksbinding med stivelse, der giver en kraftig blå farve.
Vi måler tiden fra sammenblandingen af opløsningerne til fremkomsten af den blå farve. Dvs. tiden
indtil thiosulfationerne (Na
2
S
2
O
3
2-
) er brugt op, hvilket de er når koncentrationen af Na
2
S
2
O
8
2-
er
formindsket med . Det ses af reaktionsskemaet at der vil forbruges dobbelt så mange thiosulfationer
i forhold til de persulfationer det reagere med, da forholdet er 2:1.
Reaktionshastigheden kan så udregnes:
t
M
t
OS
v
utrykkethastigheds
dt
tAd
tv
4
2
82
1000,4
][
)]([
)(
[navn fjernet] 3.u
Kemirapport: Aktiverings energi
3
Materialer og kemikalier
Fire 250 mL bægerglas, 100 mL bægerglas, (15) reagensglas, 5 mL pipette med sugebold, stopur,
spatel, termometer med 1/10 grads nøjagtighed, is
3
1000,4
M Na
2
S
2
O
3
med stivelse. Burette med 0,200 M KI og burette med 0,200 M Na
2
S
2
O
8
Forsøgsbeskrivelse
De fire bæger glas findes frem og de fyldes næsten til randen med henholdsvis lunkent vand (ca.
28), køligt vand (ca. 15), koldt vand (ca. 11) og en blanding af koldt vand og isstykker.
Hvert af de fire bægerglas skal indeholde følgende 3 reagensglas som henholdsvis indeholder:
1. 10,0 mL 0,200 M Na
2
S
2
O
8
2. 10,0 mL 0,200 M KI
3. 5,0 mL
3
1000,4
M Na
2
S
2
O
3
med stivelse
Der laves altså 12 reagens glas i alt + 3 ekstra som bruges ved første forsøg ved stuetemperatur. Det
3. reagensglas fyldes med thiosulfatopløsning som er afmålt med pipette mens de andre opløsning
tappes fra buretterne.
Reagensglassene skal stå i bægerglassene mindst et kvarter for at blive tempereret. I mellem tiden
laves et forsøget ved stuetemperatur; Først hældes thiosulfaten op i et 100 mL bægerglas, som
placeres på et hvidt stykke papir. Dernæst hældes indholdet af de to andre opløsning i SAMTIDIG,
mens der startes et stopur. Blandingen omrøres kraftigt med en spatel og stopuret standes så snart
opløsningen skifter til blå. Lige efter måles reaktionsblandingens temperatur og aflæses med 1/10
grads nøjagtighed.
På samme vis foregår målingerne ved de fire andre temperaturer.
Resultater og databehandling
[navn fjernet] 3.u
Kemirapport: Aktiverings energi
4
Hastighederne beregner jeg på følgende måde:
t
v
4
1000,4
Derefter kan hastighedskonstanterne bestemmes ved at isolere k i hastighedsudtrykket:
)08,008,0(
][][
][][
2
82
2
82
MM
v
IOS
v
kIOSkv
, koncentrationerne er
startkoncentrationerne.
Temperaturen i kelvin omregnes ved at lægge 273 K til graderne i celcius, da netop 273 K svarer til
0 ˚C. Derefter tages den reciprokke værdi at temperaturen.
En afbildning af lnK som funktion af 1/T skal klargøre om reaktionen følger Arrhenius ligning:
Δt
(s)
Temperatur
(˚C)
Hastighed (v)
Hastighedskonstanten
(k)
ln(k)
Temperatur
(T/kelvin)
T
1
17,88
20,1
2,24*10
-5
0,0035
-5,65
293,1
0,00341
9,86
24,5
4,1*10
-5
0,0064
-5,05
297,5
0,00336
21,24
17,3
1,88*10
-5
0,0026
-5,95
290,3
0,00345
28,72
13,3
1,39*10
-5
0,0022
-6,12
286,3
0,00349
55,45
5,6
7,21*10
-6
0,0011
-6,81
278,6
0,00359
[navn fjernet] 3.u
Kemirapport: Aktiverings energi
5
Grafens forskrift er:
15,20
1
7526ln
1
ln
0
T
k
TR
E
k
a
og korrelationskoefficienten er på 0,9906. Vores værdier giver altså tilnærmelsesvis en ret linje og
derfor kan vi konkludere at vores reaktion følger Arrhenius ligning.
Som det ses er hældningen
R
E
a
, mens skæringen med y-aksen er ln(k
0
) og derfor kan disse værdier
findes grafisk, ved at lave en tendenslinje.
mol
J
Kmol
J
KRKEK
R
E
a
a
164,,67526
sM
ekk
1
10637,515,20ln
815,20
00
Værdierne kan jeg bruge til at opstille forskrift for grafen på en anden form:
T
TR
E
eekk
a
314,8
164,62571
8
0
10637,5
Hvilken værdi skal man forvente for hastighedskonstanten ved 60 ˚C?:
Jeg indsætter 273 K + 60 ˚C = 333 K på T’s plads og beregner k:
sM
ek
1
0862,010637,5
333314,8
164,62571
8
Hvad bliver reaktionstiden hvis forsøget udføres ved 60˚C?:
Jeg indsætter hastighedskonstanten i hastighedsudtrykket:
s
M
MM
sM
IOSkv
4
2
82
10519,508,008,0
1
0862,0
Ved at kende hastigheden kan jeg beregne reaktionstiden:
s
s
M
M
v
M
t
t
M
v 72,0
10519,5
1000,41000,41000,4
4
444
Dette er en lille reaktionstid, så hvis forsøget blev udført ved 60 ˚C ville det altså kræve en hurtigt
reaktionsevne/iagttagelsesevne og et godt stopur for at få præcise målinger, hvilket ville være
praktisk talt umuligt. Udfra denne beregning erfarer vi altså også at ved at højne temperaturen stiger
også reaktionstiden. En højere temperatur vil give molekylerne en højere gennemsnitsfart, dermed
flere sammenstød og større chance for at reaktionen vil forløbe.
Fejlkilder
[navn fjernet] 3.u
Kemirapport: Aktiverings energi
6
Det ses på grafen at der kun er brugt 4 målepunkter, mens vi har fundet 5 sammenhørende værdi.
Det skyldtes at første målingsresultat var lidt uden for nummer og derved gjorde grafen mindre
præcis. Der er flere parametre der her kan spille ind. Det er eksempelvis vigtigt at reagensglassene
er rene, da andre partikler kan forstyrre reaktionshastigheden. Der er også en vis usikkerhed i
forbindelse med pipetteringen, hvor det ofte er svært at få det hele ud af pipetten, og derved ville
der have været en mindre koncentration i forhold til hvad vi havde regnet med. Det ville videre
betyde en for høj reaktionshastighed, som det ses i det første målepunkt. Desuden er det svært at
sikre sig at reaktionstiden bliver præcis, da farveskiftet kommer ret pludseligt.
Konklusion
Ved at se på en anden ordens reaktion mellem persulfationer og iodioner har vi kunne bevise at
hastighedskonstanten afhænger af temperaturen og følger ligningen
0
ln
1
ln k
TR
E
K
a
. Denne
kaldes Arrhenius ligning og ved at afbilde den naturlige logaritme til hastighedskonstanten som
funktion af den reciprokke værdi af temperaturen, fås en ret linje i et koordinatsystem. Dette
efterviste vi ved at have en række sammenhørende værdier for temperaturen og
reaktionshastigheden af reaktionen.