STX 3.g
Reaktionskinetisk undersøgelse
STX 3.g
STX 3.g
3x
Kemirapport: Reaktionskinetisk undersøgelse
Side 2 af 9
Formål
Formålet med dette forsøg er at undersøge reaktionen mellem bromationer og bromidioner og at
bestemme reaktionsordnen med hensyn til bromat.
Apparatur
- 3 stk. 100 mL målekolber
- 100 mL. måleglas
- 1 stk. 5 mL fuldpipette
- 1 stk. 10 mL fuldpipette
- 1 stk. 1 mL fuldpipette
- 1, plastikpipette
- 1 stk. 250 mL konisk kolbe
- colorimeter, kuvetter og GLX
Kemikalier
- Natriumbromid
- Kaliumbromat
3
- 4 saltsyre
Teori
Den kemiske reaktion mellem bromid- og bromationer foregår passende langsomt, så forløbet kan følges.
Reaktionen foregår i sur opløsning:
5
+
3
+ 6
+
3
2
+
2
En vandig opløsning af brom absorberer lys med bølgelængder tæt ved 400 . Absorbansen kan måles
med et spektrofotometer.
I colorimeteret sendes monokromatisk lys med en valgt bølgelængde, her 468 , gennem en smule af
reaktionsblandingen. Den farvede opløsning absorberer en del af lyset; absorbansen afhænger af
opløsningens aktuelle koncentration af brom. jfr. Lambert-Beers lov:
=
2
Konstanterne og
måler vi ikke. I stedet omregner vi absorbansen til absolutte koncentrationer ved at
måle
i den udreagerede opløsning, som har kendt koncentration af
2
.
Lige når man starter reaktionen, er reaktionsblandingen farveløs, men efterhånden farves den gul i takt
med dannelsen af brom. Den aktuelle koncentration af bromat kan beregnes ud fra koncentrationen af
brom og kendskab til blandingens startsammensætning. Ved at undersøge, hvordan
bromatkoncentrationen afhænger af tiden, bestemmes reaktionsordenen med hensyn til bromat. Under
databehandlingen skal det undersøges, om bromatkoncentrationen udvikler sig på en af følgende to måder:
3x
Kemirapport: Reaktionskinetisk undersøgelse
Side 3 af 9
1. orden: ln[
3
] = + ln
3
0
2. orden:
1
[
3
]
= +
1
3
Opløsninger
Der skal fremstilles følgende 3 opløsninger ved at overføre de angivne mængder til 100 målekolber og
derefter fylde op med vand.
1). 0,100
3
: 1,67
3
2). 1,000 : 10,29
3). Referenceopløsning : 10,00 1,00 + 5,00 4,00
Eksperimentelt:
Fremstil opløsningerne beskrevet ovenfor. Sørg for at mærke dem.
Klargøring af colorimeter
- Tænd for GLX’en
- Indsæt colorimeteret i GLX’en.
- Fyld en kuvette med referenceopløsningen (3), skru låget på, aftør den grundigt med papir og
indsæt den i colorimeteret.
- Tryk på den grønne knap på colorimeteret for at kalibrere (se figuren til højre)
- Tryk på Hjem (huset) og derpå Sensorer (F4).
- Sørg for at alle transmittanser og absorbanser på nær absorbansen ved 468 nm står på Ikke synlig.
Man flytter med Pil op eller Pil ned og skifter mellem Synlig og Ikke synlig med fluebenet (i midten
af piletasterne).
- Vælg Målehyppighed til 1 målinger/s.
- Tryk på Hjem.
Klargøring af reaktionsblanding
- I et 100 mL måleglas blandes 10,00 1,000 med ca. 70 vand, hvorpå der tilsættes
1,00
3
, og der fyldes op med vand til 100 .
3x
Kemirapport: Reaktionskinetisk undersøgelse
Side 4 af 9
I det efterfølgende skal der arbejdes hurtigt.
- 5.00 mL 4.00 M HCl hældes op i en 250 mL konisk kolbe. Reaktionen startes ved at hælde
måleglassets indhold heri. Fyld en kuvette med reaktionsblandingen med en lille plastikpipette,
skru laget grundigt på kuvetten, tør den af, sæt den i colorimeteret, luk forsigtigt låget og påbegynd
målingerne ved at trykke på Start. Der måles i indtil kurven flader ud (ca. 200 s), hvorpå målingerne
stoppes med Start.
Overførsel af data til PC
- Tast Hjem.
- Vælg Filer og gem data med et passende navn.
- Tast Tabeller (F2)
- Tast OK to gange og vælg 1. kolonne til tid (s) (brug piletasterne) og afslut med OK.
- Tast OK og Pil højre 3 gange, tast OK to gange og vælg Blå (468 nm) absorbans og afslut med OK.
- Indsæt en USB-pen i GLX’en og overfør data ved at taste Tabeller (F4) og Overfør alle data (8).
- Overfør data til regneark.
Databehandling:
Vi har lavet et regneark med følgende kolonner:
Kolonne: Indhold: Beregningsmåde:
A: t Måledata
B A Måledata
D:
2
2
E:
3
[
3
] [
2
]/3
F:
3
Simpel matematisk funktion
G:
1
3
Simpel matematisk funktion
H Hjælpedata
,
2
og
3
Vi vil gerne kunne bestemme
2
.
Vi ved, at der i et 100 mL måleglas blandes 10.00 1,000 med ca. 70 vand, hvorpå der
tilsættes 1,00
3
, og der fyldes op med vand til 100 .
Vi kan deraf sige, at
3
= 1,00
= 100
3
= 0,100
3x
Kemirapport: Reaktionskinetisk undersøgelse
Side 5 af 9
Der gælder, at
3
=
(
3
)
3
=
3
3
Vi sætter ind og beregner
3
=
1
100
0,100 = 0,00100
Herefter tilsættes der 5 . Reaktionsblandingen fortyndes altså yderligere. Vi får derfor ny
startkoncentration af bromat.
Vi ved da, at
= 100 + 5 = 105
3
=
(
3
)
3
=
3
Vi beregner den endelige startkoncentration af bromat
3
=
100
105
0,00100 = 9,524 10
4
Jf. reaktionsskemaet for reaktionen reagerer bromat og bromid i forholdet 1: 3. Der gælder der, at
3
2
=
1
3
3
=
2
3
2
= 3
3
Vi kan dermed beregne slutkoncentrationen bromid til at være
2
= 3 0,1 = 2,857 10
3
I kolonne D skal koncentrationen af bromid til et vilkårligt tidspunkt bestemmes. Som sagt i teoriafsnittet
kender vi Lambert-Beers lov, der kan opskrives således:
=
2
Hvis vi kender slutabsorbansen og slutkoncentrationen af bromid kan vi med god mening opskrive dette
=
2
Tricket er nu at dividere vestresiderne og højresiderne
=
2
2
=
2
2
Idet vi kender slutabsorbansen og den tilhørende slutkoncentration af bromid, forsvinder de normale
konstanter fra Lambert-Beers lov ud af billedet. Vi isolerer bromidkoncentrationen til et vilkårligt tidspunkt
2
=
2
3x
Kemirapport: Reaktionskinetisk undersøgelse
Side 6 af 9
I kolonne E skal bromatkoncentrationen til et vilkårligt tidspunkt bestemmes. Jf. reaktionsskemaet for
reaktionen reagerer bromat og bromid i forholdet 1: 3. Der gælder der, at
3
2
=
1
3
3
=
2
3
Tidligere har vi beregnet bromidkoncentrationen til et vilkårligt tidspunkt og i overstående gælder der, at er
2
=
2
Desuden må der gælde, at bromatkoncentrationen til et vilkårligt tidspunkt er
3
=
3
3
Det betyder, at
3
=
3
2
3
Vha. regnearket(vedhæftet som bilag) har vi tegnet tre diagrammer.
a.
][BrO
3
som funktion af t
b. ln
][BrO
3
som funktion af t
c. 1/
][BrO
3
som funktion af t
Diagram a:
,
3
-graf
= 7 10
7
+ 0,0004
2
= 0,6425
-0,00
-0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00 800,00
3x
Kemirapport: Reaktionskinetisk undersøgelse
Side 7 af 9
Overstående ses diagram a. Der er det direkte forløb af reaktionen. Det forventes at være en ret linie, hvis
reaktionen er af 0. orden. Det ses dog tydeligt, at hverken grafen i sig selv eller at den lineære regression, at
der ikke er tale om en lineær sammenhæng. Derfor er reaktionen med hensyn til bromat ikke af 0. orden.
:
, ln
3
-graf
= 0,0084 7,2999
2
= 0,9923
Overstående ses diagram b. Diagrammet forventes at give en ret linie, hvis reaktionen er af 1. orden
Uden regression har vi i forvejen her en flot tilnærmelsesvis lineær kurve. Men desuden giver diagrammet
en flot tendenslinje, hvis forklaringsgrad er tilpas høj. Der er altså med sikkerhed tale om en lineær
sammenhæng. Der opstod dog nogle matematiske komplikationer, der forhindrede regressionen i at blive
korrekt. Der er tale om nogle beregnende værdier af bromatkoncentrationen i slutning af reaktionen, der til
flere tider blev 0. Dette medførte, at vi ikke kunne tage logaritmen til dem. Punkter, hvor disse ugyldige
værdier indgår, er udeladt. Herudover var der en lille af række punkter, der lå urimeligt langt væk fra
grafen. Disse punkter har vi også fjernet. Regressionskurven er stadig baseret på 630 punkter, og vi
sammenligner med andre grafer, hvorfor det skulle være tilforladeligt.
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
600 700
3x
Kemirapport: Reaktionskinetisk undersøgelse
Side 8 af 9
: ,
1
3
-graf
= 285,64 38572
2
= 0,3601
Diagram 3 forventes at give en ret linie, hvis reaktionen er af 2. orden. Det ses dog med al tydelighed, at
grafen ikke skal forestille en lineær kurve. Ligesom ved første diagram behøvede vi egentligt ikke at
bestemme den lineære regression for at afgøre dette. Men med den lineære regression er grafens
usammenlignelighed med en tilnærmelsesvis lineær kurve af overbevisende karakter.
Ved at se på tre diagrammer virker det utvivlsomt, at reaktionen er af 1. orden. Den lineære regression gav
følgende forskrift = 0,0084 7,2999
Der kan sammenlignes med dette, der netop gælder for reaktioner af 1. orden.
ln
3
= +
3
0
Derfor kan hastighedskonstanten bestemmes til = 0,0084
Med kendskab til hastighedskonstanten bestemmes halveringstiden for bromatkoncentrationen.
-100000
0
100000
200000
300000
400000
500000
0
3x
Kemirapport: Reaktionskinetisk undersøgelse
Side 9 af 9
1
2
=
ln 2
1
2
=
ln 2
0,0084
= 173,29
Der går altså 173,29 sekunder, før bromatkoncentrationen halveres.
Fejlkilder
En væsentlig fejlkilde i forsøget kunne opstå i forbindelse med reaktionsblandingen. Problemet er at der går
et stykke tid fra reaktionen påbegyndes til, at målingerne starter. Således antager vi, at = 0 for
reaktionen, når vi starter målingerne, hvilket praktisk taget ikke sandt.
Konklusion
Vi har undersøgt reaktionen mellem bromationer og bromidioner. Her er det lykkedes os at bestemme
reaktionsordnen med hensyn til bromat. Den viste sig nemlig at være af 1. orden. Dog opstod på der på sin
vis fejl i målingerne, der komplicerede databehandlingsprocessen. Disse fejl kan den beskrevne fejlkilde
muligvis forklare. Fejlkilden kunne have været udbedret ved f.eks. med stopur at måle tiden fra reaktionens
påbegyndes til, at vi starter målingerne med antagelse, at = 0. Denne tidsforskydelse kunne vi så lægge til
vores data, så vi kender den rigtige -værdi ved påbegyndelse af målingerne