SRO
Hydrolyse af krystalviolet
[navn fjernet] 2.C
STX 2.g
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 2 af 16
Abstract
In this assignment I have looked at the absorption of crystal violet, called CV. I have determined the order
of the reaction between crystal violet and OH
-
, and examined whether the rate of the reaction dependents
of the temperature or not.
At first I looked at solutions with different concentration of crystal violet. I found that the higher the
concentration the higher absorption. This experiment fit in with the Lambert-Beers law, and proves a linear
correlation between absorbance and concentration.
Afterwards I have investigated the reaction CV
+
+ OH
-
. I have mixed the two substances in the proportion
1:1. I got an exponential graph and by integration I have proved that it seems like the reaction is a first
order reaction. When I looked at the whole reaction, it actually was a second order reaction, but because it
seems like a first order, it is called a pseudo first order reaction.
In the last experiment I looked at the reaction at different temperatures. From the graphs I could see that
the temperature has an effect on the rate of the reaction.
With help from Arrhenius law I could calculate the activation energy of the reaction.
From these experiments I can conclude, that the reaction between crystal violet and hydroxide is a
(pseudo) first order reaction and the temperature is critical to the rate of the reaction.
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 3 af 16
Indholdsfortegnelse
Formål ................................................................................................................................................................ 4
Teori ................................................................................................................................................................... 4
Materialer .......................................................................................................................................................... 5
Forsøg 1 – Forskellige koncentrationer ............................................................................................................. 5
Formål ........................................................................................................................................................ 5
Forsøgsgang ............................................................................................................................................... 5
Lambert-Beers lov ......................................................................................................................................... 7
Forsøg 2 - Reaktionsorden ................................................................................................................................. 8
FormåI ........................................................................................................................................................ 8
Reaktioners hastighed ................................................................................................................................... 8
Reaktionsorden.......................................................................................................................................... 9
Forsøgsgang ............................................................................................................................................... 9
Forsøg 2.1 .................................................................................................................................................... 11
Forsøg 3 ........................................................................................................................................................... 12
Formål ...................................................................................................................................................... 13
Forsøgsgang ............................................................................................................................................. 13
Litteraturliste ................................................................................................................................................... 16
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 4 af 16
Hydrolyse af krystalviolet – en undersøgelse af reaktionsorden
Formål
Formålet med denne opgave er at kigge på absorptionen af krystalviolet, bestemme reaktionsordenen for
reaktionen mellem krystalviolet og hydroxidioner, samt at undersøge hvorvidt reaktionen er
temperaturafhængig. Til dette vil jeg komme ind på Lambert-Beers lov og Arrhenius’ lov.
Teori
Reaktionen mellem krystalviolet og hydroxidioner:
Formel for krystalviolet (CV) på fast form: C
25
H
30
ClN
3
På figuren er krystalviolet-ionen tegnet, da det er den der er interessant. Cl er med i formlen, fordi man
ikke kan have et positivt ladet fast stof, og da krystalviolet-ionen er positiv bliver der nødt til også at være
noget negativt – chlorid-ionen.
Chlor-atomet er bundet til carbon-atomet med en ion-binding. Denne binding er ikke særlig stærk, og når
krystalviolet blandes med vand, dissocieres den i krystalviolet-ionen og chlorid-ionen.
I dette forsøg putter vi herefter NaOH i blandingen, som også er bundet sammen af en ion-binding og
derfor vil dissocieres i vand, og da OH
-
er en meget stærkere base end Cl
-
, vil krystalviolet reagere med OH
-
og danne stoffet som ses til højre på figuren ovenfor.
Når krystalviolet optræder på ionform (f.eks. når det er opløst i vand), har hvert N et lonepair, og da C-
atomet i midten er positivt ladet og mangler en elektron kan elektronerne løbe løst rundt i hele atomet.
Dette betyder at molekylet har meget let ved at optage fotoner fra lys, da energiniveauerne ligger tættere
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 5 af 16
end de gør, når elektronerne ikke kan bevæge sig rundt i hele molekylet.
Krystalviolet-ionen har den egenskab at den absorberer lys med bølgelængden 590nm– gul/grønt lys. Dette
gør, at hvis man sender lys igennem en opløsning med krystalviolet, vil det optage alle de gul/grønne
farver, og væsken vil udsende resten af farverne fra lys-spektreret, som til sammen er en violet farve. Dette
er grunden til at krystalviolet ser violet-farvet ud.
Når vi blander OH
-
-ionen i den violette krystalvioletion-blanding, vil OH
-
gå sammen med det midterste
carbon atom, der er positivt ladet. Dette gør, at c-atomets yderste skal nu er fuld og elektronerne ikke
længere kan løbe frit, hvilket betyder at molekylet ikke længere optager fotoner med samme bølgelængde
som før, og væsken bliver derfor farveløs.
Materialer
Jeg har brugt følgende materialer til mine forsøg:
Apparatur: Spektrofotometer, cuvetter, engangspipetter, fuldpipetter (div.), bægerglas, målekolber (div.)
Kemikalier: Stamopløsning af krystalviolet 0,1g stof opløses i 1,00L vand (2,45·10
-4
M), 0,1 M NaOH.
Forsøg 1 – Forskellige koncentrationer
Formål: Ud fra dette forsøg vil jeg vise, at der ved forskellige koncentrationer er forskellig absorbans og
derudover vise, at koncentrationen er proportional med absorbansen.
Forsøgsgang: Jeg starter med at opløse 0,10g C
25
H
30
ClN
3
i 1,00L vand. Derefter beregner jeg
koncentrationen for denne blanding:
.
M (C
25
H
30
ClN
3
) = 25·12,0107+30·1,00794+1·35,453+3·14,0067 = 407,98g/mol
Nu laver jeg forskellige opløsninger med forskellig koncentration af krystalviolet blandet i vand. Som
udregnet har ”den rene” krystalviolet har en koncentration på 2,45·10
-5
M. Når jeg har fortyndet den med
forskellige mængder vand beregner jeg koncentrationerne for fortyndingerne. Jeg går ud fra ”den rene”
krystalviolets koncentration og finder derudfra de andre koncentrationer.
fx 50 mL stamopløsning og 50 mL vand:
. Jeg dividerer den oprindelige
koncentration med to, da den nu er halv så stærk, da der er halv så meget stof i opløsningen.
Således regnes resten af koncentrationerne også.
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 6 af 16
Herefter tager jeg fortyndingerne hen til spektrometeret, som er sluttet til en computer, hvorpå der ligger
”Logger Pro”. Jeg laver nu vha. spektrometeret og loggerpro graferne for de forskellige opløsningers
absorbtion. Jeg får følgende grafer:
Krystalviolet (egen
stamopløsning) (mL)
Vand (mL)
Færdig koncentration (M)
100
0
2,45*10
-5
50
50
1,225*10
-5
25
75
0,61*10
-5
20
80
0,49*10
-5
10
90
0,245*10
-5
Figur 1: 100 mL CV og 0 mL vand
Figur 2: 50 mL CV og 50 mL vand
Figur 3: 25 mL CV og 75 mL vand
Figur 4: 20 mL CV og 80 mL vand
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 7 af 16
Jeg kan ud fra disse grafer tydeligt se at der er en
sammenhæng mellem koncentrationen absorbansen og at
alle max-punkterne ligger ved bølgelængden ca. 590nm. Jo
højere koncentration jo mere absorbans. For at finde ud af
hvilket sammenhæng der er, undersøger jeg Lambert-Beers
lov.
Lambert-Beers lov
Lambert-Beers lov siger generelt, at absorbansen er proportional med lysvejlængden og koncentrationen af
den absorberende partikel, i dette tilfælde krystalviolet-ionen. Denne lov gælder dog kun ved små
koncentrationer. Jeg har senere kun brugt små koncentrationer og har vist denne linearitet i små
koncentrationer.
Ved fortyndede opløsninger kan absorptionen A altså angives ved Lambert-Beers lov: , hvor c er
opløsningens koncentration, d bredden af den kuvette som opløsningen er i og der kaldes
ekstinktionskoefficienten og afhænger af bølgelængden på lysstrålen og af det absorberende stof. Hvis der i
de forskellige målinger bruges samme bølgelængde og samme kuvette, kan absorptionen gives ved A=k·c,
hvor og er konstant. Absorptionen er dermed proportional med koncentrationen.
I mit forsøg var bølgelængden og bredden af kuvetten konstante, hvilket vil sige at Lambert-Beers lov burde
passe på forsøget. Jeg vil undersøge det ved at tage alle de punkter for de forskellige koncentrationer, hvor
der bliver optaget mest. Da det skal være ved samme bølgelængde har taget en bølgelængde 590nm. De
fleste af toppene har max-punkt der, men disse punkter flytter sig fra måling til måling. Dette kan skyldes
upræcise blandinger samt støj fra omgivelserne.
Disse punkter er skrevet ind i skematet under her. Grunden til at jeg tager max-punkterne fra graferne er,
at der er større chance, for at spektrometeret kan måle nogen absorbans i de meget fortyndede
opløsninger, frem for hvis vi havde målt der hvor der var lavest absorbans.
Figur 5: 10 mL CV og 90 mL vand
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 8 af 16
Nedenfor ses de opnåede resultater:
Den grafiske afbildning af
absorptionen som funktion af
koncentrationen af krystalviolet.
giver en ret linje hvilket passer på
med Lambert-Beers lov. Der er
dog et lille udsving omkring
0,49*10
-5
M krystalviolet, hvilket
kan skyldes fejlkilder som fx
upræcise afmålinger.
Jeg har hermed konkluderet at Lambert-Beers lov passer på dette forsøg og bestemt at koncentrationen er
proportional med absorptionen – i området 0 - 0,000025…M.
Forsøg 2 - Reaktionsorden
FormåI: At undersøge reaktionen mellem krystalviolet-ionen og OH
-
-ionen, samt undersøge hvilken orden
reaktionen er.
Reaktioners hastighed
Reaktionshastigheden er defineret som koncentrationsændringen pr. tidsenhed:
. Da
er
aftagende er der minus foran definitionsudtrykket. Hvis man vil bestemme hastigheden til et bestemt
tidspunkt, må være meget lille – vi lader derfor →0. Dette svarer til at vi definerer hastigheden som
differentialkvotienten med modsat fortegn:
.
Hastigheden til det bestemte tidspunkt kan bestemmes ud fra en grafisk afbildning ved at tegne en tangent
Koncentration af Krystalviolet
(M)
Absorbans
Bølgelængde ved max.
Absorbans. (nm)
2,45*10
-5
1,624
590
1,225*10
-5
0,890
590
0,61*10
-5
0,484
590
0,49*10
-5
0,378
590
0,245*10
-5
0,178
590
y = 76115x - 0,0426
R² = 0,9982
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 0,00001 0,00002 0,00003
Absorbtion
Koncentratioen af Krustalviolet (M)
Absorbtionen som funktion af
koncentration af krystalviolet
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 9 af 16
i punktet, og finde tangentens hældningskoefficient. Denne hældningskoefficient er lig med
differentialkoefficienten, som er reaktionshastigheden.
Reaktionsorden
En reaktions hastighedsudtryk skrives v = k·
, og er altså afhængig af koncentrationen af de stoffer der
reagerer. k kaldes for hastighedskonstanten. Når
står i første siger man at det er en
førsteordensreaktion i forhold til
. Førsteordensreaktioner afbildes eksponentielt, når man plotter
absorptionen som funktion af tiden. Hvis reaktionen er
er reaktionen af x’te orden i
forhold til
og af y’te orden i forhold til
. Den totale reaktionsorden er x+y. Da det ikke er muligt at
bestemme orden ud fra reaktionsskemaet, bestemmes reaktionshastighedens afhængighed af
koncentrationerne eksperimentelt.
Forsøgsgang: Jeg starter med at blande ca. 4,9·10
-5
M krystalviolet og 0,1 M NaOH i forholdet 1:1 i et
bægerglas, så den færdige koncentration for krystalviolet er ca. 2,45 M – herved er koncentrationen
indenfor det område, hvor der er vist linearitet mellem koncentration og absorption. Denne blanding rystes
grundigt, og føres hurtigt til spektrofotometeret. Dette sker hurtigt, så der ikke er for mange af
krystalviolet-ionerne der bindes til/reagerer med OH
-
-ionerne og bliver farveløse. Jeg får herefter LoggerPro
til at tegne grafen for absorptionen som funktion af tiden ved bølgelængden 588, som er der i dette
tilfælde var størst absorption ved.
Her kan vi se grafen over absorbansen som
funktion af tiden. Det ligner en eksponentiel
graf, og da loggerpro gav mig følgende
forskrift: 1.982·e
-0.01382·t
+0.1535, blev det
bekræftet at det er en eksponentiel graf.
Da absorptionen burde gå mod 0, burde der
ikke være det sidste led. Dette led kan skyldes
forskellige fejlkilder, som fx at
spektrometeret opfangede noget af lyset fra
rummet.
For at finde ordenen for reaktionen starter
jeg med at finde hastighedsudtrykket, der
passer på reaktionen med krystalviolet-ionen og OH
-
-ionen:
Figur 6: Absorbtionen som funktion af tiden
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 10 af 16
Farten hvormed koncentrationen af krystalviolet aftager = en konstant gange (koncentrationen af
krystalviolet)
x
gange (koncentrationen af OH
-
)
y
.
Da OH
-
-koncentrationen er meget stor ift. koncentrationen af krystalviolet, forsvinder der ikke særlig
meget, hvilket betyder at OH
-
-koncentrationen er konstant. Jeg laver derfor en ny konstant k
obs
=
. Jeg kan nu skrive hastighedsudtrykket om til
hvor
Jeg går ud fra at reaktionen er en førsteordensreaktion da de afbildes eksponentielt. For at bevise at en
førsteordensreaktion afbildes eksponentielt integrerer jeg udtrykket for en førsteordensreaktion:
, hvor K er ’hastighedskonstanten’ og har enheden s
-1
.
Da jeg nu har godtgjort at en førsteordensreaktion afbildes eksponentielt, samt kan se ud fra forskriften på
min graf at den er eksponentiel, kan jeg konkludere, at reaktionen er en førsteordens mht. koncentrationen
af krystalviolet. (da jeg så bort fra koncentrationen af OH
-
).
Forudsætningen for dette er min antagelse om at
er en konstant, og vi har dermed set bort fra
koncentrationen af OH
-
. Jeg vil nu undersøge om min antagelse er korrekt ved at undersøge om mængden
af
har nogen indflydelse på reaktionshastigheden. Hvis den har det, kan det ikke være en 0-
ordensreaktion, og den samlede reaktionsorden kan da ikke være en førsteordens.
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 11 af 16
Forsøg 2.1
Jeg har lavet 3 forsøg med forskellig koncentration af OH
-
, hvis min antagelse omkring OH
-
er korrekt, vil jeg
få samme hastighedskonstant i alle forsøg.
Her ses grafen med blandingsforholdet 2:1 – altså 2(NaOH) :
1 (CV). LoggerPro gav mig forskriften
y=1,205·e
-0,003819t
-0,1075.
Her ses grafen med blandingsforholdet 1:2 – altså
1(NaOH) : 2(CV). LoggerPro gav mig forskriften
y=1,006·e
-0,003597t
+0,1644.
.
Her ses grafen med blandingsforholdet 1:1 – lige meget af
(NaOH) og (CV). LoggerPro gav mig forskriften,
y=1,827·e
-0,003379t
-0,03725.
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 12 af 16
Ud fra min forskrift fra grafen på side 8 kan jeg beregne den forventede absorption:
Jeg kan hermed se, at der er noget helt galt med mit andet forsøg. Jeg har en teori om at fejlkilden er, at
blev der ikke brugt den samme koncentration af krystalviolet, da vi havde 3 forskellige opløsninger med
forskellig koncentration af CV og da vi var så mange der lavede forsøget sammen. Jeg vælger derfor at se
bort fra min graf nr. 2.
Det disse grafer burde have vist er, at der er en sammenhæng mellem koncentrationen af OH
-
og
hastigheden af reaktionen. Dette kan vi også se på forskrifterne for de to grafer der duer – de har ikke
samme hastighedskonstant. Da OH
-
-koncentrationen også har indflydelse på hastighedskonstanten kan
hele reaktionen ikke være en førsteordensreaktion. Hvis jeg havde to grafer der passede og jeg tog et punkt
fra hver af dem og sammenlignede med hastighedskonstanten for hver af graferne ville jeg kunne se, at OH
-
-koncentrationen er proportional med hastighedskonstanten. Da koncentrationen er proportional med
hastighedskonstanten i en førsteordensreaktion, må OH
-
-reaktionen også være en førsteordensreaktion.
Dette medfører, at hele reaktionen er en andenordensreaktion, men da der er så meget OH
-
afbildes
reaktionen som en førsteordens. Denne form for reaktioner kaldes speudo-reaktioner eller speudo-
førsteordensreaktioner.
Forsøg nr.
1
2
3
Beregnet konc. af CV:
Forventet A
0
1,2
2,4
1,8
Aflæst A
0
1,2
1,0
1,8
Koncentration af OH
-
Hastighedskonstanten
(aflæst fra forskrift)
0,003819
0,003597
0,003379
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 13 af 16
Forsøg 3
Formål: At undersøge om reaktionen er temperaturafhængig.
Forsøgsgang: Jeg starter med at varme/køle ca. 4,9·10
-5
M krystalviolet og 0,1 M NaOH til de ønskede
temperaturer. Derefter blander jeg dem i forholdet 1:1 i et bægerglas, så den færdige koncentration for
krystalviolet er ca. 2,45 M. Denne blanding rystes grundigt, og føres hurtigt til spektrometeret. Dette gør
jeg ved forskellige temperaturer og får herefter LoggerPro til at tegne de forskellige grafer for absorbtionen
som funktion af tiden. Det ville være bedst hvis man kunne få meget store temperaturforskelle, men da
dette er svært i et skolelaberatorie, er temperaturforskellene ikke helt så store som ønsket.
Her ses grafen over absorptionen over tid ved ca.
10˚C (start omkring 8-9 grader). LoggerPro gav mig
følgende forskrift for grafen:
y=2.468 ·e
-0.006183t
-0.2461
Her ses grafen over absorptionen over tid ved ca.
50˚C. LoggerPro gav mig forskriften:
y=0.6841·e
-0.3229t
+0.01365.
Jeg kan hermed se, at temperaturen har en
indvirkning på reaktionens hastighed. Jo højere
temperatur jo hurtigere går reaktionen.
Figur 7: absorbtionen som funktion af tiden ved ca. 10˚C
Figur 8: absorbtionen som funktion af tiden ved ca. 50˚C
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 14 af 16
Som sagt er det tydeligt at hastighedskontanten k er temperaturafhængig. Den svenske kemiker, Svante
Arrhenius studerede hastighedskonstantens temperaturafhængighed og kom frem til følgende formel:
hvor T er kelvintemperaturen, R er gaskonstanten = 8,31
og E
A
er aktiveringsenergien.
For at to stoffer skal kunne reagere med hinanden skal de hav en vis energi. Denne energi kaldes
aktiveringsenergien.
Jeg vil nu finde aktiveringsenergien, og dette er der to forskellige måder man kan gøre det på:
1) Graferne ser eksponentielle ud, men det er svært at
afgøre om de er det. Derfor laver jeg en
linearisering, da det er meget lettere at afgøre om
en graf er lineær. Da jeg ikke selv har målt nok
temperaturer, har jeg lånt nogle resultater, Ved at
tage ln på begge sider af udtrykket kan jeg skal
afbilde ln(K) mod 1/T for at få en ret linie –hældning
vil være EA/R
.
Figur 9: ln(k) som funktion af 1/T
Ud fra forskriften for grafen kan jeg nu beregne aktiveringsenergien.
Den lineære linjes hældningskoefficient er
, og da jeg kender R, kan jeg finde E
A
:
˚C
K
ln(k)
1/T
10C
0,001217
-6,71137
0,003532
10C
0,001533
-6,48053
0,003532
22C
0,0086
-4,75599
0,003388
43C
0,07013
-2,6574
0,003163
65C
0,128
-2,05573
0,002957
y = -8315,7x + 23,029
R² = 0,9489
-8
-6
-4
-2
0
0,0028 0,003 0,0032 0,0034 0,0036
ln(k)
1/T
ln(k) som funktion af (1/T)
ln(k)/(1/T)
Lineær
(ln(k)/(1/T))
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 15 af 16
2) En anden måde at udregne aktiveringsenergien er ved at løse to ligninger med to ubekendte:
. I disse ligninger kender jeg de forskellige
temperaturer og K(T). Hvis jeg dividerer de to ligninger med hinanden går k
0
ud, og jeg har derfor
kun en ubekendt:
.
Når jeg nu vil beregne aktiveringsenergien, tager jeg to forskellige punkter fra grafen, figur 9, og
sætter dem ind i formlen:
Jeg får heldigvis her de samme værdier for aktiveringsenergien. Det er dog ikke så mærkeligt, da jeg
har brugt de samme data bare forskellige udregningsmetoder.
Jeg har nu fundet ud af at reaktionen skal have mindst
energi for overhoved at kunne
reagere. Derudover har jeg vist at temperaturen har en central rolle for hastighedskonstanten.
[navn fjernet] 2.c SRO – Hydrolyse af krystalviolet d. 5/5-11
Side 16 af 16
Litteraturliste
Hjemmesider:
http://www.dtu.dk/upload/institutter/mat/studieretningsprojekter/kinetik/reaktionskinetik.pdf
Bøger
KEMI H1; Jens Pilegaard Hansen, Hans Christian Jensen, Anni Kjeldgård; Forlaget Frederikssund
Arbejdsgruppen ApS; 1. udgave, 1. oplag, 1989.
KEMI 2000 C-niveau; Helge Mygind; P. Haase & Søns Forlag; 1. udgave, 11. oplag, 2002
KEMI 2000 B-niveau; Helge Mygind; P. Haase & Søns Forlag; 1. udgave, 15. oplag, 2008