تعیین درجه واکنش H2O2 و KI
نام آزمایش: تعیین درجه واکنش H2O2 و kI
تاریخ انجام آزمایش: 1400/2/20
نام تهیه کنندگان آزمایش: فاطمه اشرفی فشی – کوثر ثابتی
شماره دانشجویی: 972115005 - 972115011
رشته تحصیلی: مهندسی شیمی
نام استاد: استاد سهیلا صداقتی
هدف:
تعیین درجه واکنش H2O2 و HI
تئوری آزمایش:
سرعت واکنش مقدار پیشرفت واکنش بر حسب زمان است که معمول ا بصورت تغییرات غلظت یکی از گونه های درگیر واکنش بر حسب زمان بیان می شود. بنابراین دیمانسیون سرعت بایستی بر حسب غلظت بر زمان )مول/لیتر.ثانیه یا مول/ لیتر.دقیقه و ...( باشد. رابطه بین غلظت مواد واکنش دهنده و سرعت واکنش به صورت یک معادله ریاضی بیان می شود که به آن قانون یا معادله سرعت می گویند. برای واکنش عمومی مقابل
سرعت واکنش برابر است با:
قانون سرعت، سرعت را به صورت تابعی از غلظت واکنش دهنده ها، غلظت محصولت و دما ارائه می دهد.
هر فرضیه ای را که در سطح مولکولی در ارتباط با چگونگی انجام واکنش طرح می کنیم باید با قانون سرعت مطابقت داشته باشد، زیرا قانون سرعت مبنای تجربی دارد. در این مبحث عموما واکنش هایی را در نظر می گیریم که محصولت در قانون سرعت ظاهر نشوند. سرعت واکنش در جنین مواردی به غلظت واکنش دهنده ها و دما بستگی دارد. ابتدا اثر غلظت را بر سرعت واکنش هایی بررسی می کنیم که در دمای ثابتی انجام می شوند. قانون سرعت برای واکنش بال به شکل زیر است
در این معادله K ثابت سرعت است و m و n مرتبه(درجه) واکنش دهنده های A و B (= اعداد صحیح یا اعشاری) می باشند.
از روی معادله سرعت می توانیم سرعت لحظه ای واکنش را تعیین کنیم همچنین می توانیم بفهمیم با چند برابر شدن هر یک از غلظت ها سرعت واکنش چند برابر می شود. اگر مرتبه واكنش نسبت به یك گونه صفر باشد نشان دهنده این است كه غلظت این گونه تأثیري در سرعت واكنش ندارد یا به عبارت دیگر سرعت واكنش مستقل از غلظت این گونه است. همچنین وجود مرتبه منفي براي یك جزء نشان دهنده این است كه افزایش غلظت آن جزء تأثیر عكس در مقدار سرعت دارد ، یعني با افزایش غلظت آن گونه سرعت واكنش كاهش خواهد یافت .
در واکنش های یک مرحله ای توان غلظت هر ماده در قانون سرعت، برابر با ضریب استوکیومتری آن ماده است اما توان غلظت هر ماده در قانون سرعت واکنش های چند مرحله ای قابل پیش گویی نبوده و باید تجربی تعیین گردد.همچنین در واکنش های چند مرحله ای، قانون سرعت واکنش کلی برابر قانون سرعت آهسته ترین مرحله است.
نکته ی مهم این است که اجزای قانون سرعت، مرتبه های سرعت و ثابت سرعت باید به طور تجربی تعیین شوند. آن ها را نمی توان از استوکیومتری واکنش استنتاج کرد. شیمیدانان این اجزا را به طور تجربی چنین تعیین می کنند:
1. با استفاده از اندازه گیری غلظت سرعت اولیه را پیدا می کنند.
2. با استفاده از سرعت اولیه در چند آزمایش مرتبه های واکنش دهنده ها را به دست می آورند.
3. با استفاده از این مقادیر ثابت سرعت را محاسبه می کنند.
روش های تجربی متعددی برای انجام مرحله اول، اندازه گیری غلظت ها برای یافتن سرعت های اولیه وجود دارد.
در اینجا سه روش عمومی ارائه می شود.
1. در واکنش هایی که مواد رنگی دخالت دارند می توان از روش های طیف سنجی استفاده کرد. به عنوان مثال در
اکسایش نیتروژن مونوکسید، فقط محصول نیتروژن دی اکسید رنگی است. با گذشت زمان رنگ قهوه ای مخلوط واکنش پررنگ تر می شود.
2. در واکنش هایی که تعداد مول های گاز تغییر می کند می توان تغییر فشار را دنبال کرد.
3. روش سوم بررسی تغییر هدایت است. در واکنش بین یک هالید آلی و آب، HX تولید شده یک اسید قوی است و به طور کامل به یون های خود تفکیک می شود بنابراین هدایت محلول با زمان افزایش می یابد.
شیمیدانان به کمک روش سرعت های اولیه مرتبه های واکنش را محاسبه و ثابت سرعت واکنش را محاسبه و سپس با استفاده از معادله قانون سرعت می توانند برای هر غلظت اولیه ای از واکنش دهنده ها سرعت را پیش بینی کنند.
نکته مهم دیگر اینست که این روش فقط با داشتن غلظت اولیه معلوم و دقیق هر ماده واکنش دهنده قابل تایید بوده درحالیکه سرعت لحظه ای نمی تواند ملاکی برای تعیین مرتبه ها باشد زیرا در لحظاتی پس از شروع واکنش دیگر غلظت ها معلوم ومعین نیست و سریع ترین روشها برای اندازه گیری غلظت لحظه ای در ازمایشگاه زمان قابل ملاحظه ای را صرف میکند که در این م واکنش مقدار دیگری از واکنش دهنده ها را مصرف کرده است.
به همین دلیل بهترین راه تعیین مرتبه ها استفاده از روش سرعت اولیه است که از مقدار دقیق غلظت موادی که در ظرف واکنش قرار داده ایم آگاهیم و واکنش هنوز پیشرفت چندانی نکرده است. درغیراین صورت اگر چند ثانیه از واکنش گذشته باشد دیگر نمی توانیم غلظت واقعی را اندازه گیری کنیم چون سریع ترین روش ها برای اندازه گیری غلظت با توجه به در جریان بودن واکنش خطای قابل ملاحظه ای خواهد داشت .
روش سرعت های اولیه:
در این روش غلظت اولیه به انتخاب ما می باشد، به شرطی که واکنش پیشرفت نکند. در این روش باید سعی کنیم که غلظت یک گونه نسبت به دیگری ثابت باشد
واکنش بین HI و H2O2 به صورت زیر می باشد:
بنابراین سرعت واکنش بین HI و H2O2 را می توان توسط عبارت سرعت زیر نشان داد:
که در این معادله K ثابت سرعت است و n و m مرتبه(درجه)واکنش نسبت به H2O2 و HI را نشان می دهند. حال فرض می کنیم[ H2O2]>>[HI ]؛ بنابراین:
و از طرفی چون در محلول مقداری تیوسولفات موجود است ید حاصل توسط تیوسولفات بطور مجدد به I − تبدیل می گردد:
طبق واکنش ها داریم:
اگر [HI]>>[H2O2] در نتیجه :
مواد و وسایل مورد نیاز: سدیم تیوسولفات - پتاسیم یدید - هیدروژن سولفات - آب اکسیژنه - آب مقطر - چسب نشاسته - ارلن - کرنومتر - پیپت و پوار - قطره چکان
روش آزمایش:
این آزمایش دارای دو مرحله می باشد . در مرحله اول برای تعیین درجه ی آب اکسیژنه (H2O2) ، آب مقطر ، سدیم تیوسولفات و هیدروژن سولفات را به میزان لازم و بیان شده در ارلن هایی از شماره 1 تا شماره 4 میریزیم اما حجم پتاسیم یدید ( KI) را به میزان ثابت و معینی نگه می داریم پس درنتیجه چیزی که واکنش را تحت تاثیر خود قرار می دهد آب اکسیژنه است به همین علت همه رامخلوط کرده سپس آب اکسیژنه را در آخر به محلول اضافه می کنیم وقتی آب اکسیژنه اضافه می کنیم کرنومتر را روشن کرده و تازمانی که رنگ محلول تغییر کند نگه میداریم و زمان را ثبت می کنیم . درمرحله دوم نیز اب مقطر، سدیم تیوسولفات و هیدروژن سولفات را به ترتیب گفته شده میریزیم اما حجم ماده ای که ثابت هست آب اکسیژنه (H2O2) ست و برای تعیین درجه واکنش پتاسیم یدید (KI) متغیر است و واکنش را تحت تاثیر خود قرر می دهد پس بعد از اضافه کردن پتاسیم یدید کرنومتر را روشن کرده و زمان واکنش ها را ثبت می نماییم . معرف پتاسیم یدید، چسب نشاسته می باشد
طرزتهیه چسب نشاسته : یک گرم نشاسته را در کمی آب حل کرده تا خمیری شود. سپس 200 میلی لیتر آب را حرارت دهید تا بجوشد .نشاسته خمیری را درآب ریخته و حدود یک دقیقه اجازه دهید تا بجوشد از قسمت شفاف سرد شده به عنوان چسب نشاسته استفاده می شود.
توجه ! قبل از آن که آب اکسیژنه به محلول اضافه نماییم باید به هرمحلول 5 قطره آب اکسیژنه افزوده شود.
مرحله اول : (دقت)! MSCS مواد در آزمایشگاه از اهمیت ویژه ای برخوردار است و چون آب اکسیزنه قابلیت اشتعال زیادی دارد و امکان دارد در هنگام برخورد با دست آسیبی وارد کند ضروری است هنگام استفاده از آب اکسیژنه احتیاط کنید. در ارلن هایی که قبلاً آب مقطر ، سدیم تیوسولفات ، هیدروژن سولفات ریخته بودیم با استفاده از پیپت و قطره چکان آب اکسیژنه را اضافه میکنیم . در ارلن شماره 1 که حاوی 3 میلی لیتر آب مقطر ، 5 میلی لیتر سدیم تیوسولفات و 25 میلی لیتر پتاسیبم یدید و هیدروژن سولفات می باشد 2 میلی لیتر آب اکسیژنه ریخته و کرنومتررا روشن میکنیم تا زمانی که محلول به رنگ نارنجی در می آید چون ید آزاد می شود.
زمان کرنومتر برای ارلن 1 ، T1=37.19s ست.
در ارلن شماره 2 که حاوی 2 میلی لیتر آب مقطر ، 5 میلی لیتر سدیم تیوسولفات ، 25 میلی لیتر پتاسیم یدید و هیدروژن سولفات ست 3 میلی لیتر آب اکسیژن اضافه می کنیم و زمان ثبت شده توسط کرنومتر T2=32s می باشد.
در ارلن شماره 3 که 1 میلی لیتر آب مقطر ، 5 میلی لیتر سدیم تیوسولفات ، 25 میلی لیتر پتاسیم یدید و هیدروژن سولفات ست 4 میلی لیتر آب اکسیژنه به آن اضافه می کنیم زمان اندازه گیری شده توسط کرنومتر T3=22.50s می باشد.
و در ارلن شماره 4 که قبلا در آن 0 میلی لیتر آب مقطر، 5 میلی لیتر سدیم تیوسولفات ، 25 میلی لیتر پتاسیم یدید و هیدروژن سولفات بود .پس از اضافه کردن 5 میلی لیتر آب اکسیژنه زمان بدست آمده T4=15 s می باشد .با استفاده از این زمانها مرتبه واکنش نسبت به آب اکسیژنه را بدست می آوریم.
مرحله دوم : در همان ارلن های شماره 1 تا 4 که قبلاً آب مقطر و سدیم تیوسولفات و هیدروزن سولفات و 3 میلی لیتر آب اکسیژنه که مقدار ثابت واکنش است ریخته بودیم مقدار های مختلفی پتاسیم یدید اضافه می کنیم.پس از افزودن پتاسیم یدید به محلول ها رنگ آنها به مشکی تغییر می یابد.
به ارلن اولی 25 میلی لیتر پتاسیم یدید اضافه کرده و زمان را اندازه میگیریم زمان اندازه گیری شده T1=10s ست .
در ارلن دومی 20 میلی لیتر پتاسیم یدید اضافه نموده و زمان اندازه گیری شده T2=13.26s ست.
در ارلن سومی که 15 میلی لیتر پتاسیم یدید به آن می افزاییم و زمان ثبت شده T3=16.54s می باشد .
و ارلن چهارمی که 10 میلی لیتر پتاسیم یدید می افزونیم زمان درج شده T4=19.36s میباشد.
به وسیله زمان های ثبت شده توسط کرنومتر مرتبه واکنش نسبت به پتاسیم یدید را محاسبه می کنیم.
محاسبات :
**نتایج بدست آمده برای قسمت اول آزمایش
بنابراین داریم:
سپس نمودارLog 1/ T g نسبتLog V H2O2 را رسم کرده و شیب آن برابر مرتبه واکنش نسبت به خواهد بود.
در اینجا شیب برابر 0.9686 بوده که مرتبه واکنش (n) نسبت به H2O2می باشد.
**نتایج بدست آمده برای قسمت دوم آزمایش:
بنابراین داریم:
سپس نمودارLog 1/T نسبت بهLog V KI را رسم کرده و شیب آن برابر مرتبه اکنش نسبت به خواهد بود .
در اینجا شیب برابر0.7004 بوده که مرتبه واکنش (m) را نسبت به KIمی باشد.
سوال :
1) آیا مقدارm وn به دست آمده با مقدار استوکیومتری مطابقت می کند ؟ در صورت عدم تطبیق علت آن را شرح دهید .
جواب : خیر زیرا مقدار استوکیومتری درصد بازده آزمایش را درنظر نمی گیرد.
نتیجه گیری های بدست آمده از آزمایش :
1. غلظت های اولیه در طول آزمایش با یکدیگر برابر و ثابت بوده در حالی که غلظت پرسولفات در طول آزمایش متغیر است .
2. غلظت های اولیه تیوسولفیت ضمن این که با یکدیگر برابرند نسبت به غلظت های اولیه پرسولفات ناچیز می باشند. می توان با اندازه گیری زمان لازم برای پیدایش رنگ ید و نیز با در نظر گرفتن غلظت اولیه در هر محلول ، محاسبات لازم را انجام داد.
3.افزایش آب اکسیژنه به محلول داخل ارلن که محتوی اسید یدریک است، موجب می شود که ید آزاد شود ولی چون در محلول مقداری تیوسولفات موجود است. ید حاصل توسط تیوسولفات بطور مجدد به I- تبدیل می گردد ، لذا پس آنکه تمام تیوسولفات موجود توسط ید آزاد شده خنثی گردید ، رنگ محلول آبی می شود.
4. سایر واکنش های امکان پذیر
*** برای تماشای فیلم آزمایش تعیین درجه واکنش H2O2 وKIبه لینک زیر مراجعه فرمایید.