به نام خدا
گزارش کار آزمایش شیمی فیزیک 2
عنوان آزمایش
اندازه گیری انرژی اکتیواسیون _ واکنش درجه یک مجازی
نویسنده گزارش کار:
اعضای گروه:
تئوری آزمایش:
تمامی مولکول ها دارای یک مقدار حداقلی از انرژی هستند. این انرژی می تواند به صورت انرژی جنبشی یا پتانسیل باشد. زمانی که مولکول ها با یکدیگر برخورد می کنند، انرژی جنبشی می تواند موجب کشش، خمش یا شکست پیوندها و به دنبال آن، انجام واکنش شیمیایی شود. اگر مولکول ها با سرعت پایین و با انرژی جنبشی کمی حرکت کنند، یا اینکه با یکدیگر در جهتی مناسب برخورد نکنند، وارد واکنش نمی شوند و در اثر برخورد، تنها یکدیگر را دفع می کنند.
در هر صورت اگر مولکول ها سرعت و جهت برخورد کافی داشته باشند، به گونه ای که انرژی جنبشی به هنگام برخورد، بیش از حداقل انرژی مورد نیاز برای انجام واکنش باشد، در نهایت، واکنش مربوطه انجام خواهد شد. به این حداقل انرژی که برای انجام واکنش شیمیایی مورد نیاز است، انرژی فعالسازی (اکتیواسیون) می گویند.
توصیف ساده انرژی فعالسازی
در حقیقت، مسیری که یک واکنش شیمیایی طی می کند همانند تصویر بالا است. برای این که شئ به قله و بخش دیگر مسیر برسد باید سرعت مناسبی داشته باشد. هرقدر این سرعت بیشتر باشد، انرژی جنبشی بیشتری خواهیم داشت. اگر شئ با سرعت بسیار پایینی حرکت کند، انرژی جنبشی مناسبی برای رسیدن به قله نخواهد داشت و به قله نخواهد رسید. به همین شکل، یک مقدار حداقلی از انرژی باید وجود داشته باشد تا مولکول ها بتوانند با شکستن پیوندهای خود، در یک واکنش شرکت کنند.
درصورتیکه انرژی جنبشی مولکول ها در برخورد، بیش از حداقل انرژی مورد نیاز باشد، شکستن پیوندها و تشکیل پیوندهای جدید صورت می گیرد. البته این برخوردها باید جهت مناسبی نیز داشته باشند.
انرژی فعالسازی که در تصویر بالا با نماد ∆Gنشان داده شده، اختلاف انرژی بین واکنش دهنده ها و "کمپلکس فعال" (Activated Complex) است که این حالت را با نام "حالت گذار" (Transition State) نیز می شناسند. در یک واکنش شیمیایی، حالت گذار را به صورت بیشترین حالت انرژی در یک سیستم توصیف می کنند. اگر مولکول ها در واکنش دهنده ها با انرژی جنبشی مناسبی با یکدیگر برخورد کنند و این انرژی بیش از انرژی حالت گذار باشد، در نتیجه، واکنش انجام خواهد شد و فرآورده ها تشکیل می شوند. به عبارت دیگر، هرقدر انرژی فعالسازی بیشتر باشد، انجام یک واکنش، دشوارتر خواهد بود.
روش انجام آزمایش:
2 گرم یدور پتاسیم را وزن کرده و آنرا داخل یک ارلن 1000 میریزیم. سپس به وسیله یک بالن ژوژه 500، 500 سی سی آب مقطر را در آن ریخته و یدور پتاسیم را در آن حل می نماییم . به وسیله یک بورت میزان 30 سی سی اسید سولفوریک یک به سه در آن خالی نموده و میزان 10 سی سی چسب نشاسته را با پیپت یا مزور به آن اضافه می کنیم .چنانچه رنگ آبی ظاهر شد با اضافه کردن چند قطره هیپوسولفیت 1 نرمال آنرا از بین می بریم . سپس این ارلن را در داخل یک حمام آب و یخ قرار می دهیم و آن را کنار می گذاریم تا سرد شود . عینا هین مخلوط را در ارلن دیگری درست می کنیم. بعد 2 سی سی از آب اکسیژنه صد حجم را به وسیله یک پیپت 2 یا پوار الستیکی (الزامی است) برداشته و آنرا در یک بالن ژوژه 100 که حاوی مقداری آب مقطر سرد است خالی کرده و به حجم می رسانیم و بالن ژوژه را در حمامی از آب و یخ قرار می دهیم ( در حالیکه در آن بسته است.) این آب اکسیژنه دوحجمی خواهد شد . در داخل ارلن دوم مطابق شکل یک همزن مغناطیسی 2.5 cm و یک ترمومتر دقیق صفر تا 100 جهت سنجش درجه حرارت می گذاریم و ارلن را روی همزن الکتریکی قرار می دهیم و درجه حرارت شروع واکنش خوانده می شود. در داخل یک بورت 50، میزان 50 سی سی هیپوسولفیت 0.1 نرمال آماده نموده و آنرا مطابق شکل در بالای مخلوط واکنش قرار می دهیم.
سپس 25 سی سی از آب اکسیژنه سرد شده دوحجمی را با پیپت کشیده و آن را به داخل یک بشر کوچک خالی نموده و محتویات بشر را فورا به داخل ارلن بزرگ خالی می کنیم . به محض دیدن رنگ آبی که نشان دهنده شروع واکنش است. کرنومتر را به کار می اندازیم و همزمان با آن 10 سی سی از هیپوسولفیت به داخل ارلن خالی کرده ، رنگ آبی از بین می رود و مدتی طول می کشد که دوباره رنگ آبی ظاهر شود . به محض ظهور مجدد رنگ آبی زمان را می خوانیم و فورا 5 سی سی هیپوسولفیت به اخل ارلن اضافه کرده ، رنگ آبی را از بین می بریم و بعد از مدتی برای بار سوم به محض ظهور رنگ آبی ساعت را خوانده و 5 سی سی هیپوسولفیت برای بار سوم به داخل ارلن اضافه می کنیم و همین عمل را تا هنگامیکه 50 سی سی هیپوسولفیت مصرف شود ادامه می دهیم و درجه حرارت را در انتهای آزمایش می خوانیم و بین دو درجه حرارت شروع و اتمام مقدار متوسط اختیار میکنیم. به این ترتیب برای مقادیر مصرفی از هیپوسولفیت 10_15_20_25_30_35_40_45_50 سی سی نه زمان آبی شدن در درجه حرارت آزمایشگاه به دست آورده ایم . بعد از اتمام این عمل درجه حرارت به 2 یا پایین تر رسیده و عملیات فوق را با آن را شروع می کنیم . عینا تمام اعمالی که در درجه حرارت آزمایشگاه شده بود را برای آن نیز انجام می دهیم. (درجه حرارت شروع و خاتمه یادداشت شده و مقدار متوسط اختیار شود) به این ترتیب نه زمان آبی شدن دیگر در حرارت سرد به دست خواهیم آورد . باید دانست که در سرتاسر آزمایشات حجم مخلوط واکنش به طرز موثری ثابت خواهد بود و تغییر حجم ناچیز است.
محاسبات:
نه زمان آبی شدن در درجه حرارت سرد (T1) را بر زمانهای متناظرشان (که حجم کل هیپوسولفیت در آنها یکی است) در درجه حرارت آزمایشگاه (T2) تقسیم نموده و به این ترتیب 9 عدد برای نسبت K2/K1 بدست آورده و بین آنها مقدار متوسط اختیار می کنیم . در حقیقت صحت آزمایش ما از نزدیک بودن این نسبتها به هم تایید می شود . درجات حرارت دو آزمایش (مقدار متوسط بین درجه حرارت شروع و درجه حرارت اتمام عمل بر حسب درجه حرارت کلوین) نیز که معلوم است ، لذا با استفاده از رابطه زیر انرژی فعالسازی را معلوم می کنیم:
Ln K_2/K_1 =〖-E〗_a/R(1/T_2 -1/T_1 )
توجه : نظر به تاثیر بسیار بد آب اکسیژنه بر روی پوست و سمی بودن و تاثیر بد اسید سولفوریک و همچنین سمی بودن یدور پتاسیم حداکثر دقت را هنگام انجام عملیات داشته باشید.
داده های آزمایش:
زمان
حجم تیوسولفات مصرفی (ml)
4min
(240s)
10
5min 42s
(342s)
15
8min 58s
(538s)
20
12min 11s
(731s)
25
16min 30s
(990s)
30
20min 53s
(1253s)
35
25min 49s
(1549s)
40
30min 52s
(1852s)
45
زمان
حجم تیوسولفات مصرفی (ml)
2min
(120s)
10
1min 43s
(103s)
15
2 min 33s
(153s)
20
3 min 32s
(212s)
25
4min 43s
(283s)
30
5min 43s
(343s)
35
6min 55s
(415s)
40
9min 17s
(557s)
45
حال برای هر ردیف، نسبت K2/K1 را حساب میکنیم.
K_2/K_1 =t_1/t_2
(K_2/K_1 )_1=120/240=0.5
(K_2/K_1 )_2=103/342=0.3
(K_2/K_1 )_3=153/538=0.284
(K_2/K_1 )_4=212/731=0.29
(K_2/K_1 )_5=283/990=0.285
(K_2/K_1 )_6=343/1253=0.273
(K_2/K_1 )_7=415/1549=0.267
(K_2/K_1 )_8=557/1852=0.3
حال، از مقادیر بدست آمده میانگین میگیریم:
(K_2/K_1 )_avg=(0.5+0.3+0.284+0.29+0.285+0.273+0.267+0.3)/8=0.312
حال، مقدار بدست آمده را در معادله آرنیوس قرار میدهیم:
Ln(K_2/K_1 )_avg=(-E_a)/R (1/T_2 -1/T_1 )
Ln(0.312)=(-E_a)/8.314 (1/284-1/296)
E_a=67837.88 J