به نام خدا
گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک 2
عنوان آزمایش
بکار گیری روش سرعت اولیه در تعیین درجه سینتیکی واکنش
نویسنده گزارش کار:
اعضای گروه:
تئوری آزمایش:
نتیجه آزمایش های مربوط به اندازه گیری سرعت واکنش ها مشاهداتی است که بستگی به دما و ترکیب نسبی مخلوط واکنش دارد . مقدار جسم تولید شده یا از بین رفته در واحد زمان و واحد حجم برحسب مولکول گرم در لیتر سرعت واکنش نام دارد . پس سرعت واکنش عبارت است از تعداد مول های از بین رفته یکی از اجسام اولیه در واحد زمان .
در رابطه فوق اگر گونه جزء مواد موثر باشد چون در اثر گذشت زمان مقداری از آن مصرف میشود (مقدار آن کم می شود ) لذا رابطه یک علامت منفی خواهد داشت . اما اگر گونه جزء مواد محصول باشدچون در اثر گذشت زمان مقداری از آن تولید می شود لذا رابطه علامتش مثبت خواهد بود .
اغلب دیده می شود که سرعت اندازه گیری شده متناسب با توانی از غلظت های واکنش دهنده ها است ، پس می توان چنین نتیجه گرفت که سرعت واکنشی مثل متناسب با غلظت می باشد . یعنی رابطه سرعت چنین خواهد بود :
در رابطه فوق ثابت سرعت نامیده می شود و مستقل از غلظت ها است . ولی به دما بستگی دارد . این معادله که بطور تجربی بدست می آید ، قانون سرعت نام دارد .
در رابطه فوق توان های مرتبه های واکنش نسبت به هستند . مرتبه واکنش نسبت به یک جزء سازنده ، توانی است که غلظت آن جزء سازنده در قانون سرعت به آن توان می رسد و مرتبه کلی واکنش از مجموع مرتبه ها بدست می آید . مرتبه واکنش حتما لازم نیست عددی صحیح باشد . مثلاً بیشتر واکنش های فاز گازی مرتبه غیر صحیح دارند .
اگر مرتبه واکنش نسبت به یک گونه صفر باشد نشان دهنده این است که غلظت این گونه تاثیری در سرعت واکنش ندارد یا بعبارت دیگر سرعت واکنش مستقل از غلظت این گونه است . مثلا در رابطه گفته شده اگر مرتبه واکنش نسبت به گونه صفر باشد با توجه به اینکه هر مقداری به توان صفر برسد مساوی یک خواهد شد ، لذا سرعت واکنش مستقل از غلظت گونه خواهد بود . همچنین وجود مرتبه منفی برای یک جزء نشان دهنده این است که افزایش غلظت آن جزء تاثیر عکس در مقدار سرعت دارد ، یعنی با افزایش غلظت آن گونه سرعت واکنش کاهش خواهد یافت . در رابطه مذکور اگر فرض کنیم مرتبه واکنش نسبت به گونه یک مقدار منفی است ، چون این گونه به توان یک عدد منفی خواهد رسید لذا باعث خواهد شد تا مقدار عددی سرعت کاهش یابد .
مرتبه (درجه) واکنش ها را فقط می توان با استفاده از روش های تجربی محاسبه کرد . یکی از این روش ها این است که سرعت واکنش را زمانی که غلظت هر یک از مواد موثر تغییر می کند مورد بررسی قرار دهند و به کمک آن درجه واکنش مربوط به هر سازنده را محاسبه می کنند . مثلا برای واکنش زیر اگر بخواهیم درجه ها را نسبت به محاسبه کنیم به این ترتیب عمل می کنیم :
ابتدا غلظت گونه را تغییر می دهیم و با ثابت در نظر گرفتن غلظت گونه ، تغییر سرعت را که مربوط به تغییر غلظت است بررسی می کنیم سپس غلظت گونه را تغییر می دهیم و با ثابت در نظر گرفتن غلظت گونه ، تغییر سرعت را که مربوط به تغییر غلظت است بررسی می کنیم . حال اگر نسبت آزمایش اول را به دو آزمایش اخیر بدست آوریم می توانیم مقادیر مربوط به درجه های واکنش نسبت به را محاسبه بکنیم . از سوی دیگر می توانیم این کار را با استفاده از مدت زمان های مربوط به انجام واکنش انجام بدهیم و درجه های واکنش را محاسبه بکنیم .
روش انجام آزمایش:
ابتدا باید محلولی 0.04 مولار Fe(NO3)3 را تهیه کرد و بدین منظور باید 100 میلی لیتر محلول 0.2 مولار فریک نیترات را تا حجم 500 میلی لیتر در بالون ژوژه رقیق کرد. سپس 13 میلی لیتر از نیتریک اسید 6 مولار را تا حجم 500 میلی لیتر رقیق می کنیم تا محلول 0.15 مولار از نیتریک اسید حاصل شود. سپس سه بورت را به طور جداگانه با آب مقطر،محلول فریک نیترات و محلول نیتریک اسید پر می کنیم. محتویات سه بورت را برای تهیه 5 محلول در جدول زیر در 5 ارلن 250 یلی لیتری مورد استفاده قرار می دهیم.
در مرحله بعد در 5 بشر 150 میلی لیتری به طور جداگانه 10 میلی لیتر محلول یدید پتاسیم 0.04 مولار و 10 میلی لیتر محلول 0.004 مولار از تیو سولفات سدیم و 5 میلی لیتر چسب نشاسته و 25 میلی لیتر آب مقطر ریخته و مخلوط میکنیم. توجه داشته باشید که اگر محلول قبل از افزایش یون Fe3+ آبی رنگ باشد دلیل بر آلوده بودن محلول است و باید مجدداً تهیه شود.
ارلن ها و بشرها را در حمام آب به مدت 10 تا 15 دقیقه قرار می دهیم تا به تعادل برسند (دمای حمام آب بهتر است مساوی دمای محیط باشد). سپس محتویات یکی از بشرها را سریعاً به ارلن شماره (1) بیفزایید و کرنومتر را در این لحظه بکار بیندازید. به محض ظهور رنگ آبی کرنومتر را متوقف کرده و زمان و دما را یادداشت کنید. این عملیات را برای ارلن های 2 تا 5 تکرار کرده و در هر مرحله مدت زمان ظهور رنگ آبی را یادداشت کنید.
محاسبات:
1 . سرعت اولیه واکنش را در هر یک از ارلن های 1 تا 5 مطابق فرمول زیر محاسبه کنید.
r_0=1/2 ([〖S_2 O_3^(2-)]〗_i)/∆t 〖[S_2 O_3^(2-)]〗_i=(0.004×10)/100=0.0004
r_0,1=1/2×0.0004/98=2.04×10^(-6) mol/(Lit.s)
r_0,2=1/2×0.0004/56=3.57×10^(-6) mol/(Lit.s)
r_0,3=1/2×0.0004/41=4.87×10^(-6) mol/(Lit.s)
r_0,4=1/2×0.0004/39=5.12×10^(-6) (mol )/(Lit.s)
r_0,5=1/2×0.0004/28=7.14×10^(-6) mol/(Lit.s)
2 . ثابت کنید که غلظت متوسط Fe3+، [Fe3+]av از رابطه زیر تبعیت می کند.
[〖Fe〗^(3+) ]_av=[〖Fe〗^(3+) ]_i-1/2 [S_2 O_3^(2-) ]_i
وبرای هر یک از مراحل 1 تا 5 مقدار متوسط غلظت Fe3+ را گزارش کنید.
[〖Fe〗^(3+) ]_av=([〖Fe〗^(3+) ]_i+[〖Fe〗^(3+) ]_f)/2
=(〖2[〖Fe〗^(3+) ]〗_i-[〖Fe〗^(3+) ]_i+[〖Fe〗^(3+) ]_f)/2
=[〖Fe〗^(3+) ]_i-([〖Fe〗^(3+) ]_i-[〖Fe〗^(3+) ]_f)/2
=[〖Fe〗^(3+) ]_i-[S_2 O_3^(2-) ]_i/2
[〖Fe〗^(3+) ]_1=(0.04×10)/100=0.004 M ⇒ [〖Fe〗^(3+) ]_(av,1)=0.004-1/2 (0.0004)=0.0038 M
[〖Fe〗^(3+) ]_2=(0.04×15)/100=0.006 M ⇒ [〖Fe〗^(3+) ]_(av,2)=0.006-1/2 (0.0004)=0.0058 M
[〖Fe〗^(3+) ]_3=(0.04×20)/100=0.008 M ⇒ [〖Fe〗^(3+) ]_(av,3)=0.008-1/2 (0.0004)=0.0078 M
[〖Fe〗^(3+) ]_4=(0.04×25)/100=0.01 M ⇒ [〖Fe〗^(3+) ]_(av,4)=0.01-1/2 (0.0004)=0.0098 M
〖[〖Fe〗^(3+)]〗_5=(0.04×30)/100=0.012 M ⇒ 〖[〖Fe〗^(3+)]〗_(av,5)=0.012-1/2 (0.0004)=0.0118 M
3 . با استفاده از داده های تجربی حاصل منحنی تغییرات لگاریتم سرعت اولیه 〖(log〗〖r_0)〗 را بر حسب تغییرات لگاریتم غلظت متوسط Fe3+ (log〖〖[〖Fe〗^(3+)]〗_av)〗 رسم و با ترسیم خط راست عبوری از نقاط، بر اساس شیب خط مستقیم درجه سینتیکی واکنش نسبت به Fe3+ را تعیین کنید.
شیب نمودار فوق برابر 1.039 میباشد. در نتیجه درجه سینتیکی واکنش برابر 1 میشود.