Keemilise reaktsiooni kiiruse uurimise laboritöö (0)

Keemilise reaktsiooni kiiruse uurimine
Annette Miller
10A
Taustinfo :
Keemilise reaktsiooni kiirus on reaktsioonis osaleva aine kontsentratsiooni muutus ajaühikus.
Seda arvutatakse järgmise valemi järgi:
Kus V on reaktsiooni kiirus (ühik mol/dm3s-1), ∆c alg- ja lõppkontsentratsioonide vahe (c1-c2) (ühik mol/dm3)ning ∆t reaktsiooni aeg (ühik s).
Reaktsiooni kiirus sõltub paljudest asjaoludest, näiteks reaktsioonis osalevate ainete kontsentratsioonist ja temperatuurist. Näiteks toimub põlemine puhtas hapnikus kiiremini kui õhus. Gaasiliste ainete vahelist reaktsiooni kiirendab rõhu tõstmine, mis sisuliselt on samaväärne kontsentratsiooni suurendamisega.
Kui temperatuur tõuseb 10° C võrra, suureneb reaktsiooni kiirus reeglina 2 korda.
Reaktsiooni kiirust võivad suurendada ka katalüsaatorid.
Reaktsiooni kiirust suurendab reageerivate ainete kokkupuutuva pinna suurendamine . See kehtib näiteks heterogeense katalüüsi korral. Aine peenestamine harilikult suurendab reaktsiooni kiirust, sest sellega tema pind suureneb.
Ainete segamine enne reaktsiooni suurendab reaktsiooni kiirust. Veel rohkem suurendab kiirust ainete pidev segamine reaktsiooni ajal. See näitab difusioonilimiteeritud reaktsiooni.
Reaktsiooni käigus reaktsiooni kiirus reeglina muutub. Enamiku reaktsioonide kiirus sõltub reageerivate ainete kontsentratsioonidest. Sedamööda, kuidas lähteained ammenduvad, reaktsioon aeglustub.
Mõni reaktsioon võib kiiremini toimuda valguse käes. Valgus ehk elektromagnetkiirgus on üks energia vormidest ja mis tahes kujul oleva energia juurdeandmine võib teatud tüüpi reaktsiooni kiirendada või isegi selle iseeneslikuks teha. Näiteks metaani ja kloori reaktsioon täielikus pimeduses on väga aeglane, hajutatud valgus seevastu seda reaktsiooni ja ere päikesevalgus muudab selle plahvatuslikuks: CH4 + 2Cl2 = CCl4 + 2H2.
Reaktsiooni kiirust võib mõjutada kasutatav isotoop . Eriti kehtib see vesiniku kohta, sest tavalise vesiniku ja deuteeriumi aatomi mass on selgelt erinev.
Antud töös on vaatluse all reaktsiooni kiirus sõltuvalt ainete kokkupuutepinna suurusest . Muutumatuna hoitakse ainete kontsentratsioon, temperatuur ja rõhk. See on vajalik, et jälgida konkreetselt reaktsiooni kiiruse sõltuvust ainete kokkupuute pinna suurusest.
Tööeesmärk:
Uurida, kuidas mõjutab keemilise reaktsiooni kiirust lähteaine kontsentratsiooni muutmine.
Töövahendid ja vajalikud ained:

• Kriit (CaCO3) 1,50g iga alamkatse jaoks, kokku 3*1.50g= 4.50g
  
• Vesinikkloriidhappe (HCl) vesilahus 0.5M, 1.0M,1.5M iga alamkaste jaoks X.0cm3±0.05≈ cm3, kokku 3*X.0cm3≈Y.0cm3
  
• Kaalud täpsusega ±0.005g kriiditüki kaalumiseks
  
• Portselankausid 3tk, milles viiakse läbi keemiline reaktsioon
  
• Nuga kriiditükkide lõikamiseks sama kujuga
  
• Stopper aja mõõtmiseks täpsusega ±0.05s
  
• Mõõtesilinder happe vesilahuse ruumala mõõtmiseks mahuga 50.0 cm3±0.05 cm3
  

Töökäik:

Kaalusin 1.50g±0.005g kriit (CaCO3) 3 ühesuurust tervet tükki

Portselankausid olid märgistatud numbritega 1.- 3.

Asetasin portselankausi nr1 kaalule ja panin kaalu nulli

Asetasin kriiditükk portselankaussi nr1 kaalu peale ja kaalusin. Kontrollisin, kas kriiditükk kaalub 1.50g±0.005g

Võtsin portselankausi kaalult ära ja asetasin lauale

Kirjutasin toimuva reaktsiooni tasakaalustatud võrrandi, märkisin kõigi ainete keemilised nimetused ja reaktsioonivõrrandi kohaselt moolide suhted ainete valemite alla.

Arvutasin 1.5g kriidi (CaCO3) reageerimiseks vajamineva 0.5M, 1.0M, 1.5M vesinikkloriidhappe ruumala. Näitan kõiki arvutusi
Arvutused:
Antud: Lahendus:
m1=1,55g CaCO3 + 2HCl => CaCl2 + H2O + CO2 1mol-2mol-1mol-1mol-1mol
m2=1,45g kaltsiumkarbonaat +vesinikkloriidhape=> kaltsiumkloriid +vesi+süsinikdioksiid
m3=1,53g C=n/V V=n/C n=m/M
C1=0,5M M(CaCO3) = 40 + 12 + 3 ∙ 16 = 100g/mol
C2=1,0M n=0,015mol/100g/molx2=0,03mol
C3=1,5M V1=0,03mol/0,5M=0,06=60cm3
Leida: V2=0,03mol/1,0M=0,03=30cm3
V1=? V3=0,03mol/1,5M=0,02=20cm3
V2=?
V3=?

Mõõtsin eelnevalt arvutatud ruumala vesinikkloriidhappe 0.5M, 1.0M ja 1.5M lahust

Valasin mõõdetud 0.5M vesinikkloriidhappe lahuse portselankaussi nr1 ja käivitasin stopperi reaktsiooniaja mõõtmiseks

Reaktsiooni käigus eemaldasin reageerivalt ainelt vahtu, et paremini näha reaktsiooni.

Segasin plastik lusikaga ja metallnoaga, et reaktsiooni kiirendada, sest meil polnud terve päev aega.

Viimaks purustasin viimaseid reageerivaid kriiditükke, samuti, et reaktsiooni kiirendada.

Kui portselankausis kulgev reaktsioon oli lõppenud, panin stopperi kinni, fikseerisin aja ja kandsin tulemused tabelisse nr.1
Tabel:
 
Vesinikkloriidhappe vesilahuse kontsentratsioon (M)
Reaktsiooniks kulunud aeg (s)±0.05s
Aeg (min)
±0.05min
1.
0.5
3513sek
58,55min 
2.
1.0
3460sek
 57,(6)7min
3.
1.5
3424sek
 57,0(6)min
(tabel nr.1)

Kordasin punkte 6.-13. kaussides 2.-3. ja kriiditükkidega , kui happe kontsentratsioon on 1.0M ja 1.5M

Koostasin graafik nr.1 telgedega: y- telg on sõltuv muutuja ja x-telg on sõltumatu muutuja
Graafik:
Graafik nr.1(Reaktsiooniks kulunud aeg)

Analüüsisin laboratoorse töö tulemusi lähtuvalt katse eesmärgist, hüpoteesist, muutujatest ja veast (minimaalselt pool lehekülge, igas mõttes sisalduv peamine sõna peab olema Boldis)

Kirjutasin hinnangu tehtud tööle lähtudes katses ette tulnud inimvigadest ja meetodis vigadest. Leidsin minimaalselt 2 mõtet mõlemasse (inimviga ja meetodi ebatäpsus jne) kategooriasse.
Kontrollitavad muutujad:

• Vesinikkloriidhappe lahuse temperatuur t=20 °C, kontrollitud termomeetriga täpsusega ±0.05°C
  

• Vesinikkloriidhappe 0.5M, 1.0M ja 1.5M lahuse ruumala V=X.00 cm3 iga alamkaste jaoks (võetakse väikeses ülehulgas, et tagada kriidi ära reageerimine), mida lisatakse igale kriidikogusele
  
• Kriiditükkide mass iga alamkatse korral m=1.50g±0.005g, kokku 3*1.50g= 4.50g
  
• Kriiditüki kuju, mis hoitakse iga katse korral sama, sest keemilise reaktsiooni kiirus sõltub kokkupuutepinna suurusest. Selleks lõigatakse kriidist (CaCO3) täpselt sama suured tükid.
  

Sõltuv muutuja:

• Keemilise reaktsiooni kiirus ehk aeg, mis kulub kriiditükkide ära reageerimiseks iga alamkaste korral 1/s ±0.05s
  

Sõltumatud muutujad:
Vesinikkloriidhappe vesilahuse molaarne kontsentratsioon 3 erinevat: 0.5M, 1.0M ja 1.5M, õige molaarne kontsentratsioon tagatakse õpetaja abiga.
Hüpotees:
Kui vesinikkloriidhappe vesilahuse kontsentratsioon on suur, siis ärareageerimiseks kulunud aeg on kiirem kui siis, kui vesinikkloriidhappe kontsentratsioon on väike, sest mida suurem on kontsentratsioon lähteainetel, seda kiirem on reaktsioon ehk seda vähem kulub aega, et kriiditükk ära reageeriks, sest seda sagedasemad on lähteainete osaketse vahelised kokkupõrked, mis viivad keemilise reaktsioonini.
Järeldus ja analüüs:

• Antud katse näitab, et mida suurem on happe molaarne kontsentratsioon, seda kiiremini toimub reaktsioon. Põhjus seisneb selles, et kontsentreeritumas happes on rohkem osakesi, mis ainega põrkuda ja seega reageerida võivad. Mida rohkem põrkeid toimub, seda kiiremini ka reaktsioon toimub.
  
• Katsete kiirust mõjutas ka see, et meie rühmal oli kolm suurt kriiditükki. Teistel rühmasel, kes kasutasid pulbrit või purustatud kriiti kulges katse hulga kiiremini. Sellest järeldus, et Reatsiooni kiirus sõltub kokkupuutepinna suurusest.
  
• Katsete tulemuste täpsust segasid mitmed faktorid : silmaga ei olnud võimalik jälgida reaktsiooni täielikku lõppemist (kuigi me eemaldasime vahtu); aineid ei olnud sama täpselt, kui teoreetiliselt oletati; katset pidi kiirendama ajapuuduse tõttu; uuritavat ainet segati metallnoaga, mis ei pruukinud puhas olla – katsekeskkonda viidi võõrast ainet.
  
• Täpsema tulemuse saamiseks oleks pidanud katse sooritama kinnistes tingimustes piisava ajavaruga ning mitu korda, et vältida mõõtmisviga ning lisada reageerivatele ainetele lakmust, et oleks silmaga näha, millal keskkond enam hape ei ole (võttes arvesse, et CaCO3 on happeline sool ei tea ma, kas see oleks aidanud).
  

Hinnang:

• Katset oleks pidanud tegema väiksemate kriidikogustega (katse läbiviimiseks kulus liiga palju aega).
  
• Tulemuse täpsust segas reaktsiooni käigus portselankaussi tekkinud vaht , läbi mille ei olnud võimalik reaktsiooni kulgu jälgida ning selgeks teha, kas CaCO3 reageerib veel happega või mitte. Seega pidime CaCO3 ja happe segult vahtu ära lükkama, mis oli võrdväärne segamisega ning see kiirendas reaktsioonikiirust. Seega võib saadud tulemuse ebatäpseks lugeda, kuid teoreetiliselt saab siiski ülevaate reaktsiooni kiiruse sõltuvusest ainete kokkupuutepinna suurusest.
  
• Kriiditükkide tükeldamisel väiksemateks tükkideks selgus, et täpselt ühesuurusteks tükkideks ei ole võimalik neid teha. Ka see muudab saadud tulemuse ebatäpseks. 4. tüki asemel, mis pidi olema purustatud, kasutasime hoopis pulbrit, mis oli palju ühtlasem, kui ta ise purustatuna oleks olnud.
  
• Reaktsiooni lõppedes jäi vedeliku pinnale hulpima väikseid CaCO3 tükikesi, mis silmaga jälgides ei tundunud reageerivat ning segasid reaktsiooni lõpu määramist.
  
• HCl vesilahuse ruumala mõõtmisel võtsime HCl veidi ülehulgas, kuid mitte kokkuleppeliselt sama palju, mis tähendas seda, et igal mõõtmisel võtsime veidi erineva ruumalaga HCl vesilahust.
  
• Reageerivaid aineid oleks pidanud segama vahendiga, mis ei reosta reageerivat keskkonda muutes katse tulemusi.
  

Kasutatud allikad:
http://et.wikipedia.org/wiki/Reaktsiooni_kiirus (09.04.2012)
„Üldine ja anorgaaniline keemia“ II osa, Lembi Tamm, Avita 2008