Κινητική Μελέτη

Η χημική κινητική είναι ένας από τους πιο σημαντικούς και συναρπαστικούς τομείς της χημείας που μελετά τις ταχύτητες και τις διαδικασίες των χημικών αντιδράσεων. Οι κινητικές μελέτες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να δείξουν πώς μπορεί να αλλάξει ο ρυθμός μιας χημικής διαδικασίας. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσετε την κινητική μιας συγκεκριμένης χημικής αντίδρασης υπεροξειδίου του υδρογόνου μεταξύ ιόντων ιωδίου και υπεροξειδίου του υδρογόνου σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, πριν από αυτό, ας μιλήσουμε για το πόσο συναρπαστική είναι η χημική κινητική.

Έχετε κάνει ποτέ τιτλοδοτήσεις σε εργαστήρια χημείας; Είδατε ένα εντελώς άχρωμο διάλυμα να αλλάζει σε μια όμορφη απόχρωση του μπορντώ ή του μπλε; Ή μήπως ένα έγχρωμο διάλυμα γίνεται διαφανές; Καταπληκτικό, σωστά; Η χημική κινητική είναι σημαντική για να γνωρίζουμε περισσότερα για τον κόσμο, πώς λειτουργεί, γιατί συμβαίνουν ορισμένα πράγματα και παρέχει στοιχεία για τους μηχανισμούς των χημικών διεργασιών. Χρησιμοποιείται επίσης σε μεγάλο βαθμό στη φαρμακοβιομηχανία. Ας δούμε τώρα πώς αντιδρούν αυτά τα ιόντα ιωδίου αναλύοντας μια συγκεκριμένη αντίδραση αποσύνθεσης υπεροξειδίου του υδρογόνου για να κατανοήσουμε ορισμένες έννοιες της χημείας.

Συναντάτε καθημερινά χημικές κινητικές. Η σκουριά που βλέπετε σε διάφορες σιδερένιες επιφάνειες; Μια χημική αντίδραση του σιδήρου όταν εκτίθεται στον αέρα και την υγρασία. Η πέψη, η φωτοσύνθεση και η καύση είναι άλλα κοινά παραδείγματα. Δεν βλέπετε ιόντα ιωδίου να αντιδρούν με το υπεροξείδιο του υδρογόνου στην καθημερινή ζωή και αυτή η συγκεκριμένη χημική αντίδραση υπεροξειδίου του υδρογόνου χρησιμοποιείται για την παραγωγή ιωδίου για διάφορους σκοπούς.

Προαπαιτούμενα

Πρέπει να γνωρίζετε ορισμένες προϋποθέσεις προτού διαβάσετε περαιτέρω και κατανοήσετε αυτήν την αντίδραση αποσύνθεσης υπεροξειδίου του υδρογόνου. Ας εξοικειωθείτε πρώτα με ορισμένους χημικούς όρους.

Αντιδρόν, προϊόν και συγκέντρωση

Ένα αντιδρών είναι μια χημική ουσία που αλλάζει όταν εισάγεται ή συνδυάζεται με άλλες χημικές ουσίες (θειοθειικό νάτριο στην περίπτωσή μας). Συχνά υπάρχουν περισσότερα από ένα αντιδρώντα σε μια χημική αντίδραση.

Από την άλλη πλευρά, ένα προϊόν σχηματίζεται ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης.

Η συγκέντρωση δεν είναι παρά μια μέτρηση των αντιδρώντων και των προϊόντων, "πόσο" από κάτι, με άλλα λόγια. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι υπολογισμού των συγκεντρώσεων, που συχνά αφορούν τη μάζα και τον όγκο. Η τυπική πρακτική είναι να ακολουθείτε τη Μοριακότητα μιας ουσίας – την ποσότητα της ουσίας ανά μονάδα όγκου διαλύματος. Η μοριακότητα συμβολίζεται με "M".

Σε αυτήν τη συγκεκριμένη χημική αντίδραση υπεροξειδίου του υδρογόνου, το υπεροξείδιο του υδρογόνου και τα ιόντα ιωδίου είναι αντιδρώντα και το ιώδιο και το νερό είναι τα προϊόντα.

Ρυθμός αντίδρασης/Ρυθμός αντίδρασης

Όταν η συγκέντρωση ενός αντιδραστηρίου ή ενός προϊόντος ποικίλλει με συγκεκριμένο ρυθμό κατά τη διάρκεια ενός καθορισμένου χρόνου, αυτό αναφέρεται ως ο ρυθμός της αντίδρασης ή του ρυθμού αντίδρασης.

Τα αποτελέσματα της μεταβολής της συγκέντρωσης των ιόντων ιωδίου εντός του ρυθμού αντίδρασης μεταξύ ιόντων ιωδίου και της αντίδρασης χημικού υπεροξειδίου του υδρογόνου σε θερμοκρασία δωματίου θα συζητηθούν στην επόμενη ενότητα του άρθρου.

Κινητική ενέργεια

Η κίνηση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία κινητικής ενέργειας, την ενέργεια που έχει ένα αντικείμενο ή σωματίδιο λόγω της κίνησής του. Είναι μια ιδιότητα ενός κινούμενου αντικειμένου ή σωματιδίου που επηρεάζεται από την ταχύτητα και τη μάζα του αντικειμένου ή του σωματιδίου.

Η κινητική ενέργεια ισούται με το μισό του γινόμενου της μάζας της (m) και του τετραγώνου της ταχύτητάς της (v). Η μονάδα SI του είναι Joule.

KE =½ mv2 όπου,

Όπου KE =κινητική ενέργεια, 

m =μάζα σώματος,

και v =ταχύτητα σώματος

Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι αυτός ο τύπος ισχύει μόνο για αντικείμενα που ταξιδεύουν με χαμηλές μέτριες ταχύτητες. Καθώς η ταχύτητα αυξάνεται, οι πολύ θεμελιώδεις επιστημονικές έννοιες αλλάζουν.

Οξείδωση, Οξειδωτικό

Η οξείδωση είναι μια διαδικασία όπου μια χημική ουσία, συχνά ένα αντιδρών, αλλάζει λόγω της προσθήκης οξυγόνου. Το αντιδρών χάνει μερικά από τα ηλεκτρόνια του κατά την οξείδωση. Τώρα, αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια γίνονται αποδεκτά από άλλες ουσίες που μπορούν να οξειδωθούν, που ονομάζονται οξειδωτικοί παράγοντες ή οξειδωτικά.

Σε αυτήν την αντίδραση αποσύνθεσης υπεροξειδίου του υδρογόνου σε θερμοκρασία δωματίου, τα ιόντα ιωδίου υφίστανται οξείδωση και το υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι το οξειδωτικό.

Αντίδραση αποσύνθεσης

Η αντίδραση αποσύνθεσης είναι μια χημική αντίδραση κατά την οποία ένα αντιδρόν διασπάται στα δύο κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Αυτή η συγκεκριμένη χημική αντίδραση υπεροξειδίου του υδρογόνου είναι μια αντίδραση αποσύνθεσης.

Ανάλυση της αντίδρασης αποσύνθεσης υπεροξειδίου του υδρογόνου

Στόχος

Ο σκοπός αυτού του πειράματος είναι να προσδιορίσει τη σχέση μεταξύ της διακύμανσης της συγκέντρωσης των ιόντων ιωδίου και του υπεροξειδίου του υδρογόνου της αντίδρασης σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αυτό έχει σκοπό να βελτιώσει την κατανόησή μας σχετικά με τους μηχανισμούς και τις ταχύτητες των χημικών αντιδράσεων.

Ο ρυθμός της αντίδρασης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση του αντιδρώντος. Ας διερευνήσουμε την αντίδραση αποσύνθεσης για να αναλύσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ ιόντων ιωδίου και θειοθειικού νατρίου παρουσία υπεροξειδίου του υδρογόνου. Θα καταλάβετε πώς η συγκέντρωση των αντιδρώντων επηρεάζει τον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης.

Απαιτείται συσκευή

Πέντε κωνικές φιάλες των 250 mL για διάλυμα ιωδιούχου καλίου

Χρονόμετρο

κωνική φιάλη 500 mL για υπεροξείδιο του υδρογόνου

Καρά

Κύλινδρος μέτρησης 100 χιλιοστόλιτρων

Λύση με βάση το άμυλο

Διάλυμα ιωδιούχου καλίου (0,1 M)

Διάλυμα θειικού οξέος 2,5 M

Διάλυμα θειοθειικού νατρίου σε νερό (0,04M)

Διάλυμα υπεροξειδίου του υδρογόνου 3%

Διαδικασία

Πάρτε τέσσερις κωνικές φιάλες των 250 ml και τοποθετήστε τις ετικέτες ως 1, 2, 3 και 4.

Προσθέστε 10 ml, 20 ml, 40 ml και 60 ml διαλύματος 0,1 M KI στις φιάλες 1, 2, 3 και 4, αντίστοιχα και προσθέστε 10 ml υπεροξειδίου του υδρογόνου σε κάθε φιάλη επίσης.

Προσθέστε απεσταγμένο νερό εάν χρειάζεται για να γίνει ο όγκος του διαλύματος 100 ml σε κάθε φιάλη.

Το υπεροξείδιο του υδρογόνου δρα ως οξειδωτικό, μετατρέποντας τα ιόντα ιωδίου σε ιώδιο.

H2O2 + 2l– + 2H+ → 2H2 O + l2

Προσθέστε 5 ml διαλύματος αμύλου και 10 ml διαλύματος θειοθειικού νατρίου 0,04 M σε κάθε φιάλη για να παρακολουθήσετε την αντίδραση.

Τα ιόντα ιωδίου παράγονται όταν το απελευθερωμένο ιώδιο αντιδρά με το θειοθειικό νάτριο.

l2+ 2S2O3 2- → S4O6 2- + 2l– 

Προσθέστε 5 ml διαλύματος υπεροξειδίου του υδρογόνου 3% στη φιάλη 1 με τη βοήθεια μιας πιπέτας και ξεκινήστε αμέσως το χρονόμετρο. Ανακατέψτε το μείγμα και περιμένετε και παρατηρήστε να εμφανιστεί το μπλε χρώμα. Σημειώστε την ώρα που εμφανίζεται το μπλε χρώμα.

Αφού καταναλωθούν όλα τα θειοθειικά ιόντα, το διάλυμα αμύλου γίνεται μπλε.

l2 + Starch → Blue Complex 

Ο χρόνος που χρειάζεται για να εμφανιστεί το μπλε χρώμα είναι ανάλογος με τον ρυθμό της αντίδρασης.

Επαναλάβετε με τα διαλύματα στις φιάλες 2, 3 και 4. Θα παρατηρήσετε ότι ο χρόνος δεν είναι σταθερός. Αυτό οφείλεται στην αλλαγή της συγκέντρωσης σε κάθε φιάλη.

Υπολογισμός κινητικής ενέργειας

Για να προσδιορίσετε τη συνολική κινητική ενέργεια ενός αντικειμένου, χρησιμοποιήστε τον τύπο που αναφέρεται στα προαπαιτούμενα. Η κινητική ενέργεια είναι ίση με το μισό του γινόμενου της μάζας της και του τετραγώνου της γραμμικής ταχύτητας (η οποία είναι επικεντρωμένη στη μάζα της).

KE =½ mv2 όπου,

Όπου KE =κινητική ενέργεια, 

m =μάζα σώματος,

και v =ταχύτητα σώματος

Χρησιμοποιήστε ένα πρόσφατα παρασκευασμένο διάλυμα θειοθειικού νατρίου κατά την εκτέλεση αυτής της διαδικασίας για να εξασφαλίσετε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα. Η συγκέντρωση του διαλύματος ΚΙ πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του διαλύματος θειοθειικού νατρίου στο βαθμό που αυτό είναι ευλόγως δυνατό. Κατά την παρασκευή του διαλύματος αμύλου, χρησιμοποιήστε μόνο πρόσφατα παρασκευασμένα διαλύματα.

Υπολογισμός του ρυθμού αντίδρασης

Ο ρυθμός οποιασδήποτε χημικής αντίδρασης είναι ίσος με την αναλογία μεταξύ της αλλαγής της συγκέντρωσης προς τη μεταβολή του χρόνου που έχει περάσει.

 Συμπέρασμα:

Καταλήγοντας, η χημική κινητική θεωρείται συχνά δύσκολη λόγω των περίπλοκων υπολογισμών που εμπλέκονται, αλλά δεν χρειάζεται να είναι. Είναι ένας συναρπαστικός τομέας της χημείας που σας βοηθά να κατανοήσετε όλες τις σημαντικές έννοιες όπως ο ρυθμός μιας αντίδρασης, η κινητική ενέργεια και οι συγκεντρώσεις των ουσιών που χρησιμοποιούνται. Αυτό το περιεκτικό άρθρο σχετικά με την κινητική μελέτη της αντίδρασης μεταξύ ιόντων ιωδίου και υπεροξειδίου του υδρογόνου σε θερμοκρασία δωματίου θα σας είχε δώσει μια σαφή διαίσθηση των προαναφερθέντων εννοιών της χημείας. Καλή μάθηση!