การทดลองที่ 2 ปฏิบัติการเคมีทั่วไป I อัตราการเกิดปฏิกิริยา การทดลองเคมีแบบย่อส่วน การทดลองที่ 2 อัตราการเกิดปฏิกิริยา ( Kinetic Study)

วัตถุประสงค์ หาข้อมูลและปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่ออัตราเร็ว ของปฏิกิริยาของระบบที่ศึกษา (ปฏิกิริยาของฟ รุคโตสในสารละลายเบสกับเมทธิลีนบลู) อุณหภูมิ, ความเข้มข้นของสาร, ตัวเร่งปฏิกิริยา, อัตราการแพร่ของสารตั้งต้น ทำนายกลไกของปฏิกิริยาในระบบได้ วัดและประมวลผลเพื่อหาอันดับของปฏิกิริยา และสมการกฏอัตราการเกิดปฏิกิริยา หาค่าพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาได้

ทฤษฏี Kinetics = การศึกษาถึงอัตราเร็วของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในหลาย ๆ สภาวะ ซึ่งการศึกษานี้จะช่วยให้นักเคมีสามารถควบคุมปฏิกิริยา และออกแบบกระบวนการทำปฏิกิริยาเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์จำนวนมากที่สุด A  B อัตราการเกิดปฏิกิริยาสามารถที่จะระบุได้จากการเปลี่ยนแปลงของสารเทียบกับ การเปลี่ยนแปลงของเวลา [A] or [B] vs t

Reaction rate To generalize, for the reaction aA + bB cC + dD Reactants (decrease) Products (increase) ในแต่ละปฏิกิริยาเคมีจะมีสมการอัตราเร็วเฉพาะที่ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้น reaction rate นั้นจะเป็นบวกเสมอ ความเข้มข้นนั้นจะต้องอยู่ในรูปของ mol/L ในขณะที่ เวลาอาจจะอยู่ในรูปของวินาที, นาที, ชั่วโมง แล้วแต่ความสะดวกของผู้ทำการทดลอง

Reaction Rate Experiments 1 and 2: when [NH4+] doubles, the initial rate doubles. Experiments 5 and 6: when [NO2-] doubles, the initial rate doubles.

Rate law ข้อควรระวัง This reaction is At Temperature T This reaction is First-order in [NH4+] and First-order in [NO2−] This reaction is second-order overall. ข้อควรระวัง Order ของ reaction หาได้จากการทดลองเท่านั้น ซึ่งไม่เท่ากับ Stoichiometry ของสาร ค่า k นั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ถ้า conditions ของการทดลอง เปลี่ยนไป

การทดลอง ตอนที่ 1 : ทำความรู้จักับปฏิกิริยาของระบบ Methylene Blue และ Fructose ตอนที่ 2 : ศึกษากลไกปฏิกิริยา ตอนที่ 3 : หาอันดับของปฏิกิริยา และสมการกฎอัตราของปฏิกิริยา ตอนที่ 4 : หาค่าพลังงานกระตุ้น

ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้อง 2e- H+ FH = Fructose F¯ = แอนไอออนจาก Rx ระหว่าง Fructose กับ NaOH OH = เบสแก่โซเดียมไฮดรอกไซด์ B = เมธิลลีนบลูสีน้ำเงิน , W = เมธิลลีนที่ไม่มีสี P = ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากฟรุคโตสภายหลังจากรีดิวซ์เมธิลลีนบลู O2(g) & O2(aq) = ออกซิเจนในอากาศและที่ละลายในน้ำตามลำดับ

ตอนที่ 1 หยด 0.2M Fructose 5 หยด + 0.5M NaOH 5 หยด + MB 3 หยด เขี่ยผสมให้เข้ากัน (จับเวลาทันทีเมื่อเริ่มหยด MB หยุดเวลาเมื่อสีน้ำเงินหายไป) สังเกตและบันทึกผล ปิดฝาขวด เขย่า 1 ครั้ง (จับเวลาจนเกิดสีน้ำเงินอีกครั้ง) สังเกตและบันทึกผล บริเวณรอยต่อระหว่างสลล.กับอากาศภายในขวด เขย่าขวดหลายๆ ครั้ง + สังเกตมีสีน้ำเงินเข้มขึ้นหรือไม่ แช่ขวดในน้ำอุ่น เปรียบเทียบการเกิดหรือหายไปของสีน้ำเงินเร็วหรือช้ากว่า โดยเทียบกับ T ห้อง แช่ในน้ำเย็น นำไปส่องไฟ

ตอนที่ 2: ศึกษากลไกปฏิกิริยา วิเคราะห์เปรียบเทียบอัตราการเกิดปฏิกิริยาต่างๆ ในตอนที่ 1 ว่าเกิดเร็วหรือช้า

ตอนที่ 3 : หาอันดับและสมการกฎอัตราของปฏิกิริยา ผสม 0.2M Fructose + 0.5M NaOH + H2O + MB (จำนวนหยดตามตาราง) แช่ขวดในถ้วยโฟมที่มีน้ำบรรจุอยู่ จับเวลาทันทีเมื่อเริ่มหยด MB หยุดเวลาเมื่อสีน้ำเงินหายไป สังเกตและบันทึกผล ทำการทดลองใหม่โดยเปลี่ยนความเข้มข้น (จำนวนหยด) ตามตาราง ก่อนเริ่มครั้งที่ 2 อาจเลือกทำการทดลองตอนที่ 4 ควบคู่ไปด้วย

ตารางความเข้มข้นสำหรับการทดลองตอนที่ 3

ตอนที่ 4 : หาค่าพลังงานกระตุ้น ทำการทดลองเช่นเดียวกับการทดลองตอนที่ 3 ครั้งที่ 1 แช่ขวดในถ้วยโฟมที่มีน้ำอุ่น จับเวลาทันทีเมื่อเริ่มหยด MB หยุดเวลาเมื่อสีน้ำเงินหายไป สังเกตและบันทึกผล ทำการทดลองใหม่ใช้ขวดเดิม แต่แช่ขวดในน้ำเย็นที่ 5 , 10oC *การทดลองที่อุณหภูมิห้อง สามารถใช้ผลการทดลองตอนที่ 3 ครั้งที่ 1 ได้เลย โดยไม่ต้องทำใหม่ *ทำตอนที่ 4 พร้อมๆ กับตอนที่ 3 (โดยเริ่มหลังจากทำตอนที่ 3 ครั้งที่ 1 เสร็จจะได้ไม่ต้องล้างขวด)

คำแนะนำ ใช้เทคนิคการหยดที่ดี เพื่อให้ปริมาตรในแต่ละหยดใกล้เคียงกันมากที่สุด ขั้นตอนที่มีการแช่ในน้ำอุ่นหรือน้ำเย็น สารละลายในขวดจะต้องจมอยู่ใต้ระดับน้ำเสมอ ค่าอันดับของปฏิกิริยาจะเป็นจำนวนเต็ม (ให้ผิดพลาดได้ไม่เกิน 15%) (ตอนที่ 3) สามารถออกแบบการทดลองเพิ่มเติมถ้าผลไม่ชัดเจน (ตอนที่ 3, 4) เพื่อความแม่นยำควรทำที่อุณหภูมิหลากหลาย เพื่อผลในการ fit ข้อมูลเชิงเส้น (ตอนที่ 4)

เทคนิคการหยดที่ดี

การหาอันดับและสมการกฎอัตราของปฏิกิริยา เลือก rate ของการทดลองครั้งที่ 1 และ 2 เพื่อหาค่า c

เลือก rate ของการทดลองครั้งที่ 1 และ 3 เพื่อหาค่า a เลือก rate ของการทดลองครั้งที่ 2 และ 4 เพื่อหาค่า b

การหาค่าพลังงานกระตุ้น Rate = k [FH]a [B]b[OH-]c ทำการทดลองที่ความเข้มข้นคงที่ แต่เปลี่ยน T  Rate  k k = Ae-Ea/RT สมการ Arrhenius ดูดความร้อน ln k = lnA – Ea/RT หรือ 2.30 log k = 2.30 log A – Ea/RT log k = log A – Ea/2.30RT Log k k คายความร้อน 1/T

อันดับของปฏิกิริยา a=b=c=1 อ้างอิง Rate = k [FH] [B][OH-] Blue bottle (chemical reaction) http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_bottle_(chemical_reaction)

System I CH2OH–CHOH–CHOH–CHOH–CHOH–CHO + 1/2 O2==> CH2OH–CHOH–CHOH–CHOH–CHOH–COOH   

System II ขั้นตอนใดได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมากที่สุด ?

System III เป็นการยืนยันว่า order of reaction นั่นไม่มีความสัมพันธ์ใด ๆ กับ Stoichiometry และหาได้จากการทดลองเท่านั้น