Joodconcentratie & reactiesnelheid

Inhoud:

• Inleiding
o Doel
o Hypothese
• Theoretische achtergrond
• Benodigdheden
• Werkwijze
• Meetresultaten
o Proef 1
o Proef 2
o Proef 3
o Proef 4
o Proef 5
 Reactievergelijkingen
 Berekeningen
 Extra opdrachten
• Conclusie

Inleiding:

Het doel van deze proef is onderzoeken hoe de reactiesnelheid afhangt van de jodide-concentratie als we een experiment uitvoeren met persulfaat en jodide. Wij denken dat, naarmate je de concentratie jodide vergroot, des te sneller de reactie zal verlopen.
Met de reactiesnelheid bedoelen we het aantal mol stof dat per seconde per liter reactiemengsel verdwijnt of ontstaat. Het gaat dus om de verandering per seconde.
De reactiesnelheid is afhankelijk van de temperatuur, concentratie, verdelingsgraad en het eventueel gebruiken van en katalysator.
We kunnen dit verklaren met behulp van het botsende deeltjesmodel.
Aangezien de reactiesnelheid afhankelijk is van de concentratie, kunnen we dus al stellen, dat met het veranderen van de concentratie, ook de reactiesnelheid zal veranderen.
Bij deze proef hebben we verschillende extra opdrachten gekregen, deze staan uitgewerkt onder het kopje meetresultaten.

Theoretische achtergrond:

Als we een oplossing van kaliumpersulfaat met een oplossing van kaliumjodide mengen, ontstaat er een reactie, die we zo kunnen aangeven.
S2O82- + 2I-  2SO42- + I2
Zoals je ziet, ontstaat er jood. Jood kunnen we aantonen met de indicator zetmeel. In de oplossing treedt er een omslag op van kleurloos naar blauw. Als we dus een zetmeeloplossing toevoegen, zal de oplossing gelijk blauw kleuren.
In dit experiment veranderen we telkens de concentratie jodide en voegen we telkens een grote overmaat aan persulfaat toe, zodat we de concentratie persulfaat als constant kunnen beschouwen.
We kunnen aan de oplossing ook een kleine bekende hoeveelheid natriumthiosulfaatoplossing toevoegen, het ontstane jood reageert hier dan mee.
Hierbij hoort de volgende reactievergelijking:
2S2O32-  S4O62- + 2 e
I2 + 2 e  2I-
+
2SO32- + I2  S4O62- + 2I-
Zoals je in de reactievergelijking kunt zien reageert het ontstane jood weg. Pas als er geen natriumthiosulfaat meer aanwezig is voor het jood om mee te reageren, bevinden zich in de oplossing langere tijd joodmoleculen. Deze komen in aanraking met de zetmeeloplossing en er ontstaat een blauwkleuring.
De tijd, die nodig is voor het ontstaan van de blauwkleuring is een aanwijzing voor de snelheid van de reactie van persulfaat met jodide.
We voeren deze reactie meerdere malen uit met verschillende concentraties aan jodide. Zo kunnen we meten hoe de reactiesnelheid afhangt van de concentratie.
Wel is het belangrijk dat we de hoeveelheid natriumthiosulfaatoplossing gelijk houden, anders heeft het onderzoek geen zin.

We kregen verschillende extra opdrachten om uit te werken. De opdrachten staan hieronder beschreven.
1. Bereken met behulp van de hoeveelheid S2O32- hoeveel I2 er tijdens het experimenten is ontstaan tot de blauwkleuring.
2. Bereken met behulp van de gegevens uit de tabel voor elk experiment de [I-]. (Let op: het eindvolume is telkens 85 ml) en de daarbij behorende reactiesnelheid in mol gevormd jood per liter per seconde.
3. Zet in een diagram de berekende reactiesnelheid (y-as) uit tegen de [I-] (x-as).
4. Leg uit dat uit het diagram volgt dat voor de reactiesnelheid (s) geldt:
s = constante x [I-] (y = a x x)

Benodigdheden:

Voor de proeven hadden we de volgende dingen nodig;
- 0,100 M kaliumpersulfaatoplossing
- 0,250 M kaliumjodideoplossing
- 0,010 M natriumthiosulfaatoplossing
- Zetmeeloplossing
- Bekerglas van 250 ml
- Verschillende maatbekers
- Stopwatch

Werkwijze:

We doen in het bekerglas telkens 2,0 ml zetmeeloplossing en 5,0 ml thiosulfaatoplossing. Hierna voegen we een aantal ml kaliumjodideoplossing en een aantal ml water toe. Dit water is nodig om de totale hoeveelheid in het bekerglas gelijk te houden. Deze hoeveelheden verschillen per proef.
In proef 1 voegen we 5,0 ml kaliumjodideoplossing toe en 13,0 ml water.
In proef 2 voegen we 7,5 ml kaliumjodideoplossing toe en 10,5 ml water.
In proef 3 voegen we 10,0 ml kaliumjodideoplossing toe en 8,0 ml water.
In proef 4 voegen we 15,0 ml kaliumjodideoplossing toe en 3,0 ml water.
In proef 5 voegen we 18,0 ml kaliumjodideoplossing toe en 0 ml water.
Hierna voegen we bij elke proef 60 ml kaliumpersulfaatoplossing toe en starten we de tijdmeting.
Het is belangrijk dat na elk experiment het bekerglas wordt omgespoeld, omdat resten van bepaalde oplossingen het experiment onzuiver maken.

Meetresultaten:

Tijdens het experiment gebeurt het volgende:
S2O82-(aq) + 2 I-(aq)  2 SO42- (aq) + I2 (aq). Omdat er jood ontstaat, zal de zetmeeloplossing blauw kleuren. Dit gebeurt echter niet meteen, omdat de ontstane I2 weg reageert met een hoeveelheid thiosulfaat. Pas als alle thiosulfaat weg is, blijft de I2 “bestaan” en zal de zetmeeloplossing blauw worden.

Proef 1:

We deden in het bekerglas;
- 5,0 ml thiosulfaatoplossing
- 2,0 ml zetmeeloplossing
- 5,0 ml kaliumjodideoplossing
- 13,0 ml water
Hierna 60 ml kaliumpersulfaatoplossing toevoegen en de tijdmeting starten.
Tijd tot blauwkleuring: 43 seconden

Proef 2:

We deden in het bekerglas;
- 5,0 ml thiosulfaatoplossing
- 2,0 ml zetmeeloplossing
- 7,5 ml kaliumjodideoplossing
- 10,5 ml water
Hierna 60 ml kaliumpersulfaatoplossing toevoegen en de tijdmeting starten.
Tijd tot blauwkleuring: 30 seconden

Proef 3:

We deden in het bekerglas;
- 5,0 ml thiosulfaatoplossing
- 2, 0 ml zetmeeloplossing
- 10,0 ml kaliumjodideoplossing
- 8,0 ml water
Hierna 60 ml kaliumpersulfaatoplossing toevoegen en de tijdmeting starten.
Tijd tot blauwkleuring: 19 seconden

Proef 4:

We deden in het bekerglas;
- 5,0 ml thiosulfaatoplossing
- 2,0 ml zetmeeloplossing
- 15,0 ml kaliumjodideoplossing
- 3,0 ml water
Hierna 60 ml kaliumpersulfaatoplossing toevoegen en de tijdmeting starten.
Tijd tot blauwkleuring: 12,5 seconden

Proef 5:

We deden in het bekerglas
- 5,0 ml thiosulfaatoplossing
- 2,0 ml zetmeeloplossing
- 18,0 ml kaliumjodideoplossing
- 0 ml water
Hierna 60 ml kaliumpersulfaatoplossing toevoegen en de tijdmeting starten.
Tijd tot blauwkleuring: 9,4 seconden

Opdracht 1:

Bereken met behulp van de hoeveelheid S2O32- hoeveel I2 er tijdens het experimenten is
ontstaan tot de blauwkleuring.
We gebruiken telkens 5 ml natriumthiosulfaatoplossing van 0,010 M.
In 5,0 ml is dus aanwezig; 5/1000 x 0,010 mol. Dit is 5 x 10-5 mol.
Uit de reactievergelijking kunnen we de verhouding waarmee natriumthiosulfaat met jood reageert afleiden.
De verhouding S2O32- : I2 is gelijk aan
2 : 1
Er ontstaat dus (5 x 10-5 mol) : 2 = 2,5 x 10-5 mol I2

Opdracht 2:

Bereken met behulp van de gegevens uit de tabel voor elk experiment de [I-]. (Let op: het eindvolume is telkens 85 ml) en de daarbij behorende reactiesnelheid in mol gevormd jood per liter per seconde.
In de eerste proef gebruikten we 5,0 ml kaliumjodide-oplossing van 0,250 M.
In de tweede proef gebruikten we 7,5 ml kaliumjodide-oplossing van 0,250 M.
In de derde proef gebruikten we 10,0 ml kaliumjodide-oplossing van 0,250 M.
In de vierde proef gebruikten 15,0 ml kaliumjodide-oplossing van 0,250 M.
In de vijfde proef gebruikten 18,0 ml kaliumjodide-oplossing van 0,250 M.
Deze kaliumjodide-oplossing bevat dus; 0,250 mol per liter.
In 5 ml is dus aanwezig; 5/1000 x 0,250 = 0,00125 mol.
In 7,5 ml is dus aanwezig; 7,5/1000 x 0,250 = 0,001875 mol
In 10,0 ml is dus aanwezig; 10/1000 x 0,250 = 0,0025 mol.
In 15,0 ml is dus aanwezig; 15/1000 x 0,250 = 0,00375 mol.
In 18,0 ml is dus aanwezig; 18/1000 x 0,250 = 0,0045 mol.
Het totale volume in het bekerglas bevat 85 ml.
In 1 liter oplossing bevat dus 1000/85 zoveel mol jodide.
De oplossing van proef 1 bevat dus:
0,00125 x (1000/85) = 0,0147 mol/l aan jodide, afgerond 1.5*10^2
De oplossing van proef 2 bevat dus:
0,001875 x (1000/85) = 0,0221 mol/l aan jodide, afgerond 2.2*10^2
De oplossing van proef 3 bevat dus:
0,0025 x (1000/85) = 0,0294 mol/l aan jodide, afgerond 3.0*10^2
De oplossing van proef 4 bevat dus:
0,00375 x (1000/85) = 0,0441 mol/l aan jodide, afgerond 4.4*10^2
De oplossing van proef 5 bevat dus:
0,0045 x (1000/85) = 0,0529 mol/l aan jodide, afgerond 5.3*10^2
In de eerste proef treedt de blauwkleuring na 43 seconden op.
In de tweede proef treedt de blauwkleuring na 30 seconden op.
In de derde proef treedt de blauwkleuring na 19 seconden op.
In de vierde proef treedt de blauwkleuring na 12,47 seconden op.
In de vijfde proef treedt de blauwkleuring na 9,44 seconden op.

In de eerste proef ontstaat er per seconde dus:
0,0147 : 43 = 3,4186 x 10-4 mol/l aan jodide, afgerond dus 3.4*10^-4
In de tweede proef ontstaat er per seconde dus:
0,0221 : 30 = 7,366 x 10-4 mol/l aan jodide, afgerond dus 7.4*10^-4
In de derde proef ontstaat er per seconde dus:
0,0294 : 19 = 0,00155 mol/l aan jodide, afgerond 1.6*10^-3
In de vierde proef ontstaat er per seconde dus:
0,0441 : 12,47 = 0,00354 mol/l aan jodide, afgerond 3.5*10^-3
In de vijfde proef ontstaat er per seconde dus:
0,0529 : 9,44 = 0,00560 mol/l aan jodide, afgerond 5.6*10^-3

Opdracht 3:

Zet in een diagram de berekende reactiesnelheid (y-as) uit tegen de [I-] (x-as). Hiervoor verwijzen we graag naar het bijgevoegde blaadje.
Eerst een tabel, zodat de grafiek makkelijker is om te tekenen:
Nummer experiment [I-] in mol/l Reactiesnelheid in sec/mol/l
1 0.0147 0.00034186
2 0.0221 0.0007366
3 0.0294 0.00155
4 0.0441 0.00354
5 0.0529 0.00560
De eerste grafiek die we hadden gemaakt leek op het eerste gezicht een parabool, maar dit was waarschijnlijk misleiding door een verkeerd gekozen schaalverdeling. Hierna hebben we een nieuwe gemaakt, en er nu wel een rechte lijn van gemaakt, anders zouden we vraag 4 niet kunnen beantwoorden.

Opdracht 4:

Leg uit dat uit het diagram volgt dat voor de reactiesnelheid (s) geldt:
s = constante x [I-] (y = a x x)
dit is gewoon af te lezen uit de grafiek, deze moet namelijk een lineaire lijn vormen. Helaas is door meetonnauwkeurigheden e.d. de lijn niet zo recht als het moeten zijn.
De lijn is recht omdat, als je de [I-]veranderd, de reactiesnelheid recht evenredig toeneemt, omdat er dan gewoon meer botsingskansen zijn. Twee paar moleculen hebben 2x zoveel kans op botsen dan 1 paar.

Conclusie:

Wij hadden al vermoed dat, naarmate de concentratie toenam, de reactiesnelheid zal toenemen. Onze hypothese bleek juist ze zijn, zoals heel goed te zien is in de grafiek van opgave 3. Dit is namelijk een parabool, een schoolvoorbeeld van een toenemende stijging. Dit komt helaas niet overeen met opgave 4, waar gevraagd word om een uitleg te geven bij een lineaire functie. Hierna is dus een nieuwe grafiek gemaakt, en deze was wel lineair, maar nog altijd stijgend, dus onze hypothese klopte ook nog steeds.