STEM ასისტენსი

საკვლევი კითხვა:

რა გავლენას ახდენს წყალბადის პეროქსიდის კონცენტრაცია იოდის საათის რეაქციის სიჩქარეზე და როგორ უნდა განვსაზღვროთ რეაქციის რიგი?

შესავალი:

ქიმიური კინეტიკა შეისწავლის ქიმიური რეაქციის სიჩქარესა და მექანიზმს. ქიმიური რეაქციის მექანიზმი აღწერს რეაქციის მიმდინარეობას დეტალურად თითოეულ სტადიაზე - რომელი ბმები იხლიჩება, რომელი ბმები წარმოიქმნება და ა.შ. ქიმიური რეაქციის სიჩქარე გვიჩვენებს თუ რამდენად სწრაფად მიმდინარეობს მოცემული რეაქცია. ქიმიური რეაქციის მიმდინარეობისას რეაგენტების კონცენტრაცია მცირდება, ხოლო პროდუქტების კონცენტრაცია იზრდება. შესაბამისად, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ქიმიური რეაქციის სიჩქარე იზომება კონცენტრაციის ცვლილებით დროში. ეს კარგად ჩანს იოდის საათის რეაქციაში, მისი ერთ-ერთი ვარიაციაა ე.წ „ძველი ნასაუს რეაქციას“ (Old Nassau Reaction), ორივე რეაქცია შეგიძლიათ იხილოთ მოცემულ ვიდეოებში:

იოდის საათის რეაქცია:

ძველი ნასაუს რეაქცია:

როგორც აღვნიშნეთ, ქიმიური კინეტიკა გვიჩვენებს რამდენად სწრაფად მიმდინარეობს რეაქცია. ქიმიური რეაქციების უმეტესობა იმდენად სწრაფია, რომ მისი გაზომვა საკმაოდ რთულია. იოდის საათის რეაქციის სიჩქარის გაზომვა მარტივადაა შესაძლებელია რეაქციის ფერის ცვლილების მონიტორინგით. მიუხედავად იმისა, რომ იოდის საათის რეაქციის მრავალი ვარიაცია არსებობს, ყოველ მათგანში გამოიყენება ორი ძირითადი ნივთიერება: იოდი (იოდიდის იონი, თავისუფალი იოდი ან იოდატის იონი) და მჟანგავი ან აღმდგენი რეაგენტი (რედოქს აგენტი), სახამებლის თანაობისას. მოცემულ პროექტში თქვენ გამოიყენებთ იოდის საათის რეაქციის „მწვანე“ ვერსიას.  

„მწვანე ქიმიის“ მიზანია ქიმიურ ექსპერიმენტებში ეკოლოგიურად სუფთა მეთოდებისა და რეაგენტების გამოყენება. ამ პროექტის ფარგლებში თქვენ გაითვალისწინებთ  „მწვანე ქიმიის“ თორმეტი პრინციპიდან ერთ-ერთს და სახიფათო და ტოქსიკურ ქიმიურ ნივთიერებების ნაცვლად გამოიყენებთ ბევრად უფრო უსაფრთხო ნივთიერებებს, რითაც თავიდან აიცილებთ ტოქსიკური ნარჩენების წარმოქმნასა და გარემოს დაბინძურებას.

საწყის რეაგენტებად გამოიყენებთ იოდის ხსნარს (იოდისა და ნატრიუმის იოდიდის ნარევი), ვიტამინი C-ს (ასკორბინის მჟავა), წყალბადის ზეჟანგს, გამოხდილი წყალსა და სახამებელს. თუმცა მაინც გმართებთ დაიცვათ უსაფრთხოების ზომები, ვინაიდან მოცემულ ნივთიერებათაგან რომელიმემ შეიძლება გამოიწვიოს კანზე მოხვედრისას მისი გაღიზიანება! ამიტომ სასურველია ლაბორატორიული ხალათისა და ხელთათმანის გამოყენება. (იოდის საათის სხვა ვარიაციებში გამოიყენება ძლიერი მჟავები (მარილმჟავა ან გოგირდმჟავა), ნატრიუმის თიოსულფატი, პერსულფატი ან ქლორატი, კალიუმის იოდატი. ზემოაღნიშნული ძველი ნასაუს რეაქციაში კი იყენებენ ვერცხლისწყლის (II) ქლორიდსაც კი, რომელიც ძალიან ტოქსიკურია!)

იოდის საათის რეაქციის მექანიზმი სხვადასხვა ვარიაციისთვის განსხვავებულია. თუმცა, ყველა რეაქცია ეყრდნობა ტრიიოდიდ - სახამებლის კომპლექსის წარმოქმნას. ეს რეაქციებია:

რეაქცია 1:

H₂O₂ + 3I^- + 2H⁺ à I₃^- + 2H₂O

მოცემულ რეაქციაში წყალბადის პეროქსიდი რეაგირებს იოდიდის იონებთან შემჟავებულ ხსნარში და წარმოიქმნება ტრიიოდიდი და წყალი.

ტრიოდიდი რეაქციაში შედის C ვიტამინთან (ასკორბინის მჟავა), დარჩენილი ტრიიოდიდი კი შემდგომში რეაგირებს სახამებელთან მუქი ლურჯი ტრიიოდიდ-სახამებლის კომპლექსის წარმოქმნით.

რეაქცია 2:

I₃^-  + C₆H₈O₆ à 2 H⁺ + 3 I^- + C₆H₆O₆

მოცემული რეაქცია მიმდინარეობს ძალიან სწრაფად. მიუხედევად იმისა, რომ სახამებელი სარეაქციო ნარევშია, მასთან მანამ არ ურთიერთქმედებს ტრიიოდიდი სანამ C ვიტამინი სრულად არ გარდაიქმნება დეჰიდროასკორბინის მჟავად. მხოლოდ ამის შემდეგ შეუძლია ტრიიოდიდს ურთიერთქმედება სახამებელთან.

რეაქცია 3:

I₃^- + სახამებელი → I₃^- - სახამებლის კომპლექსი

მოცემულ რეაქციაში სახამებელი რეაგირებს ტრიიოდიდთან და წარმოქმნის ლურჯი ფერის ტრიიოდიდ-სახამებლის კომპლექსს.

მოცემული რეაქციებიდან ჩანს, რომ რაც უფრო სწრაფად წარიმართება მე - 2 რეაქცია, მით უფრო სწრაფად წარმოიქმნება დეჰიდროასკორბინის მჟავა და  ასევე სწრაფად შევა  თავისუფალი ტრიიოდიდი რეაქციაში სახამებელთან. საინტერესოა, როგორია პირველი რეაქციის სიჩქარე? რეაქციის სიჩქარის საზომი პირველ რეაქციაში არის ის, თუ როგორ იცვლება წყალბადის პეროქსიდის კონცენტრაცია დროის ერთეულში, რაც შეიძლება გამოისახოს ფორმულით:

რეაქციის სიჩქარე დამოკიდებულია რეაგენტების კონცენტრაციაზე. მაგალითად, პირველ რეაქციაში წყალბადის პეროქსიდის კონცენტრაციის გაზრდა გამოიწვევს რეაქციის სიჩქარის გაზრდას. იოდიდისა და მჟავას კონცენტრაციები კი იგივე რჩება, ამიტომ შეგვიძლია ვთქვათ, რომ რეაქციის სიჩქარე დამოკიდებულია მხოლოდ წყალბადის პეროქსიდის  კონცენტრაციის ცვლილებებზე. ასეთ რეაქციას ეწოდება პირველი რიგის რეაქცია და ფორმულა ჩაიწერება შემდეგნაირად:

რეაქციის სიჩქარე=k [H₂O₂]^x

სადაც,
K - ქიმიური რეაქციის სიჩქარის მუდმივაა, 1/წმ
H₂O₂ - წყალბადის პეროქსიდის კონცენტრაცია, მოლი/ლ
x -  რეაქციის რიგი

ის ფაქტი, რომ რეაქცია არის პირველი რიგის წყალბადის პეროქსიდის მიმართ აადვილებს მოცემული რეაქციის კინეტიკის შესწავლას, რადგან რეაქციის სიჩქარე დამოკიდებულია მხოლოდ წყალბადის პეროქსიდის კონცენტრაციაზე, რომელსაც თქვენ თვითონ ირჩევთ რეაქციის დასაწყისში. წყალბადის პეროქსიდის კონცენტრაციის შეცვლით ადვილად დაინახავთ, სარეაქციო ნარევის გალურჯების დროის ცვლილებას წამზომის გამოყენებით.

ეს არ არის ერთადერთი გზა იოდის საათის რეაქციის კინეტიკის შესასწავლად! რეაქციის მექანიზმების დეტალური შესწავლა ასევე შესაძლებელია სხვა რეაგენტების გამოყენებით, ასევე შეიძლება მსგავსი რეაქციის გამოყენებით ადვილად შევისწავლოთ ტემპერატურის გავლენა რეაქციის სიჩქარეზე.

პროექტში გამოყენებული რესურსები:

1000 მგ-იანი C ვიტამინის აბები; ხელმისაწვდომია აფთიაქებში. არასასურველია საღეჭი აბების გამოყენება.	იოდის ხსნარი (2%); ხელმისაწვდომია აფთიაქებში. ალტერნატიულ ვარიანტად შეიძლება გამოყენებულ იქნას 10%-იანი პროვიდონ-იოდის ხსნარი.	სიმინდის სახამებელი	გამოხდილი ან სუფთა წყალი;
წყალბადის ზეჟანგი (3%); ხელმისაწვდომია აფთიაქებში	მენზურა	პიპეტი	წამზომი
ელექტრო ქურა	მარკერი	თეთრი ფურცელი	კოვზი
ქიმიური ჭიქა x 24 ცალი

უსაფრთხოება:

რეკომენდებულია ლაბორატორიული ხალათის გამოყენება. სასურველია გამოიყენოთ ხელთათმანი სარეცხ საშუალებებთან. გამოიჩინეთ სიფრთხილე გამათბობელთან.

ექსპერიმენტის პროცედურა:

ექსპერიმენტის დაწყებამდე შეგიძლიათ იხილოთ ვიდეო გაიდი, რომელიც დეტალურად ასახავს მოცემული ექსპერიმენტის ყველა საფეხურს.

C  ვიტამინის ხსნარის მომზადება

1. ერთ-ერთ ქიმიურ ჭიქას მიაწერეთ მარკერით „C ვიტამინის ხსნარი“.
2. მზომი ცილინდრის გამოყენებით აიღეთ 100 მლ გამოხდილი წყალი და ჩაასხით ეტიკეტირებულ ჭიქაში.
3. თეთრ ფურცელზე მოათავსეთ ერთი აბი 1000 მგ-იანი C ვიტამინი, გადაკეცეთ ფურცელი და დაფშვენით.
4. C ვიტამინის დაქუცმაცებული მასა გადაიტანეთ ეტიკეტირებულ ჭიქაში და მოურიეთ.
5. მიღებული C ვიტამინის ხსნარი გააცხელეთ სრულ გახსნამდე.

სახამებლის ხსნარის მომზადება.

1. ქიმიურ ჭიქას მიაწერეთ „სახამებლის ხსნარი“.
2. მზომი ცილინდრის გამოყენებით აიღეთ 100 მლ გამოხდილი წყალი და ჩაასხით ეტიკეტირებულ ჭიქაში.
3. დაუმატეთ 1/4 ჩაის კოვზი სიმინდის სახამებელი და კარგად მოურიეთ.
4. სახამებლის ხსნარი გააცხელეთ (ადუღებამდე!) 1 წუთის განმავლობაში. სიმინდის სახამებელი ბოლომდე არ გაიხსნება, ხსნარი შეიძლება ჩანდეს ბუნდოვანი.

იოდის საათის რეაქცია:

1. C ვიტამინის, იოდის, სახამებლის ხსნარისა და გამოხდილი წყალის რაოდენობები მოცემულია ცხრილში 1. თითოეული ხსნარისთვის გამოიყენეთ ახალი პიპეტი, ეცადეთ ზუსტად აიღოთ მოცემული რაოდენობები.

ცხრილი 1. რეაგენტების რაოდენობები

2. ქიმიურ ჭიქაში ჩაასხით C ვიტამინის ხსნარი და დაუმატეთ იოდის ხსნარი. მოურიეთ გაუფერულებამდე.
3. მიღებულ ხსნარს დაუმატეთ სახამებლის ხსნარი და წყალი. საბოლოო ხსნარი უნდა იყოს ისეთივე უფერული, როგორც ნაჩვენებია სურათზე

2. შენიშვნა: თუ გამოიყენებთ 10%-იან პროვიდონ - იოდის ხსნარს, 2%-იანი იოდის ხსნარის ნაცვლად, მაშინ სარეაქციო ნარევს დაუმატეთ 2 მლ 10%-იანი პროვიდონ-იოდის ხსნარი. დანარჩენი რეაგენტების რაოდენობა იგივე დარჩება.
3. ქიმიური ჭიქა მოათავსეთ თეთრ ფურცელზე, რათა ფერის ცვლილება უფრო ადვილად შეამჩნიოთ.
4. წყალბადის პეროქსიდი ყველა ჭიქაში დაამატეთ ერთდროულად და დამატებისთანავე ჩართეთ წამზომი. დაელოდეთ ფერის შეცვლას. ჩაინიშნეთ დრო, როგორც კი შეამჩნევთ მოლურჯო შეფერილობას. (შენიშვნა: თუ იყენებთ 10%-იან პროვიდონ-იოდის ხსნარს 2%-იანი იოდის ნაყენის ნაცვლად, ნარევი ჯერ ყვითელი/ნარინჯისფერი გახდება, შემდეგ კი მუქი ლურჯი. შეეცადეთ კარგად მოურიოთ სარეაქციო ნარევს. გაითვალისწინეთ, მეტი დრო სჭირდება ფერის შეცვლას პროვიდონ-იოდის ხსნარს გამოყენებისას. დაელოდეთ დაახლოებით 15 წუთის განმავლობაში).

გაიმეორეთ ეტაპები 1-6 წყალბადის პეროქსიდის  იგივე კონცენტრაციით სამჯერ, რათა დარწმუნდეთ თქვენი შედეგების ვალიდურობაში. სარეაქციო ხსნარის ტემპერატურა უნდა იყოს ერთი და იგივე, რათა გავლენა არ მოახდინოს რეაქციის სიჩქარეზე.

შემდეგ გაიმეორეთ ეტაპები 1-6 წყალბადის პეროქსიდის სხვა კონცენტრაციებისთვის (იხ.ცხრილი 1) და ასევე გაიმეორეთ სამჯერ.

მონაცემები შეიტანეთ ცხრილში:

ააგეთ წყალბადის პეროქსიდის მოცულობის დროზე დამოკიდებულების გრაფიკი, სადაც x ღერძზე გადაზომილი იქნება წყალბადის პეროქსიდის რაოდენობა მლ-ებში, ხოლო y ღერძზე დრო. რეაქციის დასრულების დრო გვიჩვენებს რეაქციის სიჩქარეს,

გაითვალისწინეთ  მრუდის ფორმა დამოკიდებულია "x"-ზე, წყალბადის ზეჟანგის რეაქციის რიგითობაზე.

თუ x = 1, მრუდი იქნება სწორხაზოვანი. (წყალბადის პეროქსიდის რაოდენობის გაორმაგება გააორმაგებს რეაქციის სიჩქარეს).

თუ x = 2, მრუდი არის პარაბოლა (ეს იმას ნიშნავს, რომ წყალბადის პეროქსიდის რაოდენობის გაორმაგება რეაქციას სიჩქარეს გაზრდის 4-ჯერ).

თქვენ შედეგებზე დაყრდნობით, დაადგინეთ როგორია რეაქციის რიგი წყალბადის პეროქსიდის მიმართ?

პროექტის ვარიაციები:

• რა გავლენას მოახდენს სხვა რეაგენტების კონცენტრაციის ცვლილება რეაქციის სიჩქარეზე?
• რა გავლენას ახდენს ტემპერატურის ცვლილება რეაქციის სიჩქარეზე?