Výukové materiály
Název: Suivi d’une réaction par conductimétrie Autor: RNDr. Markéta Bludská Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie a její aplikace, matematika, fyzika Ročník: 6. (4. ročník vyššího gymnázia, bilingvní sekce) Tématický celek: Kinetika – sledování časového průběhu chemické reakce. Rychlost chemické reakce a faktory, které ji ovlivňují. Stručná anotace: Výukový materiál využívá konduktometrické měření pro sledování průběhu pomalé organické reakce (alkalické hydrolýzy esteru). Protože se v průběhu reakce mění koncentrace různých iontů přítomných v reakční směsi, lze pro plynulé zaznamenávání průběhu využít vodivostní sondy a konduktometry. Ze získaných hodnot vodivosti reakční směsi vypočítají žáci hodnoty látkového množství produktu v průběhu reakce a sestrojí graf průběhu chemické reakce v závislosti na čase. Z grafu budou žáci schopni odvodit vývoj rychlosti reakce a také vypočítat poločas této reakce.
Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech ‒ inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Výukové materiály Teorie: Reakční kinetiku pomalých reakcí lze studovat za využití metod chemických i fyzikálních. Konduktometrie, využívaná v tomto VM, je metodou fyzikální; její výhodou je, že lze měřit průběh kontinuálně odečtem hodnot vodivosti reakční směsi v průběhu reakce, přičemž frekvence odečtů může být libovolná, podle potřeby či požadované přesnosti měření. Z naměřených hodnot vodivosti reakční směsi v průběhu reakce, která je závislá na koncentraci všech přítomných iontů v daném okamžiku, lze setrojit graf časového průběhu reakce a z něj následně vypočítat poločas reakce či určit vývoj rychlosti reakce v průběhu času. Z grafu lze též vypočítat rychlost chemické reakce v mol∙L─1∙min─1 (či mol∙L─1∙h─1) v různých okamžicích chemické reakce. Klíčová slova: cinétique chimique, facteur cinétique, dosage non déstructif, avancement, tableau d’évolution, vitesse volumique de réaction, temps de demi-réaction, réaktion lente/rapide Metodický pokyn pro učitele pro práci s VM: Po rozdání pracovních listů necháme žáky pracovat s první částí – předlaboratorní úvahy. Žáci doplní dle svých znalostí rovnici reakce a navrhnou kinetický průběh této konkrétní reakce vzhledem k přítomným iontům. Svá očekávání doplní do pracovního listu. Žáci tak získají určitou představu o vývoji reakce a tedy i o očekávaných hodnotách měření, která budou dělat. Následné výsledky prováděných měření mohu proto žáci už přímo porovnávat se svým odhadem. Na základě naměřených hodnot vodivosti by měli být žáci schopni odvodit a vypočítat i konkrétní látkové množství produktu v průběhu reakce. Vzhledem k časové náročnosti pro vyhodnocení výsledků je vhodné nechat realizaci grafu a jeho vyhodnocení na dokončení doma. Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti…: Žáci by měli být schopni navrhnout a případně i uskutečnit další použitelné metody kinetiky pro studium průběhu této organické reakce : a) pH-metrické měření průběhu reakce za využití pH-metru a sondy pH, vzhledem k tomu, že jedním z reaktantů je hydroxylový anion; b) chemickou metodu sledování reakce pomocí odebírání vzorků reakční směsi v průběhu, u kterých lze po okamžité „trempe“ (zastavení reakce přidáním nadbytku studené vody) titrovat jeden z reaktantů. Ze získaných hodnot okamžité koncentrace sledované látky by měl být odvozen obdobný graf průběhu reakce jako při měření konduktometrickém. Pomůcky (seznam potřebného materiálu): Kádinka, pipeta, magnetická míchačka, míchadélko, konduktometr, vodivostní sonda, stojan na sondu, navažovací lodička, váhy, stopky. Hydroxid sodný, octan butylnatý.
Pracovní list pro žáka
Suivi d’une réaction par conductimétrie
TP n°:………
Nom:…………………………………………… Classe:………….
Date:…………….
Objectif: Mesurer la conductivité de la solution au cours de la réaction. Montrer la nécessité de disposer de différentes techniques de mesures. Décrire l’évolution des quantités de matière d’un système chimique. L’analyse quantitative.
I. Préliminaires : 1) Donner la formule semi-développée de l’éthanoate de butyle. À quelle famille appartientil ?
2) Donner l’équation de sa réaction totale avec l’hydroxyde de sodium. De quel type de réaction s’agit-il ?
La conductivité de l’ion éthanoate vaut λ1 = 4,09 mS.m².mol-1, celle des ions hydroxydes vaut λ2 = 19,9 mS.m².mol-1 (à 25°C pour des solutions très diluées). 3) Comment la conductivité de la solution va-t-elle évoluer? Comment fera-t-on les mesures : à intervalles de temps réguliers ou non ?
4) Suggérer une manière de ne pas attendre un temps infini pour mesurer la conductivité de la solution une fois la réaction terminée, sachant que les réactifs sont en proportion stoechiométriques.
II. Manipulation : 1) Verser dans un bécher 100 mL d’une solution de soude de concentration molaire 0,050 mol.L-1 et 100 mL d’eau distillée, puis le placer sur un agitateur magnétique (100 mL, pas 0,1 L !). 2) Etalonner le conductimètre avec la solution étalon, puis adapter la sonde du conductimètre à l’aide d’un support de manière à ce que le barreau magnétique ne risque pas de la toucher. 3) Mettre en marche l’agitateur magnétique et mesurer la conductance G0 avant le début de la réaction. Faire un schéma du montage. 4) Préparer le chronomètre, prélever précisément 0,674 mL d’acétate de butyle que l’on ajoute dans le bécher en déclenchant le chronomètre. 5) Compléter le tableau ci-dessous en mesurant la conductivité pendant 50 minutes au moins tout en préparant les questions de la partie III. Effectuer la mesure proposée en I 4) et consigner son résultat.
t (min:s) Ϭ (×10─1S∙m─1)
x (...............)
0
2
3
4
6
8
10
15
20
25
30
35
40
50
∞
III. Exploitation : 1) Montrer que les réactifs sont en proportions stoechiométriques :
2) Compléter le tableau d’avancement de la réaction. Équation de la réaction
+
→
+
Avancement (mol) Etat initial
0
Au cours de la transformation
x
Etat final
xm
3) Exprimer •
Ϭ 0 en fonction de λ HO- , λ Na+ , [HO-(aq)]t = 0 et [Na+(aq)]t = 0: Ϭ0 =
•
Ϭ ∞ en fonction de λ CH3COO- , λ Na+ , [CH3COO-(aq)]t = ∞ et [Na+(aq)]t = ∞ : Ϭ∞ =
•
Ϭ t en fonction de λ CH3COO- , λ HO- , λ Na+ , [HO-(aq)]t , [CH3COO-(aq)]t et [Na+(aq)]t
instant t :
Ϭt =
à un
4) a) Exprimer l’avancement de la réaction x en fonction de Ϭ, Ϭ 0 et Ϭ ∞ : x=
b) Compléter la dernière ligne du tableau de mesures. 5) Tracer la courbe x = f(t) et déterminer le temps de demi-réaction. La vitesse de réaction estelle constante ? Justifier.
