研究濃度對反應時間的影響

濃度與反應速率的關係

無論你是引入碰撞理論還是更嚴格的反應順序,硫代硫酸鈉和鈉之間的反應2年代2O3.而鹽酸可以為研究這些主題提供一致、準確和吸引人的機會。

幾周前,我在尋找一種新的反應,可以用來研究注意力如何影響反應時間。過去,我一直在用傳統的反應,如鎂和鹽酸或蘇打水和鹽酸。雖然兩者都達到了他們的目的,但總會有一些小組沒有得到與我所知道的關係一致的數據。在大多數情況下,這是由於模糊和不一致的計時方法,或者僅僅是實驗錯誤,比如沒有確保鎂留在酸中而不浮到頂部。我想要一種反應,這種反應更有可能產生一致的結果,易於執行,而且更多一點令人興奮的而不是等著鎂和蘇打水消失。

最終,我遇到了一個1實驗研究了硫代硫酸鈉與鹽酸的反應。

2年代2O3.(aq) + HCl (aq)→2NaCl (aq) + S (S) + H2O(l)+所以2(g)

我最喜歡這個反應的是它給我的學生提供的簡單而一致的計時機製,它可以消除實驗室小組過去使用的計時方法的模糊性和差異。

方法如下:隨著反應進行的,其中一種產品是硫。隨著更多硫的產生,溶液變得越來越多的混濁,直到最終溶液是不透明的。因此,您無法再通過解決方案看到的那一刻,可以用作停止時間的一致方式。當我向學生們問我們的學生如何始終如一地決定解決方案是不透明的時候,其中許多人建議將某種物體放在燒杯的另一側,以便當物體不再可見時,我們都會停止計時器.這自然地進展到在燒杯本身上畫出某些東西的想法(在這種情況下底部的x)並施加相同​​的推理。

這種反應和實施這種自然可以在下麵的弗林視頻中看到2

盡管這隻是一個從可見到不透明的問題,但我注意到,等待X消失的期待幾乎讓我所有的學生都在他們的燒杯上焦急地等待計時器停止。甚至到了不同的組開始用他們的手機拍攝他們的燒杯反應的時間推移視頻的程度。你可以在下麵看到一個。作為一名教師,看著他們對如此簡單的事情如此興奮是一件很有趣的事。

雖然我使用這個實驗主要是研究碰撞理論和影響反應完成所需時間的不同因素,但它可以很容易地用來確定更複雜的東西,如反應順序().

我還發現,這個實驗室為我的學生提供了一個很好的機會,讓他們在創建實驗設置中發揮更大的作用,因為它並不複雜。我通過問我的學生一係列的問題來促進實驗的設計,這些問題的目的是讓他們感覺這是一場真正的對話,發生在那些對回答一個問題感興趣的科學家之間。如果你登錄了ChemEd X,我用來促進這個討論的ppt可以在本文底部的支持信息中找到,但總的主題是以下這些問題:

  • 自變量是什麼?我們應該如何改變這種狀況?
  • 每個燒杯的總體積應該相同還是不同?為什麼?
  • 因變量是什麼?
  • 有什麼變量是我們應該控製的嗎?
  • 我們應該如何把握我們的反應時間?
  • 我們應該如何記錄和組織我們的數據?
  • 我們如何用物質的量濃度來計算濃度呢?
  • 我們應該如何記錄和組織我們的數據?
  • 一旦我們擁有了這些數據,我們將如何處理它們?圖嗎?

我並沒有經常讓學生參與這類活動,重要的是我要不斷提醒自己,這些有益的經曆可以讓學生更準確地理解科學是如何運作的。伟德平台导航

無論你決定怎麼做,這個實驗的一般方法是這樣的:

1)用記號筆在每個燒杯的底部(外部)畫一個黑色的X。

2) 0.15 M Na的原液2年代2O3.使用不同量的蒸餾水製成5種不同濃度,盡管我們的自來水也很好。每個溶液的總體積應在每個燒杯中相同。

3)向第一個燒杯中加入5ml的2m鹽酸,以啟動反應。你可以先攪拌一下,讓HCl均勻分布。計時器在最初的旋轉之後開始計時。

4)當你低頭看著燒杯時,當你看到X完全從視線中消失時,停止計時。

5)為所有樣本執行此操作並開始分析您的數據

在每個人都完成了實驗並分析了他們的結果後,我激動地看到,每組的數據生成了一個圖表,顯示了我正在尋找的關係。沒有一個小組有一個奇怪的離群值,或一個圖表似乎是隨機的點到處!有些小組甚至密切注意到每個燒杯都有不同程度的“不透明”。這也為討論定性證據的好處提供了一個很好的機會。我將這些一致的結果歸因於兩個主要因素:

1)各組可以容易地重現的一致時序機製

2)幾乎不可能弄亂這種反應 - 你隻是把HCL倒入你的na2年代2O3.解決方案。將實驗錯誤的可能性最小化是非常重要的。


雖然在做實驗時,我並不總是力求各組之間的數據一致,但我知道,在試圖解釋為什麼他們的實驗顯示出了這種關係時,各組之間的爭論會有所不同。這是我最感興趣的論點,在學生完成他們的數據分析。

學生們的任務是使用索賠、證據、推理(CER)框架來發展他們的最初論點。盡管大多數董事會都有類似的主張,但他們在選擇提交的證據上往往有所不同。他們都能接觸到相同的證據,但不同的組織卻故意遺漏了某些證據——為什麼?他們的董事會分歧最大的地方在於他們的推理,這意味著讓他們根據已知的科學原理來證明他們的證據是有意義的。我應該提一下,在這個實驗室之前,學生們沒有被介紹過任何關於碰撞理論的內容,但他們中的許多人能夠提出一個基於粒子的有效解釋,而其他人要麼模棱兩可,缺乏細節,要麼隻是表現出某種形式的誤解。的重要組成部分,這是他們竭盡了全力,根據模型運行在他們的頭,來解釋這一現象,知道它是科學界(我們班)作為一個過濾器來解決從那些缺乏細節或者可以有效解釋不解釋的證據。這是我最喜歡做的過程。

實驗本身花了大約30分鍾,但因為我讓他們參與了實驗設置,並專門花時間構建提出、辯論和完善的論點,整個過程花了3個階段(每個小時)。

我要感謝弗林首先激發了這個實驗的想法以及NSTA的書3.提供我們曾經建立並理解調查的框架。

資源

1硫代硫酸鈉與鹽酸的反應速率.n.p.:弗林科學,n.d. Pdf

2“硫代硫酸鈉和鹽酸的反應率......”2012年12月20日,&.於2017年1月17日訪問。

3.“NSTA Science Store:化學中的論點驅動查詢:實驗室......”2014年10月1日,.於2017年1月17日訪問。

    集合:

    安全

    一般的安全

    實驗室工作:請參考ACS

    演示:請參閱美國化學學會化學教育處

    其他安全資源

    :識別危害;評估危害的風險;盡量減少危害的風險;準備緊急情況

    總會在

    分析9-12中的數據在K-8上構建並進行了更詳細的統計分析,對一致性的數據集進行比較,以及使用模型來生成和分析數據。

    簡介:

    分析9-12中的數據在K-8上構建並進行了更詳細的統計分析,對一致性的數據集進行比較,以及使用模型來生成和分析數據。使用工具,技術和/或模型(例如,計算,數學)分析數據,以便製作有效且可靠的科學權利要求或確定最佳設計解決方案。

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    在9-12年級提出問題和定義問題,從K-8年級的經驗和進展,形成、提煉和評估經驗可測試的問題,並使用模型和模擬設計問題。伟德平台导航

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    挑戰論證的前提,對數據集的解釋或設計的適用性的問題。

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    科學問題以各種方式出現。他們可以被對世界的好奇心所驅使(例如,為什麼天是藍色的?)它們可以受到模型或理論預測的啟發,也可以受到擴展或完善模型或理論的嚐試的啟發(例如,物質的粒子模型如何解釋液體的不可壓縮性?)也可能是由於需要為問題提供更好的解決方案。例如,為什麼在32英尺以上的高度不可能虹吸水的問題,促使埃萬傑利斯塔·托裏切利(17世紀氣壓表的發明者)發現了大氣和真空的識別。

    問題在工程學中也很重要。為了定義一個工程問題,工程師必須能夠提出探索性的問題。例如,他們可能會問:問題背後的需求或願望是什麼?一個成功的解決方案的標準(規範)是什麼?約束條件是什麼?在生成可能的解決方案時還會出現其他問題:這個解決方案滿足設計標準嗎?兩個或更多的想法能否結合起來產生更好的解決方案?

    9-12年級的解釋和設計解決方案建立在K-8年級的經驗和進步的基礎上,這些解釋和設計由多個獨立的、學生生成的、與科學思想、原則和理論相一致的證據來伟德平台导航源支持。

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    評估邊界:
    澄清:

    9-12的建模建立在K-8的基礎上,並發展到使用、合成和開發模型來預測和顯示自然和設計世界中係統及其組件之間的變量之間的關係。

    簡介:

    9-12的建模建立在K-8的基礎上,並發展到使用、合成和開發模型來預測和顯示自然和設計世界中係統及其組件之間的變量之間的關係。使用模型來預測係統之間或係統組件之間的關係。

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    9-12年級的解釋和設計解決方案建立在K-8年級的經驗和進步的基礎上,這些解釋和設計由多個獨立的、學生生成的、與科學思想、原則和理論相一致的證據來伟德平台导航源支持。

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    從9-12的證據中進行論證,建立在K-8經驗的基礎上,並使用適當和充分的證據和科學推理來捍衛和批評關於自然和設計世界伟德平台导航的主張和解釋。爭論也可能來自當前的科學或曆史科學事件。

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    從9-12的證據中進行論證,建立在K-8經驗的基礎上,並使用適當和充分的證據和科學推理來捍衛和批評關於自然和設計世界伟德平台导航的主張和解釋。爭論也可能來自當前的科學或曆史科學事件。
    評估目前公認的解釋或解決方案背後的主張、證據和推理,以確定論證的優點。

    評估邊界:
    澄清:

    根據K-8的經驗和進展,計劃和開展9-12年級的調查,包括為概念、數學、物理和經驗模型提供證據和測試的調查。伟德平台导航

    簡介:

    根據K-8的經驗和進展,計劃和開展9-12年級的調查,包括為概念、數學、物理和經驗模型提供證據和測試的調查。伟德平台导航計劃和進行調查,並協作地生產數據以作為證據的基礎,在設計中,在設計中,確定類型,數據所需的數據需求和準確性以及考慮對數據精度的限製(e.g., number of trials, cost, risk, time), and refine the design accordingly.

    評估邊界:
    澄清:

    展示理解的學生可以應用科學原則和證據,以提供關於改變反應顆粒的溫度或濃度對反應發生的速率的影響的解釋。

    *有關HS-PS1的所有DCI的更多信息,請訪問更多資源請訪問

    簡介:

    展示理解的學生可以應用科學原則和證據,以提供關於改變反應顆粒的溫度或濃度對反應發生的速率的影響的解釋。

    評估邊界:

    評估僅限於隻有兩個反應物的簡單反應;來自溫度、濃度和速率數據的證據;以及速率和溫度之間的定性關係。

    澄清:

    重點是學生推理,專注於分子之間碰撞的數量和能量。

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    評論11

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    特蕾西Schloemer|星期二,01/31/2017 - 10:14

    嗨本-

    這是可怕的。我發現這個實驗室也非常有用,感謝你分享了它在課堂上的運行情況。

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    本·米查姆|星期二,01/31/2017 - 19:57

    謝謝!很高興我遇到了它,並能夠反思/分享。

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    Kaleb安德伍德| Thu, 02/02/2017 - 06:33

    嗨,本,

    我非常喜歡閱讀你對這次活動的評論。在我的AP化學課上,我使用了這個反應的微尺度版本,並讓學生根據硫代硫酸鹽和鹽酸計算反應的順序。這是一個非常可靠的程序,學生們喜歡實驗室的原因你已經討論過。

    我通常不涉及動力學在我第一年課程,但今年我教學的時候我意識到動力學理論(碰撞理論、活化能、催化劑,減少速度與時間)很容易第一年學生牢固地掌握了顆粒性質的物質。謝謝你發帖告訴我你是如何和他們一起經曆這些的,我打算在我的化學反應單元中嚐試一下,現在它將包括基本的動力學理論。

    貝弗利吉勒爾內| Mon, 02/27/2017 - 20:08

    感謝您分享這個實驗室!我是一個新老師,真的很欣賞這樣好的資源。

    有一個問題:在我的教科書(化學,由Whitten, Davis, Peck, Stanley)中,積分速率定律使用ln [A]0- ln [A]=一個kt次方。所以在做課本問題的時候,我讓學生在計算中使用係數。但是,我注意到AP FRQ中沒有包含a(如2004B #3), a也沒有包含在給定的方程中。我對什麼是正確的方法和我應該如何教這個感到困惑。我希望你能澄清一下。

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    Kaleb安德伍德|星期三,03/01/2017 - 13:37

    你好貝弗利,

    我有一本惠頓的第十版(雖然我沒有用過)它確實用過"一個"對於配平方程的係數。這對我來說是新的,我以前從未見過。但是,如果您查看他們與其他源代碼相比如何設置集成,那麼這是有意義的。

    方法1:第一階反應A - >產品的反應速率定義為率= -d [a] / dt =k[一]。假設A的係數是1。

    方法2:Whitten文本定義了相同的東西,但使用了反應一個A - >產品作為模型。這導致速率=(1 /一個)( - d [a] / dt)。這會影響值k率=k[A]和包含一個在積分速率定律中。

    k(“速率常數”)隻是比例常數,它的值取決於你如何定義它。如果我們這樣說k正義與發展黨’如果你被要求計算“反應的速率常數”並且隻使用方法一,那麼你要解的是k.如果你考慮化學計量,你要解出k”

    考慮到不包括在內的可能性一個我假設化學家普遍認為“速率常數”是通過方法1得到的值。

    現在說說你們對AP化學練習的擔憂。

    據我所知,這個可能引起混淆的領域隻出現過兩次。一次是2008年3號,一次是2016年5號。在這兩種情況下,評分者接受其中一種值k.這兩門考試的評分指南如下:

    2008年評分準則

    2016年評分準則

    公式圖中所包含的公式,結合這兩個公式的先例,使我相信,除非提出更具體的問題,否則任何一種方法都將被接受。

    我希望這能有所幫助。

    Kaleb

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    約翰•摩爾|星期四,03/08/2018 - 09:27

    根據國際純粹與應用化學聯盟的定義,反應速率取決於化學計量。你可以在這裏找到定義:https://goldbook.iupac.org/html/R/R05156.html.因此,如果反應產物為aA—>,則速率定義為-(1/a)(d[a]/dt)。這影響了積分,因此積分速率定律,正如Kaleb所說。如果產物的化學計量比是A—>,那麼A不出現在積分速率定律中,而僅僅是因為A = 1。美聯社似乎考慮到了這兩種可能性,這在我看來是合理的。

    包含a的版本更一般,當a = 1時給出另一個版本。的區別是很重要的,當速率常數在發表的一篇論文中報道,因為如果化學計量係數不包括速率常數的值將被關閉的一個因素。然而,似乎少了很多重要的區別當學生正在學習這第一次。

    我想澄清的是,包含一個的版本是大多數做動力學研究的化學家會說的正確的版本。

    kaleb underwood的圖片
    Kaleb安德伍德| Thu, 03/08/2018 - 10:24

    約翰,

    謝謝你的回複和鏈接到金書!我很高興地知道,化學界確實對此有一個公開的、被接受的標準(而且我的斷言是錯誤的)。我同意這種區分對於初次入學的學生來說似乎不那麼重要,我很好奇這是否是AP考試發展委員會的理由,我打算去看看。

    Kaleb

    本·米查姆的照片
    本·米查姆|星期二,02/28/2017 - 23:30

    嘿,貝弗利,

    我不教AP,所以我不想提出一個“正確的方法”,但這是我基於自己有限的積分速率定律的想法。

    簡短的答案:我不認為係數(一個)是必要的。

    為什麼我認為一個不需要:我認為你的答案可以在差速定律和積分定律之間的區別中找到——至少它幫助我更好地理解它。資源

    微分速率定律將反應速率表示為一個或多個反應物濃度在一段特定時間內變化的函數,它們被用來描述在反應期間(以機理為中心)在分子水平上發生的事情。

    另一方麵,綜合速率定律將反應速率表示為初始濃度的函數和一個或多個反應物的測量(實際)濃度,在經過一段特定的時間後-它們用於確定速率常數和反應順序,從實驗數據。

    對我來說,這意味著,因為反應的順序是由實驗決定的,它們不像反應的平衡表達式那樣代表平衡方程的係數。換句話說,用於速率定律的表達式通常與反應方程無關,必須通過實驗確定(參考資料

    我希望這能有所幫助。這個網站上有幾個人很可能會提供一個更簡單的答案,所以如果這沒有幫助的話,我可以聯係其他人。如果沒有別的事,我必須溫習一下我有一段時間沒有接觸過的話題!

    德布拉玻璃曼|星期三,03/01/2017 - 09:30

    我檢查了我的化學品清單,發現我隻有水合物。你認為這行得通嗎?

    kaleb underwood的圖片
    Kaleb安德伍德| Wed, 03/01/2017 - 19:58

    它將工作。當你的溶液達到你想要的濃度時,一定要考慮到水的附加質量。

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    丹梅耶爾|星期三,03/07/2018 - 13:46

    本,

    英雄所見略同。我在大約一個半星期前就這個話題發過一個視頻。

    如果時間允許,我計劃在會議期間更深入地閱讀您的帖子。我不做多少造型或者雖然更多這可能會出現,因為我們改變了我們的化學1課程來遵守我們更新的國家科學標準。

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