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注意、スピード！ 化学実験
化学科学には、さまざまな反応の速度とメカニズムを研究する特別な分野、つまり化学反応速度論があります。 化学理論は多くのことを説明できますが、反応速度を理論的に予測することはまだ不可能です。 研究室で実験的に研究され、この速度を変更する方法が開発されます。 業界にとって重要な反応の進行が遅すぎるものが多く、私たちはそれらを加速できる必要があります。 逆に、他の反応は有害であるため、抑制する必要があります。 つまり、化学反応速度論は実験科学です。 いくつかの簡単な実験を実行することで、その法則の妥当性を検証できます。 まず、同じ反応の速度が実際に、そしてかなり大きく変化する可能性があることを確認しましょう。 (ただし、これは化学的根拠ではなく人生経験に基づいて推測することができます。たとえば、温度が異なると同じ生化学反応が異なる速度で起こるため、寒い場所では暑い場所よりも食べ物が腐るのが遅くなります。) 確認するには、「」の章から実験を繰り返します。化学時計「しかし、今回は物質の濃度ではなく（これはすでによく知られています）、温度を変更します。両方の初期溶液（硫酸ナトリウムと硫酸を含むヨウ素酸カリウム）を氷水に注ぐと、時間が経過します。お湯を使った場合よりも青色が出るまでですが、熱湯ではデンプンと着色したヨウ素化合物が不安定なため、色が全く出ませんので注意してください。 経験から、濃度と温度が高いほど、反応はより速く起こることがわかりました。 しかし、一見するとルールの例外のように見える反応もあります。 ここに例を示します。 試験管に酢酸を1～2cmの高さまで注ぎ、その中に亜鉛を数片入れます。 亜鉛は、まず塩酸溶液に XNUMX 秒間浸し、水ですすぐことによって洗浄する必要があります。 酢酸は弱く、亜鉛は非常にゆっくりと溶解します - 水素の泡はほとんど放出されません。 反応を早めるにはどうすればよいでしょうか？ 溶液を加熱します。 右。 他の方法では不可能でしょうか？ これをやってみましょう。きれいな水を少しずつ試験管に加え、そのたびによく混ぜます。 泡を注意深く観察してください。 驚くべきことに、酸はすでに XNUMX 倍、XNUMX 倍に希釈されており、反応は遅くなるどころか、ますます速く進んでいます。 この実験をサークルクラスで行う場合は、亜鉛をマグネシウムの削りくずの小片に置き換え、何も処理しないでください。 マグネシウムは、亜鉛よりもさらに激しく希酢酸と反応します。 このルールの「例外」は、よく調べれば明らかになります。 酢酸に関する私たちの経験は次のように説明されます。 亜鉛またはマグネシウムが酸と反応する速度は、溶液中の水素イオンの濃度によって異なります。 これらのイオンは、酸が水に溶解すると形成されます。 しかし、水が不足すると、弱酢酸はほとんど解離していない分子の形で溶液中に存在します。 水で希釈すると、より多くの酢酸分子がイオンに分解され、反応がより速く進みます。 しかし、水を加えすぎると、別の理由で反応が再び遅くなります。強い希釈により、水素イオンの濃度が再び減少します。 15% 酢酸は亜鉛と最も早く反応します。 もちろん、私たちは単に化学変化がいかに異常であるかを示すためにこの実験を分析したわけではありません。 この点に注目していただきたいのですが、反応の速度を制御するには、反応がどのように進行するかを知る必要があります。 すべての反応は、物質の分子が互いに衝突することから始まります。 反応がどのように始まるかを見てみましょう。
長さ数十センチのあまり幅のないガラス管にプラグをXNUMX本選び、管の内側から小さなガラス棒を両方のプラグに差し込み、脱脂綿を巻き付けます。 一方を濃塩酸数滴で湿らせ、もう一方を濃アンモニア溶液で湿らせます。 脱脂綿を付けたプラグをチューブの両端に同時に挿入します。 数分後、チューブの長さに応じて、塩化アンモニウムNHの白いリングがその中に現れ、塩酸を含む脱脂綿に近づきます。4Cl。 通常、化学反応では、プロセスをスピードアップするために混合物を撹拌します。 私たちは意図的にこれを行わず、分子が出会うのを助けようともしませんでした。分子は勝手に動きました。 特定の環境における分子のこのような独立した動きは拡散と呼ばれます。 両方の物質の分子が綿ウールから蒸発するにつれて、空気分子と、また分子同士が毎秒数十億回衝突します。 分子の速度は非常に速いですが、その速度は毎秒数百メートルに達します。0°C、常圧では、自由行程、つまり分子が衝突から衝突まで移動できる距離はわずか約 0,0001 です。これらの物質の場合は mm です。 アンモニアと塩化水素 (塩酸から) が管内で非常にゆっくりと移動するのはそのためです。 臭気物質は、空気が静止している部屋にも同様にゆっくりと広がります。 しかし、なぜチューブの中央に白いリングが現れなかったのでしょうか? アンモニアの分子は小さいため、空気中をより速く移動します。 空気がチューブからポンプで排出されると、アンモニアと塩化水素の分子はほんの一瞬で出会い、分子の自由行程が大幅に増加します。 重力と温度が拡散にどのような影響を与えるかを独自に調査することをお勧めします。 これを行うには、チューブを垂直および斜めに置き、各部分（塩化アンモニウムが沈殿する場所を含む）も加熱します。 自分なりの結論を導き出してみてください。 気体から液体に移りましょう。 それらでは、拡散はさらに遅くなります。 これを実験的に確認してみましょう。 滑らかで清潔なガラス板に、XNUMX つの液体を並べて数滴滴下します。中央に水、その両側にソーダと塩酸の溶液です。 実験を開始する前に液体が接触しないようにしてください。 次に、非常に慎重に、かき混ぜないようにして、スティックで溶液を混ぜ合わせます。 二酸化炭素は放出されるはずですが、すぐには放出されません。 そして、ガスが放出され始めると、その気泡は酸とソーダの拡散領域を隔てる境界に沿って位置します。 ソーダと酸の代わりに、混合すると色がついたり沈殿物を生成する XNUMX つの水溶性物質を使用できます。 ただし、このような実験では、画像を歪める液体の流れを避けるのが難しいため、濃い溶液中で実験を行うことをお勧めします。 そして、ゼラチンでとろみをつけることもできます。 熱湯に入れて4％ゼラチン溶液を作ります（沸騰させないでください）。 熱い溶液を試験管に注ぎ、冷めたら、過マンガン酸カリウム、硫酸銅、またはその他の明るい色の水溶性物質の結晶をピンセットで試験管の中心に挿入します。 すぐにピンセットを慎重かつ迅速に取り外します。 数時間以内に、非常に美しい拡散パターンが観察されます。 溶質は同じ速度で全方向に広がり、色の付いた球体を形成します。 濃厚な溶液を使って別の実験を行うこともできます。 熱したゼラチン溶液をXNUMXつの試験管に注ぎ、一方には少量のアルカリ溶液を、もう一方にはフェノールフタレインを加えます。 試験管の内容物が固まったら、ピンセットを使ってフェノールフタレインの錠剤片を最初の試験管の中心に素早く挿入し、ソーダ灰の塊を XNUMX 番目の試験管の中心に挿入します。 どちらの場合も、深紅色が表示されます。 ただし、XNUMX 番目の試験管では、色の広がりがはるかに速いことに注意してください。 アルカリの解離によって生成される水酸化物イオンは、複雑な有機分子であるフェノールフタレインよりもはるかに小さくて軽いため、溶液中でより速く移動します。 今度は固体に移りましょう。 それらの間（または固体と液体または気体の間）の反応では、分子は表面でのみ衝突できます。 界面表面が大きいほど、反応はより速く起こります。 これを確認しましょう。 鉄は空気中では燃えません。 ただし、これは鉄の物体にのみ当てはまります。 例えば、爪は空気と接触する表面積が小さく、酸化反応が遅すぎます。 鉄やすりは酸素とはるかに速く反応します。寒さの中で錆びるのが早く、炎の中で発火する可能性があります。 最も小さな粒子は、まったく加熱せずに発火する可能性があります。 このような鉄は自然発火性鉄と呼ばれます。 最小のファイルでも計画することは不可能であるため、シュウ酸の塩であるシュウ酸鉄を分解するなど、化学的に得られます。 硫酸第一鉄などの第一鉄塩とシュウ酸またはその可溶性塩の水溶液を混合します。 シュウ酸鉄の黄色の沈殿物を濾過し、それを試験管の体積の XNUMX 分の XNUMX 以下に満たします。 試験管を水平またはわずかに傾けて穴を下にして手前に置き、バーナーの炎で物質を加熱します。 放出された水滴をろ紙または脱脂綿で取り除きます。 シュウ酸塩が分解して黒い粉末になったら、試験管に蓋をして冷やします。 試験管の内容物を少しずつ慎重に金属またはアスベストのシートの上に注ぎます。粉末が明るい火花を発して点滅します。 この体験は、暗い部屋で特に効果的です。 重要な警告: 発火性鉄は火災を引き起こす可能性があるため、保管しないでください。 実験の最後には、未燃焼の粒子が残らないように、必ず空気中で粉末を点火するか、酸で処理してください。自然発火する可能性があります。 次に、固体物質の表面サイズが液体との反応速度にどのような影響を与えるかを研究します。 同じチョークを XNUMX つ用意し、そのうちの XNUMX つを粉末に粉砕します。 両方のサンプルを試験管に入れ、同量の塩酸を満たします。 ご想像のとおり、細かく砕いたチョークははるかに早く溶けます。 別のチョークを硫酸の入った試験管に入れます。 始まったエネルギー的な反応はすぐに静まり、その後完全に停止します。 何から？ 結局のところ、硫酸は塩酸に劣りません... チョークが塩酸と反応すると、塩化カルシウムCaClが生成されます。2 これは水に容易に溶解し、チョーク表面への酸の新たな部分の流れを妨げません。 硫酸と反応させると硫酸カルシウムCaSOが得られます。4、しかし、水には非常に溶けにくく、チョークの表面に残り、チョークを覆います。 反応をさらに進めるためには、チョークの表面を時々掃除したり、あらかじめ粉状にしておく必要があります。 このようなプロセスの詳細を知ることは、化学技術にとって非常に重要です。 そしてもう一つの経験。 着色した反応生成物を生成する XNUMX つの固体物質 (硝酸鉛とヨウ化カリウム、硫酸鉄と赤血塩など) を乳鉢で混合し、混合物を乳棒で粉砕します。 粉砕すると、物質間の相互作用の表面が増加するため、混合物は徐々に色が付き始めます。 混合物に少量の水を注ぐと、すぐに濃い色が現れます。結局のところ、分子は溶液中でより簡単に動きます。 そして、反応速度論の実験の最後に、定量的な実験を実行します。 必要な道具はストップウォッチまたは秒針付きの時計だけです。 0,5 リットルの 3% 硫酸溶液 (酸を水に注ぎます!) と同量の 12% チオ硫酸ナトリウム溶液を準備します。 チオ硫酸塩を溶解する前に、水にアンモニアを数滴加えます。 レベル 100 で容量 50 ml の 25 つの円筒形フラスコ (グラス、ショット グラス) に印を付けます。 12,5; 37,5 ml と 50 ml で、高さを順次半分に分割します。 ボトルにラベルを貼り、調製した溶液を上部のマーク（XNUMX ml）まで注ぎます。 容量200または250 mlの普通の薄いガラスを濃い色の紙の上に置き、その中にチオ硫酸塩溶液を注ぎ、次に酸を注ぎます。 すぐに時間を記録し、混合物を XNUMX ～ XNUMX 秒間かき混ぜます。 ガラスを割らないようにするには、木の棒を使用することをお勧めします。 溶液が曇り始めたらすぐに、反応が始まってからの経過時間を記録します。 一緒に実験を行うと便利です。一方は時計を監視し、もう一方は溶液を排出して濁度について信号を送ります。 ガラスを洗い、実験をさらに 37,5 回実行します。 チオ硫酸塩溶液をグラスの 25 番目 (12,5)、100 番目 (XNUMX)、および XNUMX 番目 (XNUMX ml) のマークまで注ぎ、そのたびに水を上のマークまで加えます。 酸の量はすべての実験で一定のままであり、反応混合物の総量は常に XNUMX ml です。 ここで、反応速度がチオ硫酸塩の濃度にどのように依存するかを示すグラフを描いてください。 濃度を任意の単位 (1、2、3、4) で表すと便利です。これらを x 軸に配置します。 しかし、反応率はどのように計算すればよいのでしょうか? これは、曇る瞬間を目で、ある程度主観的に判断するだけであるため、正確に行うことはできません。 さらに、曇りは、反応中に放出される硫黄の最小粒子が認識できるサイズに達したことを示しているだけです。 それでも、これ以上良いものがないので、濁りの始まりを反応の終わりとみなすことにします (ちなみに、これは真実からそれほど遠くありません)。 もう 10 つ仮定してみましょう。反応の速度はその持続時間に反比例します。 反応に 0,1 秒かかった場合、速度は XNUMX であると仮定します。 速度を y 軸にプロットします。 XNUMX 回の実験で XNUMX つの点が得られ、XNUMX 番目は座標の原点でした。 XNUMX つの点はすべてほぼ同じ直線上に位置します。 その方程式は次のように書かれます。 v == k [ナ2S2O3] どこ v- は反応速度、角括弧は化学反応速度論で受け入れられる濃度指定、および k- グラフから簡単に見つけられる速度定数。 しかし、反応速度は硫酸の濃度にも依存するはずです。 チオ硫酸の量を一定にして硫酸を希釈し、反応速度がどのように変化するかを確認します。 不思議なことに、変わらないんです！ このようなケースは珍しいことではありません。 私たちの経験では、チオ硫酸塩と酸分子が直接衝突しても複雑な反応が起こり、その生成物である硫黄はすぐには放出されません。 一般に、すぐに生成物が得られる反応はそれほど多くありません。 複雑な連続反応で ある段階は他の段階よりもゆっくりと進みます。 私たちの場合は後者であり、硫黄が形成されます。 私たちが実際に測定したのは、まさにその速度でした。 著者：オルギンO.M.
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