Einführung in die Reaktionskinetik: Die Reaktion zwischen Magnesium und Salzsäure

Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration, Oberfläche und Temperatur.

Bernhard Heindl (LK Chemie, Prien am Chiemsee), Dr. Gabriel Hetz, Gymnasium Eckental, (20.7.99, 22.10.2000)



Ziel:

Aufzeigen des Einflußes unterschiedlich großer Eduktkonzentrationen und Oberflächen sowie der Temperatur auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen am Beispiel der Reaktion zwischen Magnesium und Salzsäure. Messung mit der Chembox.

 

Grundlagen:

Die Reaktion zwischen Magnesium und Salzsäure ist eine der Standardreaktionen in der Schule, um den Einfluß unterschiedlicher Faktoren auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen zu untersuchen. Dazu wird in Abhängigkeit von der Reaktionsdauer das Volumen des gebildeten Wasserstoffs mit einem Kolbenprober gemessen. Der Versuch hat für die Schüler den Vorteil, dass sie den Reaktionsablauf direkt visuell erfahren, ohne dass auf Sensoren zurückgegriffen werden muß, die eine nicht direkt beobachtbare Größe (wie z.B. den Leitwert) erfassen.

Problem: Die Chembox ist standardmäßig mit keinem geigneten Sensor ausgestattet, der eine Volumenmessung erlaubt. Der für die Phybox angebotene Positionssensor DDG7, der den zurückgelegten Weg des Kolbenproberstempels (und damit das Volumen des gebildeten Wasserstoffs) messen könnte ist sehr teuer (ca. 550,-- DM, aber evtl. von der Fachschaft Physik ausleihbar). Eine kostengünstigere Lösung ist die Gabellichtschranke mit Inkrementalrad (Nr. 11207.20, ca. 165,-- DM) der Fa. Phywe bzw. ein Low-Cost-Positionssensor, der im Rahmen einer Facharbeit am Ludwig-Thoma-Gymnasium Prien entwickelt wurde.

Die Bau-Anleitung für diesen Sensor finden Sie hier.

 

Chemikalien und Geräte:

Chemikalien

 

Chembox und Zubehör

  • Magnesiumband
  • Salzsäure (c = 0,4 mol/l)
 
  • Chembox CB2
  • Positionssensor
     

Stativmaterial

 

Glasgeräte

  • Stativfuß mit Stativstangen
  • 2 Doppelmuffen
  • 2 Universalklemmen
 
  • großes Rggl. mit seitlichem Ansatz und Stopfen
  • Meßzylinder 50 ml
  • Kolbenprober 100 ml
     

Sonstiges

   
  • Thermometer
  • Plastilin
  • Schlauchmaterial
  • 5V - Spannungsversorgung
   

 

Versuchsaufbau:

 

Vorbereitung Hardware:

Sensor anschließen an Chembox-Eingang:
Positionssensor   Sensor 6 (K6: Ereigniszähler)

 

Vorbereitung Software:

Messen    
Festlegen der Meßgrößen Einstellen Kanalbelegung:
Kanal Formel Größe Einheit Name
Rot K6 V l Volumen
Auswahl der verwendeten Sonden und Eichung   Chembox:
Anklicken Pool: Neu Kalibrierung  
Ereignis K6 Volumenmessung Kolbenprober auf 0 ml einstellen, dann Set1; Kolbenprober langsam auf 100 ml herausziehen, dann Set2. OK
Meßbereich einstellen   Kanalbelegung:
Eines der farbigen Kanal-Quadrate anklicken.
Es öffnet sich die Dialogbox "Meßbereich"
Meßgröße Meßbereich
Volumen 0,0 bis 100,0 E-3 l
Zeit 0,0 bis 500 s
     
Steuerleiste    
  Optionen Meßtakt: 50 ms
     

 

Vorbereitung Chemie:

  • 50 ml Salzsäure der Konz. c(HCl) = 0,4 mol/l (0,3 mol/l, 0,2 mol/l bzw. 0,15 mol/l) in das Reaktionsgefäß einfüllen und gegebenfalls thermostatieren.
  • 60 cm Magnesiumband (Breite ca. 3,0 mm) spiralförmig auf einen Bleistift aufrollen, dann abnehmen und mit einem Ende in die Platilinkugel (zur Beschwerung) drücken. Das aufgerollte Band etwas auseinander ziehen. Das Band darf aber nur soweit auseinadergezogen werden, dass es später noch vollständig von der HCl bedeckt wird.

 

Versuchsdurchführung:

Messen      
  Schreiber
Anklicken Auswahl
Y-Farbmarke Volumen
X-Farbmarke Zeit
Auswahl der x- und y-Achse
       
    Symbolleiste (rechts)
  • Linienbreite "dick" aktivieren
 

Die Plastilinkugel mit der Magnesiumspirale in das mit HCl gefüllte Rggl. fallen lassen, mit einem stopfen dicht verschließen und Chembox-Aufzeichnung starten.

Nachdem ca. 80 ml Wasserstoff entstanden sind wird die Messung beendet:

  • Schalter "AUS"

Anschließend können noch weitere Messungen mit anderen HCl-Konzentrationen durchgeführt werden. Dazu wird unter Chemex (Version 1.5) Messung1 mit einem Häkchen versehen. Dann Messung2 angeklickt und die 2. Messkurve aufgenommen, usw.

  • Messungen abspeichern

 

Qualitative Auswertung

Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Eduktkonzentration:
Die Auswertung erfolgt durch Vergleich der Volumenänderung in Abhängigkeit von der Konzentration der HCl.


Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Mg-Oberfläche:
Statt eines 60 cm langen Mg-Bandes wird ein 30 cm langes Stück verwendet.


Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur:
Messung mit Mg-Band (l = 60 cm) und c(HCl) = 0,2 mol/l bei 25°C und 12°C

 

Quantitative Auswertung

Aus dem aktuellen Volumen an gebildetem Wasserstoff Vt(H2) kann mit Hilfe des molaren Volumens bzw. unter Verwendung der allgemeinen Gasgleichung die Stoffmenge des gebildeten Wasserstoffs berechnet werden. Für die zum Zeitpunkt t noch vorhandene Stoffmenge an HCl gilt:
nt(HCl) = no(HCl) - 2 * nt(H2),
da: Mg + 2 HCl ---> H2 + MgCl2

Trägt man ln[nt(HCl)] gegen die Zeit t auf, so erhält man eine Gerade mit der Steigung kn (Geschwindigkeitskonstante Pseudo-1. Ordnung), die von der Mg-Oberfläche abhängt.


© Dr. G. Hetz, 1999, 2000