How do you prepare diluted solutions of sodium thiosulfate for the concentration dependence experiment?

Use a volumetric pipette to measure the required volume of 0.2 M sodium thiosulfate stock solution and dispense it into a volumetric flask. Fill the flask with deionized water to the mark, seal with plastic paraffin film, and invert several times to thoroughly mix. This dilution procedure ensures accurate target concentrations ranging from 0.05 M to 0.2 M for each trial.

Why is measuring the time to solution opacity used to track reaction progress?

The reaction produces solid sulfur that creates visible cloudiness in the initially clear, colorless solution. Since each trial uses the same test tube and total volume, it takes the same amount of sulfur to make the solution completely opaque. By timing when the X mark disappears, you measure how fast sulfur is produced, which directly reflects the reaction rate.

What does the relationship between sodium thiosulfate concentration and reaction time reveal about reaction order?

When sodium thiosulfate concentration doubles, the time to opacity is halved, indicating the reaction rate doubles proportionally. When concentration increases by a factor of four, the reaction rate also increases by a factor of four. This one-to-one relationship demonstrates that the reaction is first order with respect to sodium thiosulfate.

How does HCl concentration affect the rate of the sulfur precipitation reaction?

Reaction times remain nearly identical across trials with different HCl concentrations, from 1.5 M to 6.0 M. This lack of variation indicates that HCl concentration has no effect on the reaction rate, meaning the reaction is zeroth order with respect to HCl. The rate depends only on sodium thiosulfate concentration.

What precautions are necessary when handling the reactants and products in this experiment?

HCl is toxic and highly corrosive, requiring a lab coat, splash-proof safety glasses, and nitrile gloves. Sulfur dioxide, a gaseous product, is also toxic and must be allowed to escape harmlessly by leaving reaction waste in the fume hood overnight. Always work in a fume hood and neutralize waste with baking soda before disposal.

Why are benchmark trials performed before varying reactant concentrations?

Benchmark trials ensure that reactions occur at consistent room temperature and establish reproducible baseline measurements. Two benchmark trials must be within 3-5 seconds of each other to confirm experimental reliability. This consistency validates that subsequent variations in concentration, not temperature fluctuations, cause observed changes in reaction time.

How do you calculate the overall reaction order from individual reactant orders?

Add the reaction orders of all reactants to determine the overall reaction order. Since sodium thiosulfate is first order and HCl is zeroth order, the overall reaction order is one. This sum represents the total dependence of the reaction rate on all reactant concentrations combined.

Dependencia de la concentración

Conceptos Preparación del instructor Protocolo del estudiante

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La medida de la rapidez con la que se produce una reacción se denomina velocidad de reacción. Para una reacción de un solo paso, la velocidad es igual al cambio en la concentración de cada reactivo o producto a lo largo del tiempo multiplicado por el inverso del coeficiente estequiométrico correspondiente. Puedes pensar en el cambio en la concentración a lo largo del tiempo como la concentración en el tiempo t menos la concentración inicial dividida por t. Las velocidades de reacción son siempre positivas, por lo que las expresiones reactivas tienen signos negativos. Es posible que estas tasas no sean iguales en reacciones de varios pasos, pero aún podemos usar esta relación como una estimación de la reacción general.

La ley de tasas, o ecuación de tasas, describe la relación entre la velocidad de la reacción y las concentraciones de reactivos. En esta ecuación, k es la constante de velocidad, A y B son los dos reactivos, y m y n son sus respectivos órdenes de reacción. El orden de reacción describe la relación entre la concentración de un reactivo y la velocidad y no está relacionado con la estequiometría. Es vital recordar que el orden de reacción no es el mismo que el coeficiente del reactivo en la ecuación equilibrada.

Cuando una reacción involucra dos o más reactivos, debemos considerar el orden de reacción para cada reactivo. El orden de reacción general es igual a la suma de los órdenes de reacción de los reactivos. Por ejemplo, si el reactivo A es de primer orden y el reactivo B es de orden cero, el orden de reacción general es uno. Los órdenes de reacción más comunes en las reacciones simples son de orden cero, primer orden y segundo orden. Vamos a repasarlos usando una reacción unimolecular como ejemplo.

Si la reacción es de orden cero, la concentración del reactivo no tiene ningún efecto sobre la velocidad de reacción. Por lo tanto, la velocidad de reacción es igual a k, la constante de la velocidad. Un gráfico de la velocidad de reacción con respecto a la concentración es una línea horizontal.

En las relaciones de primer orden, la concentración de reactivo está relacionada linealmente con la velocidad de reacción. Por lo tanto, la tasa es igual a la constante de velocidad por la concentración del reactivo. Un gráfico de la velocidad de reacción con respecto a la concentración será lineal, con k como pendiente.

Si la reacción es de segundo orden, existe una relación cuadrática entre la concentración y la velocidad. Por lo tanto, la tasa es igual a la constante de tasa por la concentración al cuadrado. Un gráfico de la tasa con respecto a la concentración será parabólico, con k como pendiente.

La constante de velocidad, k, es un valor dependiente de la temperatura que relaciona la energía de activación de la reacción con la velocidad de reacción. Explorará esto en el próximo experimento de laboratorio.

Las velocidades de reacción generalmente se dan en moles por litro por segundo. La velocidad tiene las mismas unidades, independientemente del orden de reacción. Por lo tanto, la constante de velocidad tiene diferentes unidades, dependiendo del orden de reacción. Por ejemplo, si A es de primer orden y B es de orden cero, entonces tenemos un ejemplo de moles por litro en la ecuación de tasa. Por lo tanto, la constante de velocidad debe estar en segundos inversos.

Entonces, ¿cómo determinamos el orden de reacción? El orden de reacción debe determinarse experimentalmente mediante una serie de pruebas. Si tiene dos reactivos, un método es mantener constante la concentración de un reactivo, variar el otro y cronometrar el tiempo que se tarda en producir una cierta cantidad de producto. El mismo proceso se repite para el segundo reactivo. A continuación, puede estimar el orden de cada reactivo trazando la velocidad en función de la concentración variable de los reactivos y viendo si parece un gráfico de cero, primer o segundo orden. Hacer coincidir tus datos con la ecuación de tasa correspondiente también te permitirá calcular k.

En este laboratorio, determinará los órdenes de reacción de dos reactivos variando sus concentraciones y cronometrando el tiempo que tarda la reacción en progresar hasta volverse opaca la solución.

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Fuente: Smaa Koraym de la Universidad Johns Hopkins, MD, EE.UU.

Dependencia de ConcentraciónExpandir
En este experimento, combinará concentraciones variables de HCl acuoso y tiosulfato de sodio para producir azufre sólido, que se acumula rápidamente en partículas amarillas opacas a una cierta concentración de azufre. Dado que la solución de reacción comienza clara e incolora, puede saber fácilmente cuándo alcanza esa concentración.

Usarás el mismo tubo de ensayo y el mismo volumen total cada vez, por lo que se necesitará la misma cantidad de azufre para que cada solución sea completamente opaca. Por lo tanto, medirá el progreso de la reacción cronometrando el tiempo que tarda. A continuación, utilizará esos datos para estimar los órdenes de reacción de los reactivos individuales y de la reacción general.

Antes de comenzar el laboratorio, haga una tabla que enumere las concentraciones de reactivos, el tiempo hasta la opacidad de la solución y la temperatura de la solución para los ensayos.

Tabla 1: Progreso de la reacción

juicio [na₂s₂o₃] (m) [HCl] (M) Tiempo (s) Temperatura (°C)
1 0.1 M 3.0 M
2 0.1 M 3.0 M
3 0.2 M 3.0 M
4 0.15 M 3.0 M
5 0.05 M 3.0 M
6 0.1 M 6.0 M
7 0.1 M 4.5 M
8 0.1 M 1.5 M

Haga clic aquí para descargar la Tabla 1

Queremos asegurarnos de que todas las reacciones tengan lugar a temperatura ambiente. Realizará dos ensayos de referencia, tres ensayos con diferentes concentraciones de tiosulfato de sodio y tres ensayos con diferentes concentraciones de HCl. Variará las concentraciones diluyendo soluciones madre de tiosulfato de sodio y HCl, como se muestra en las siguientes tablas.

Tabla 2: Diluciones de tiosulfato de sodio

Concentración objetivo Volumen de tiosulfato de sodio 0.2 M Volumen de agua desionizada
0.05 M 5 mL 15 mL
0.10 M 10 mL 10 mL
0.15 M 15 mL 5 mL
0.20 M 20 mL 0 mL

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Tabla 3: Diluciones de HCl

Concentración objetivo Volumen de HCl de 6.0 m Volumen de agua desionizada
1.5 M 2.5 mL 7.5 mL
3.0 M 5.0 mL 5.0 mL
4.5 M 7.5 mL 2.5 mL
6.0 M 10 mL 0 mL

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Recuerde tener cuidado al manipular HCl, que es tóxico y altamente corrosivo. El dióxido de azufre, que es un producto gaseoso de esta reacción, también es tóxico. Dejará los residuos de reacción en la campana extractora durante la noche para que el dióxido de azufre escape sin causar daño.
- Primero, ponte una bata de laboratorio, gafas de seguridad a prueba de salpicaduras y guantes de nitrilo.
- Llene una botella de lavado de plástico con agua desionizada y marque un tubo de ensayo con una X.
- Sujete el tubo de ensayo sobre el centro de una pequeña placa de agitación. La etiqueta debe estar en el lado opuesto al suyo. Asegúrese de que pueda ver claramente la X. Coloque una pequeña barra magnética para agitar en el tubo de ensayo.
- Use una abrazadera de termómetro para asegurar un termómetro de vidrio en el tercio inferior del tubo, manteniéndolo alejado de la X y la barra de agitación.
- Corta una hoja de unos 20 cuadrados de película plástica de parafina de un rollo y lleva la hoja de vuelta a tu capó.
- Coloque toallas de papel en la campana extractora como una superficie limpia para que el material de laboratorio se reutilice.
- Etiquete un vaso de precipitados de 600 mL como 'residuo' para la reacción, un vaso de precipitados de 100 mL como '0.2 M de tiosulfato de sodio' y un vaso de precipitados de 50 mL como '6 M HCl'.
- Llene el vaso de precipitados de 100 ml con tiosulfato de sodio 0,2 M del frasco de stock en la campana dispensadora.
- Después de eso, lleve el vaso de precipitados de 50 ml y un vidrio de reloj a la campana dispensadora de ácido para obtener 50 mL de HCl de 6 M. Cubra el vaso de precipitados lleno con el vidrio del reloj y lleve su porción de HCl de vuelta a su campana.
- Prepare 20 mL de tiosulfato de sodio 0.1 M para el primer ensayo de referencia. Utilice una pipeta volumétrica de 10 mL para medir 10 mL de tiosulfato de sodio de 0,2 M y dispense en un matraz aforado de 20 mL. Llene el matraz aforado de 20 ml con agua desionizada hasta la marca.
- Luego, corte un cuadrado de película plástica de parafina, selle el matraz e inviértalo varias veces para mezclar bien la solución.
- Retira la película y vierte la solución en el tubo de ensayo.
- Prepare 10 mL de HCl 3 M. Pipetee 5 mL de HCl 6 M en un cilindro graduado de 10 mL. Agregue agua desionizada para llenar el cilindro graduado hasta la línea de 10 mL.
- Selle la parte superior del cilindro graduado con una película de parafina plástica y mezcle bien la solución de HCl invirtiéndola varias veces.
- Ahora, enciende el motor de agitación y obtén un cronómetro de reinicio. Confirme que puede ver la X a través de la solución en el tubo de ensayo.
- Simultáneamente ponga en marcha el cronómetro y vierta el HCl 3 M en el tubo de ensayo.
- Observe la X a través de la solución, que comenzará a enturbiarse cuando se haya producido suficiente azufre para saturarla. Detenga el cronómetro exactamente cuando la solución se vuelva tan opaca que la X desaparezca.
- Registre el tiempo en su cuaderno de laboratorio para la prueba de referencia 1 y luego reinicie el cronómetro. Además, registre la temperatura de la solución.
- Ahora, apague el motor de agitación, retire el termómetro y enjuáguelo con agua desionizada en el vaso de precipitados.
- Luego, vacíe el tubo de ensayo en el vaso de precipitados, recupere la barra de agitación con pinzas largas y enjuague el tubo de ensayo y la barra de agitación con agua desionizada.
- Limpie a fondo el tubo de ensayo con un cepillo para tubos de ensayo. Enjuague brevemente el matraz volumétrico y el cilindro graduado con agua desionizada también. Seca todo con toallas de papel.
- Repite la prueba exactamente de la misma manera para el segundo tiempo de referencia. Si el tiempo no está dentro de los 3 a 5 segundos de la primera prueba, repita la prueba de referencia hasta que tenga dos pruebas consistentes.
- Siga el mismo procedimiento general para cada ensayo subsiguiente, cambiando las diluciones como se indica en su tabla y limpiando su cristalería entre cada ensayo. Utilice una pipeta volumétrica de 5 ml según sea necesario cuando mida la solución madre de tiosulfato de sodio en los ensayos cuatro y cinco.
- Una vez que hayas realizado las ocho pruebas, enjuaga tu cristalería y herramientas por última vez y neutraliza los residuos de la reacción con bicarbonato de sodio. Tenga cuidado porque el dióxido de azufre es uno de los productos de la reacción.
- Transfiera los residuos de reacción neutralizados al contenedor de residuos designado. A continuación, vierta el resto de la solución de tiosulfato de sodio en el contenedor de residuos etiquetado y enjuague el vaso de precipitados con agua desionizada.
- Neutraliza cualquier resto de HCl con bicarbonato de sodio antes de tirarlo por el desagüe con agua del grifo.
- Finalmente, limpia y guarda tu material de laboratorio de acuerdo con tus prácticas estándar y tira cualquier basura que quede en tu capó. Su instructor se deshará de los residuos de reacción más tarde.
Resultadosexpandir
- Ahora, estime el orden de reacción del tiosulfato de sodio y el HCl. Calcule la concentración inicial de tiosulfato de sodio en la mezcla de reacción para los ensayos 1 a 5. Al observar la concentración de tiosulfato de sodio y los tiempos de reacción, vemos que a medida que la concentración se duplica, el tiempo hasta la opacidad se reduce a la mitad.
  Tabla 4: Estimación del orden de reacción del tiosulfato de sodio
  
  Trial [Na₂S₂O₃] añadido Na₂S₂O₃ volumen (mL) Volumen total (mL) [Na₂S₂O₃] en mezcla Tiempo (s) Tiempo inverso (^s-1)
  1, 2 0.1
  3 0.2
  4 0.15
  5 0.05
  Haga clic aquí para descargar la Tabla 4
- Recuerde que cada ensayo usó el mismo volumen, por lo que se necesitó la misma cantidad de azufre para hacer que cada solución fuera opaca. Por lo tanto, la reacción es dos veces más rápida cuando se duplica la concentración de tiosulfato de sodio.
- Cuando la concentración aumenta en un factor de 4, la velocidad de reacción también aumenta en un factor de 4. Esta relación uno a uno sugiere que la reacción fue de primer orden para el tiosulfato de sodio. Si es así, esperaríamos que un gráfico de la tasa frente a la concentración de tiosulfato de sodio sea lineal.
- No medimos cuánto azufre se necesitó para que la solución se volviera opaca, pero suponemos que era lo mismo para cada prueba. Esto nos permite usar el inverso del tiempo a la opacidad como sustituto de la tasa. La pendiente no será igual a k, pero eso está bien para este laboratorio.
- Representa el tiempo de reacción inverso en función de la concentración de tiosulfato de sodio. Esto confirma la relación lineal entre la producción de azufre y la concentración de tiosulfato. Por lo tanto, la reacción parece ser de primer orden con respecto al tiosulfato.
- Utilice el mismo método para estimar el orden de reacción del HCl. En primer lugar, calcule la concentración inicial de HCl en los ensayos de referencia y en los ensayos 6 a 8.
  Tabla 5: Estimación del orden de reacción HCl
  
  Trial [HCl] añadido Volumen de HCl (mL) Volumen total (mL) [HCl] en mezcla Tiempo (s)
  1, 2 0.1
  3 0.2
  4 0.15
  5 0.05
  Haga clic aquí para descargar la Tabla 5
- Luego, observa la concentración de HCl y los tiempos de reacción para estos ensayos. Los tiempos de reacción son casi idénticos, por lo que la concentración de HCl no tiene ningún efecto sobre la velocidad de reacción. Esto significa que el HCl parece ser de orden cero para esta reacción.
- Por último, suma los órdenes de reacción de los reactivos para obtener el orden de reacción general.

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Orden de reacción

tiosulfato de sodio

ácido clorhídrico

procedimiento de dilución

cinética de reacción

precipitación de azufre

medición del tiempo

opacidad de la solución

ensayos de referencia

juicio	[na₂s₂o₃] (m)	[HCl] (M)	Tiempo (s)	Temperatura (°C)
1	0.1 M	3.0 M
2	0.1 M	3.0 M
3	0.2 M	3.0 M
4	0.15 M	3.0 M
5	0.05 M	3.0 M
6	0.1 M	6.0 M
7	0.1 M	4.5 M
8	0.1 M	1.5 M

Concentración objetivo	Volumen de tiosulfato de sodio 0.2 M	Volumen de agua desionizada
0.05 M	5 mL	15 mL
0.10 M	10 mL	10 mL
0.15 M	15 mL	5 mL
0.20 M	20 mL	0 mL

Concentración objetivo	Volumen de HCl de 6.0 m	Volumen de agua desionizada
1.5 M	2.5 mL	7.5 mL
3.0 M	5.0 mL	5.0 mL
4.5 M	7.5 mL	2.5 mL
6.0 M	10 mL	0 mL

Trial	[Na₂S₂O₃] añadido	Na₂S₂O₃ volumen (mL)	Volumen total (mL)	[Na₂S₂O₃] en mezcla	Tiempo (s)	Tiempo inverso (^s-1)
1, 2	0.1
3	0.2
4	0.15
5	0.05

Trial	[HCl] añadido	Volumen de HCl (mL)	Volumen total (mL)	[HCl] en mezcla	Tiempo (s)
1, 2	0.1
3	0.2
4	0.15
5	0.05

Dependencia de la concentración

Tabla 1: Progreso de la reacción

Tabla 2: Diluciones de tiosulfato de sodio

Tabla 3: Diluciones de HCl

Tabla 4: Estimación del orden de reacción del tiosulfato de sodio

Tabla 5: Estimación del orden de reacción HCl

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