Een experiment op school: reactiesnelheid meten en de fout opsporen
Twee leerlingen doen een experiment met een magnesiumlint en zoutzuur. Ze doen 25 mL zoutzuur (0,50 mol/L) in een erlenmeyer en voegen een stukje magnesiumlint van 0,10 g toe. Ze meten de tijd tot het magnesium helemaal is opgelost: 42 seconden. Daarna herhalen ze het experiment met 25 mL zoutzuur van 1,0 mol/L en opnieuw 0,10 g magnesium, nu bij 35 °C in plaats van 20 °C. De tijd is 11 seconden. Een leerling concludeert: 'Verdubbeling van de concentratie verdubbelt de reactiesnelheid.' De docent wijst erop dat er twee dingen tegelijk zijn veranderd.
1. Bereken voor beide proeven hoeveel mol magnesium en hoeveel mol zoutzuur aanwezig is. Is magnesium of zoutzuur in overmaat? Gebruik Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂.
Read the worked answer
Magnesium: de molaire massa van Mg is ongeveer 24,3 g/mol. n = 0,10 / 24,3 ≈ 0,0041 mol.
Zoutzuur, proef 1: n = c × V = 0,50 × 0,025 = 0,0125 mol HCl. Proef 2: 1,0 × 0,025 = 0,025 mol HCl.
Volgens de reactievergelijking is per mol Mg 2 mol HCl nodig. Voor 0,0041 mol Mg is dus 0,0082 mol HCl nodig. In proef 1 is 0,0125 mol aanwezig, in proef 2 0,025 mol. In beide gevallen is zoutzuur dus in overmaat en magnesium de beperkende factor.
Gevolg voor de conclusie: omdat magnesium volledig oplost en in beide proeven dezelfde hoeveelheid is, is de gemeten tijd een maat voor de snelheid waarmee dat vaste magnesium verdwijnt. Maar omdat ook de temperatuur is veranderd, kun je de twee tijden niet zomaar aan de concentratie toeschrijven.
2. De leerling concludeert dat verdubbeling van de concentratie de reactiesnelheid verdubbelt. Ontkracht deze conclusie met een onderbouwing en stel een verbeterd experiment voor.
Read the worked answer
De conclusie is niet te rechtvaardigen, omdat er twee variabelen tegelijk zijn veranderd: de concentratie (0,50 naar 1,0 mol/L) en de temperatuur (20 naar 35 °C). De versnelling van 42 naar 11 seconden, dus ongeveer een factor 3,8, kan dus niet aan één variabele worden toegeschreven.
Bovendien is 'verdubbelt de snelheid' niet hetzelfde als 'de tijd halveert'. De tijd is een omgekeerde maat voor de snelheid; je moet eerst de snelheid berekenen, bijvoorbeeld als mol Mg per seconde, en dan vergelijken. Een factor 3,8 in tijd is een factor 3,8 in snelheid, niet 2.
Verbeterd experiment: houd de temperatuur constant (beide proeven bij 20 °C), varieer alleen de concentratie, en herhaal elke meting minstens twee keer. Meet de tijd tot al het magnesium weg is bij dezelfde massa en dezelfde korrelgrootte. Pas dan kun je een uitspraak doen over het verband tussen concentratie en snelheid.
3. Leg met behulp van botsingstheorie uit waarom zowel een hogere concentratie als een hogere temperatuur de reactiesnelheid kan verhogen.
Read the worked answer
Volgens de botsingstheorie verloopt een reactie doordat deeltjes met voldoende energie en in de juiste oriëntatie op elkaar botsen.
Hogere concentratie: er zitten meer HCl-deeltjes per volume-eenheid. Daardoor botsen de deeltjes vaker op het magnesiumoppervlak per tijdseenheid, en neemt het aantal effectieve botsingen toe. De snelheid stijgt.
Hogere temperatuur: de deeltjes bewegen sneller, waardoor ze vaker botsen én vaker met genoeg energie om de activeringsenergie te overwinnen. Het aandeel effectieve botsingen neemt sterk toe, vaak meer dan evenredig met de temperatuur.
Daarom is het effect van 20 naar 35 °C in dit experiment waarschijnlijk groot, en kan het een belangrijk deel van de versnelling verklaren. Omdat beide effecten in dezelfde richting werken, is de proefopzet ongeschikt om ze te scheiden. Een goede conclusie vereist dat één variabele per keer wordt veranderd.