با آموزش سینتیک و سرعت واکنش، کلاس خود را با این نرم افزار نوسان گازدار مسحور کنید.

من عاشق کار در فضای بین جنبشی و ترمودینامیکی هستم. اینجاست که چیزهای به ظاهر ساده پیچیده می‌شوند و یادآور تأثیر متقابل ارزشمند زمان و انرژی است که به زندگی اجازه می‌دهد تا وجودی را به وجود آورد. در این فضا است که می توانیم به سوالاتی مانند؛ آیا فلزات قلیایی باید در آب منفجر شوند؟ چرا الماس به گرافیت تبدیل نمی شود؟ ابرها چگونه تشکیل می شوند؟ چرا غذا در مایکروویو منفجر می شود؟ و ما می توانیم واکنش های نوسانی را توضیح دهیم. من یک نوسان گازی جذاب برای شما دارم تا واکنش‌های نوسانی را با فراگیرانتان کشف کنید.

کیت

• 2.6 گرم سولفات آمونیوم (VI)
• 10 سانتی متر 3 0.2 مولار اسید سولفوریک (VI).
• 2.7 گرم نیترات سدیم (III)
• 10 سانتی متر 3 آب دیونیزه
• دو عدد بشر 100 سانتی متری
• لوله جوش بوروسیلیکات را تمیز کنید (به نکات بالا مراجعه کنید)
• قفسه لوله جوش

آماده سازی

دو محلول را به طور جداگانه در بشر 100 سانتی متری آماده کنید . محلول اسیدی شده 2 مولار سولفات آمونیوم (VI) را با حل کردن 2.6 گرم سولفات آمونیوم جامد (VI) در 10 سانتی متر مکعب اسید سولفوریک (VI) 0.2 مولار تهیه کنید  . 2.7 گرم نیترات سدیم جامد (III) را در 10 سانتی متر مکعب  آب دیونیزه حل کنید تا محلول ≈3.9 مولار نیترات سدیم (III) بسازید. هر محلول را کاملاً هم بزنید تا کاملاً حل شود. برای اینکه اثر فوق اشباع به بهترین وجه عمل کند، نباید تکه های جامد موجود باشد.

جلوی کلاس

از محافظ چشم استفاده کنید و در یک کمد بخار کار کنید، زیرا اکسیدهای نیتروژن تکامل می یابد. محتویات یک لیوان را در دیگری بریزید، کاملاً مخلوط کنید و بلافاصله در یک لوله در حال جوش بریزید. بخارهای قهوه ای دی اکسید نیتروژن (NO 2 ) تولید می شود و واکنش گاز می گیرد که هر ≈10 ثانیه به مدت 5 تا 10 دقیقه ضربان می یابد.

هدف آموزشی

گاز قهوه ای اولیه با عدم تناسب اسید نیتریک (III) (اسید نیتروژن) در pH پایین برای آزادسازی مونوکسید نیتروژن (NO) و NO 2 شکل می گیرد . با افزایش pH، این روند کند می شود و نمایش شروع می شود. یون‌های نیترات (III) در محلول با یون‌های آمونیوم واکنش داده و نیتروژن تشکیل می‌دهند (معادل زیر را ببینید). در ابتدا، این گاز در حلال حل می شود، اما حلالیت نیتروژن در آب بسیار کم است – 0.0019 گرم در 100 گرم آب در 1 اتمسفر، بنابراین ≈100 برابر کمتر از دی اکسید کربن محلول است.

NH 4 + (aq) + NO 2 – (aq)  → N 2 (g) + 2H 2 O (l)

نیتروژن می تواند به سطح پخش شود و فرار کند، اما سرعت های معمولی انتشار مولکول های کوچک در آب آهسته است (≈ میلی متر در دقیقه) و واکنش به سرعت گاز تولید می کند. بنابراین، برای خروج گاز، باید حباب تشکیل شود. بدون بذر (نگاه کنید به یخ داغ )، یک حباب باید از نوسانات تصادفی در محلول هسته شود.

اساسا، اگرچه تکامل گاز از دیدگاه ترمودینامیکی پیش‌بینی می‌شود، اما یک مانع جنبشی وجود دارد. بنابراین، گاز محلول به غلظت 80 برابر حلالیت پیش بینی شده در 1 اتمسفر فوق اشباع می شود. در این مرحله، شانس خوبی وجود دارد که یک مکان هسته‌زایی به‌طور تصادفی با سرعت کافی با گاز پر شود تا به اندازه بحرانی مورد نیاز برای زنده ماندن و رشد برسد. وابستگی به غلظت این آستانه به حدی قوی است که در آستانه فوق اشباع، تغییر 0.1٪ در غلظت نیتروژن محلول منجر به افزایش 10 15 برابری در سرعت تشکیل حباب می شود. برای یک اثر جنبشی در اینجا، دما تأثیر کمتری نسبت به غلظت دارد. این مفید است زیرا واکنش به شدت گرمازا است. اگرچه کف کردن بین 2 تا 4 دقیقه به اوج خود می رسد، اما افزایش دما تا بیش از 4 دقیقه کند نمی شود و پس از 9 دقیقه در ≈70 درجه سانتی گراد به اوج خود می رسد.

از آنجایی که حباب ها به سرعت هسته می شوند، مایع فوق اشباع اطراف اکنون دارای یک سطح افزایش یافته است که گاز محلول می تواند در سراسر آن تبخیر شود. حباب ها به رشد خود ادامه می دهند تا زمانی که بتوانند به سطح بگریزند (اگرچه اگر غلظت گازهای محلول به اندازه کافی کاهش یابد، ممکن است افزایش اندازه آنها متوقف شود). با چنین انفجاری از حباب ها، گاز محلول به سرعت تخلیه می شود و کف کردن کاهش می یابد. با این حال، نیتروژن به تولید ادامه می دهد، که منجر به رویداد فوق اشباع بعدی ≈10 ثانیه بعد می شود.

این پدیده کف کردن را در هنگام ریختن یک نوشیدنی گازدار و تن ها و حجم های مختلف مرتبط با کتری در حال جوش را توضیح می دهد.

نکات برتر

• اطمینان حاصل کنید که از نیترات سدیم (III) (نیتریت سدیم) استفاده می کنید، نه نیترات سدیم (V).
• رگ های بلند (مانند لوله های در حال جوش) اثر کف کردن را به حداکثر می رساند.
• برای تجسم بهتر حباب ها، نورپردازی بالا را امتحان کنید.
• بذر اثر فوق اشباع را مختل می کند. اثر ضربان با افزودن گرانول های ضد ضربه متوقف می شود. برای اینکه این واکنش عمل کند، درجه بالایی از فوق اشباع بسیار مهم است، بنابراین لوله جوش باید تمیز باشد. من از یک لوله جدید استفاده کردم، اما یک لوله تمیز و بدون آسیب نیز کار خواهد کرد.
• دانش آموزان را هدایت کنید تا روی راه حل انبوه تمرکز کنند. یک تجسم کننده می تواند کمک کند. دانش‌آموزان ممکن است متوجه حباب‌هایی شوند که به کناره لوله چسبیده‌اند و بپرسند که چرا این حباب‌ها فوق اشباع را کاهش نمی‌دهند: پاسخ در فاصله کوتاهی (فقط 0.1 میلی‌متر) است که یک مولکول گاز محلول می‌تواند در فاصله زمانی بین 10 ثانیه منتشر شود. پالس ها، که باعث می شود این حباب ها اساساً از محلول موجود در مرکز لوله جدا شوند.