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Text File  |  1998-07-25  |  19KB  |  441 lines

  1. This file is copyright of Jens Schriver (c) 
  2. It originates from the Evil House of Cheat 
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  7. -------------------------------------------------------------- 
  8. Essay Name       : 381.txt 
  9. Uploader         : 
  10. Email Address    : morganc@queenswood.herts.sch.uk
  11. Language         : english
  12. Subject          : Chemistry
  13. Title            : rates of reaction
  14. Grade            : 90%
  15. School System    : 
  16. Country          : uk
  17. Author Comments  :  An excellent project, very perceptive
  18. Teacher Comments : 
  19. Date             : 29/11/96
  20. Site found at    : friend
  21. --------------------------------------------------------------
  22.  
  23.   BACKGROUND INFORMATION
  24.  
  25.  
  26.  What affects the rate of reaction?
  27. 1)  The surface area of the magnesium.
  28. 2)  The temperature of the reaction.
  29. 3)  Concentration of the hydrochloric acid.
  30. 4)  Presence of a catalyst.
  31.  
  32.  In the experiment we use hydrochloric acid which reacts with the 
  33. magnesium to form magnesium chloride.  The hydrogen ions give 
  34. hydrochloric acid its acidic properties, so that all solutions of 
  35. hydrogen chloride and water have a sour taste; corrode active metals, 
  36. forming metal chlorides and hydrogen; turn litmus red; neutralise 
  37. alkalis; and react with salts of weak acids, forming chlorides and the 
  38. weak acids.    
  39.  
  40.  Magnesium, symbol Mg, silvery white metallic element that is 
  41. relatively unreactive. In group 2 (or IIa) of the periodic table, 
  42. magnesium is one of the alkaline earth metals. The atomic number of 
  43. magnesium is 12.
  44.  
  45. Magnesium(s) + Hydrochloric acid(aq) = Magnesium Chloride(aq) + 
  46. Hydrogen(g)
  47.   Mg     +    2HCl        =     MgCl2         
  48.       +     H2
  49.  
  50.  In the reaction when the magnesium hits the acid when dropped in, 
  51. it fisses and then disappears giving of hydrogen as it fisses and it 
  52. leaves behind a solution of hydrogen chloride.
  53.  The activation energy of a particle is increased with heat.  The 
  54. particles which have to have the  activation energy are those particles 
  55. which are moving, in the case of magnesium and hydrochloric acid, it is 
  56. the hydrochloric acid particles which have to have the activation energy 
  57. because they are the ones that are moving and bombarding the magnesium 
  58. particles to produce magnesium chloride.
  59.  
  60.  The rate at which all reactions happen are different.  An example 
  61. of a fast reaction is an explosion, and an example of a slow reaction is 
  62. rusting.
  63.  In any reaction,
  64.    reactants chemical reactions« products.
  65.  
  66.  We can measure reactions in two ways:
  67. 1)  Continuous:- Start the experiment and watch it happen; you can use a 
  68. computer ôloggingö system to monitor it.  I.e.  Watching a colour fade or 
  69. increase.
  70. 2)  Discontinuous:-  Do the experiments and take readings/ samples from 
  71. the experiment at different times, then analyse the readings/samples to 
  72. see how many reactants and products are used up/ produced.
  73.  
  74.  Reaction rate = amount of reactant used up 
  75.     time taken
  76.  
  77.  If the amount used up is the same each time then the only thing 
  78. that changes is the time taken.
  79.   so,  reaction rate ╡     1
  80.           time taken.
  81.            rate =       K
  82.            time taken.
  83.  Where K is the constant for the reaction.
  84.  
  85.  For particles to react:-
  86. a)  They have to collide with each other.
  87. b)  They need a certain amount of energy to break down the bonds of the 
  88. particles and form new ones.  This energy is called the ôActivation 
  89. Energyö or Ea.
  90.  When we increase the temperature we give the particles more 
  91. energy which:
  92. 1)  Makes them move faster which In turn makes them collide with each 
  93. other more often.
  94. 2)  Increases the average amount of energy particles have so more 
  95. particles have the ôactivation energyö
  96.  Both of these changes make the rate of reaction go up so we see a 
  97. decrease in the amount of time taken for the reaction and an increase in 
  98.  1
  99.  
  100. time taken.
  101.   =     1
  102.          time taken.     Reflects the rate of reaction.
  103.  Because temperature has an effect on both the speeds at which the 
  104. particles react and the activation energy they  have a greater effect on 
  105. the rate of reaction than other changes.
  106.  
  107.  A change in concentration is a change in the number of particles 
  108. in a given volume.
  109.  If we increase the volume:-
  110. a)  The particles are more crowded so they collide more often.
  111. b)  Although the average amount of energy possessed by a particle does 
  112. not change, there are more particles with each amount of energy;- more 
  113. particles with the activation energy.
  114.  a) is a major effect which effects the rate, but b) is a minor 
  115. effect which effects the rate very slightly.
  116.   In this experiment we are not concerned with whether the reaction 
  117. is exothermic or endothermic because we are concerned with the activation 
  118. energy needed to start and continue the reaction.
  119.  
  120.  
  121.  
  122.  
  123.     PREDICTIONS
  124.  
  125.  I predict that as we increase the temperature the rate of 
  126. reaction will increase.
  127.  If we increase the temperature by 100C the rate of reaction will 
  128. double.
  129.  
  130.  I predict that if we increase the concentration of the acid the 
  131. reaction rate will increase.
  132.  If the concentration of the acid doubles, the rate of the 
  133. reaction will also double.
  134.  
  135.  
  136.    LINKING PREDICTION TO
  137.      THEORY
  138.  
  139. Reaction Rate and Temperature.
  140.  The collision theory describes how the rate of reaction increases 
  141. as the temperature increases.  This theory states that as the temperature 
  142. rises, more energy is given to the particles so their speed increases, 
  143. this increases the number of collisions per unit of time.  This increase 
  144. in collisions increases the rate of reaction.
  145.  The collision theory explains how the rate of reaction increases, 
  146. but it does not explain by how much or by how fast the rate increases.  
  147. The Kinetic energy of a particle is proportional to its absolute (Kelvin) 
  148. temperature.
  149.    1/2 mv    2╡ T
  150.  But the mass of the particles remains constant so we can 
  151. eliminate that part of the equation so;
  152.   ▐ V2╡T
  153.  Therefore we can fit this into a formula:
  154.   V21/V22 = T1/T2
  155.  If we substitute the temperature into the formula we can work out 
  156. the average speed of the formula:
  157.   V21/V22 = 310/300
  158.   \V 1    =  ╓310/300V 2
  159.     = ╓1.033V2
  160.      =  1.016V2
  161.  
  162.  However if we look at this it is only 1.016 times greater than 
  163. the speed at 300K, in other words we can see that it has only increased 
  164. by 1.6%. 
  165.  The frequency of the collisions depends on the speed of the 
  166. particles, this simple collision theory only accounts for the 1.6% 
  167. increase in the rate, but in practice the reaction rate roughly doubles 
  168. in a 10K rise, so this simple theory cannot account for an 100% increase 
  169. in the reaction rate. 
  170.  During a chemical reaction the particles have to collide with 
  171. enough energy to first break the bonds and then to form the new bonds and 
  172. the rearranged electrons, so it is ôsafeö to assume that some of the 
  173. particles do not have enough energy to react when they collide.  
  174.  The minimum amount of energy that is needed  to break down the 
  175. bonds is called the activation energy (EA).  If the activation energy is 
  176. high only a small amount of particles will have enough energy to react so 
  177. the reaction rate would be very small, however, if the activation energy 
  178. is very low the number of particles with that amount of energy will be 
  179. high so the reaction rate would be higher.  An example of a low EA would 
  180. be in explosives when they need only a small input of energy to start 
  181. their exceedingly exothermic reactions.
  182.  In gases the energy of the particles is mainly kinetic, however 
  183. in a solid of a given mass this amount of energy is determined by their 
  184. velocities.
  185.  
  186.  
  187.  This graph below shows how the energies of particles are 
  188. distributed.  
  189.  
  190.  
  191.  
  192.  
  193.  
  194.  
  195.  
  196.  
  197.  
  198.  This graph is basically a histogram showing the number of 
  199. particles with that amount of energy.  The area underneath the curve is 
  200. proportional to the total number of particles.  The number of particles 
  201. with > EA is proportional to the total area underneath the curve.
  202.  The fraction of particles with > EA  is given by the ratio:
  203.    Crosshatched area under the curve
  204.     total area under curve
  205.  
  206.  Using the probability theory and the kinetic theory of gases, 
  207. equations were derived for the distribution of kinetic energy amongst 
  208. particles.  From these equations the fractions of particles with an 
  209. energy > EA J mole-1 is represented by the equation: e   -Ea/RT  where R= 
  210. the gas constant (8.3 J K-1 mole -1)
  211.       T= absolute temperature.
  212.  This suggests that at a given temperature, T,
  213.   The reaction rate ╡ e   -Ea/RT 
  214.  If we use k as the rate constant, as a measure of the reaction 
  215. rate we can put this into the equation also.
  216.  k╡ e   -Ea/RT 
  217.  ▐ k= A e   -Ea/RT
  218.  The last expression is called the Arrhenius equation because it 
  219. was developed by Srante Arrhenius in 1889.  In this equation A can be 
  220. determined by the total numbers of collisions per unit time and the 
  221. orientation of the molecules when the collide, whilst e   -Ea/RT is 
  222. determined by the fraction of molecules with sufficient amounts of energy 
  223. to react.
  224.  Putting the probability theory and the kinetic theory together 
  225. this now gives us a statement which accounts for the 100% increase in the 
  226. rate of reaction in a 10K rise.  
  227.  
  228.  
  229. Reaction Rate and Concentration.
  230.  The reaction rate increases when the concentration of the acid 
  231. increases because:
  232. If you increase the concentration of the acid you are introducing more 
  233. particles into the reaction which will in turn produce a faster reaction 
  234. because there will be more collisions between the particles which is what 
  235. increases the reaction rate.
  236.  
  237.  
  238.     METHOD.
  239.  
  240.  To get the amount of magnesium and the amount of hydrochloric 
  241. acid to use in the reaction, we have to use an excess of acid so that all 
  242. of the magnesium disappears. 
  243.   Mg     +    2HCl        =     MgCl2         
  244.       +     H2
  245.         1 mole         2 moles            1 mole        
  246.  1 mole
  247.  
  248.  So, we can say that one mole of magnesium reacts with 2 moles of 
  249. hydrochloric acid.
  250.  If we use 1 mole of magnesium and 2 moles of hydrochloric acid we 
  251. will get a huge amount of gas, too much for us to measure.  We would get 
  252. 24,000 cm3 of hydrogen produced where we only want 100 cm3 of hydrogen 
  253. produced.  So to get the formula for the amount of moles that we have to 
  254. use the formula:
  255.  Moles = mass of sample         100    =0.004 moles.
  256.   volume with 1 mole        24,000
  257.  
  258. To get the maximum mass we can use:
  259.  Mass = moles x RAM.
  260.          = 0.004 x 24
  261.          =  0.0096g
  262.  So, this is the maximum amount of magnesium we can use.  To the 
  263. nearest 0.01 of a gram =  0.01.  This is the maximum amount of magnesium 
  264. we can use.
  265.  Because the reaction reacts one mole of magnesium to two moles of 
  266. hydrochloric acid we have to make sure that even with the lowest 
  267. concentration of acid we still have an excess of acid.
  268.  The acid that we were using was 2 moles per dm2 which means that 
  269. it is 0.2 moles per 100 cm2 of acid.
  270.  We need to make the reaction work to have double the amount of 
  271. magnesium.  The maximum number of moles that the magnesium needed was 
  272. 0.004 moles so the amount of acid that we needed was double that so that 
  273. equals 0.008 moles.  As you can see from the table below we have the acid 
  274. in excess throughout the experiment.
  275. Amount of HCl (cm3)    Amount of H2O (cm3)    Moles of acid.
  276. 100    0    0.2
  277. 75    25    0.15
  278. 50    50    0.1
  279. 25    75    0.05
  280. The reason why we used 0.01g of magnesium was because it was therefore 
  281. easy to measure because there was not too much, or too little.  Therefore 
  282. we had no problem with too much gas.
  283.  
  284.  
  285.  
  286.  
  287. Apparatus
  288.   This is the apparatus we used to measure the amount of H2 that was 
  289. produced in the reactions.  We measured the amount of gas that was given 
  290. of  every two seconds to get a good set of results.  We used this 
  291. apparatus with the reaction changing the concentration, and then the 
  292. temperature. To accurately measure the amount of gas given of we used a 
  293. pen and marked on the gas syringe at the time intervals.
  294.  This is the apparatus we used to measure how long it took for the 
  295. magnesium to totally disappear.  We used this apparatus in both of the 
  296. experiments, changing the temperature and the concentration of the acid 
  297. to water.
  298.  
  299. Temperature.
  300.  When we did the experiment changing temperature we used both of 
  301. the sets of apparatus.  To get a fair reaction we had to keep the amount 
  302. of magnesium the same and the concentration of the acid.  In the 
  303. experiment we used 0.1g of magnesium and the concentration of the acid 
  304. was 50cm3 of acid to 50cm3 of water.  This is because if we used 100cm3 
  305. of acid the reaction would be too fast. Still we had an excess amount of 
  306. acid, so one mole of magnesium can react with two moles of HCl.
  307. Concentration.
  308.  When we did the reaction changing the concentration we changed 
  309. the concentration until we had just enough for 1 mole of magnesium to 
  310. react with two of HCl.  To get  a fair reaction we had to keep the amount 
  311. of magnesium the same and the temperature.  We used 0.1g of magnesium.
  312.  
  313.  
  314.  
  315.  
  316.  
  317.  
  318.  
  319.  
  320.  
  321.  
  322.  
  323.  
  324.      RESULTS
  325. Temperature
  326.  
  327.  From this graph you can see that if we do increase  the 
  328. temperature the rate of reaction also increases, but it does not show 
  329. that if you increase the temperature the rate of reaction doubles.
  330.  
  331.  This graph shows that there is an increase in the rate of 
  332. reaction as the temperature increases.  This shows a curve, mainly 
  333. because our results were inaccurate in a number of ways.  This is because 
  334. the concentration is changed during the experiment because at high 
  335. temperatures the acid around the magnesium is diluted.  If this 
  336. experiment was accurate it would be also a curve but if you made it into 
  337. 1/time the result would be a straight line showing a clear relationship.
  338.  
  339. Even though I changed it to 1/time it still does not show a clear 
  340. relationship because of the factors mentioned in the conclusion.
  341. Concentration
  342.  
  343. This graph shows an increase in the amount of gas given off and the speed 
  344. at which it is given off.  This graph also does not show the rate 
  345. increase, it just shows how it increases with a change in concentration.
  346.  
  347. This graph shows that if you increase the concentration of the molar 
  348. solution of the acid the time in which the Mg takes to disappear becomes 
  349. a lot slower.  This does not show the rate at which this happens, the 
  350. graph of rate vs. conc. would show a straight line.
  351.  
  352. This shows a straight line, thus proving that there is a relationship 
  353. between the time it takes the magnesium to disappear and the 
  354. concentration of the acid.  If we take a gradient of it, it would show 
  355. the rate at which the reaction was happening.
  356.  
  357.  Because this shows a straight line we can say that it is a second 
  358. order reaction.
  359.  
  360.  This graph shows a nearly straight line which shows that there is 
  361. a relationship between  the temperature  and the rate of reaction,  as 
  362. the gradient shows the rate of reaction.  If you look at this graph it 
  363. comes out to show that if you increase the temperature by 100C the 
  364. gradient of the line is doubled.  This shows that rate ╡ temp.
  365.  
  366. This graph shows that if you increase the molar concentration of the 
  367. acid, you will increase the rate of reaction.  From this you can see from 
  368. the gradient, that if you double the molar concentration of the acid the 
  369. rate of reaction will double because the gradient is a way of showing the 
  370. rate of reaction.
  371.  If you compare the quantitative observations to see which the 
  372. faster reaction is you can see that after 10 seconds:
  373. Temp.    2    10    20    30    40    50
  374. Amount of H2 produced after 10s    7.5    16    25    54    57    
  375. 83
  376.  Even though there is a greater increase in the amount of H2 given 
  377. off in each of the different reactions you can see that there is a change 
  378. in the amount given off, but between the temperatures 30 and 400C there 
  379. is not much of a change, this could be because of our human error, there 
  380. should be a big change in the amount given off.
  381. Molar conc.    0.5    1    1.5    2
  382. Amount of H2 produced after 10s    6    25    60    90
  383. This table shows a nice spread of results throughout the range of 
  384. concentration.  It clearly shows that the reaction is at different stages 
  385. so is therefore producing different amounts of H2.  This shows also that 
  386. the reaction is affected by the concentration of the acid.
  387.  
  388.  
  389.            CONCLUSIONS
  390.  
  391.  I conclude that if you increase the temperature by 10oC the rate 
  392. of reaction would double, this is because of using the kinetic theory and 
  393. the probability theory.  Even though our results did not accurately prove 
  394. this, the theory that backs it up is sufficient.  the kinetic theory 
  395. explains that if you provide the particles with a greater amount of 
  396. kinetic energy they will collide more often, therefore there will be a 
  397. greater amount of collisions per unit time.  The probability theory 
  398. explains that there is only a number of particles within the reaction 
  399. with the amount of Ea to react, so if you increase the amount of kinetic 
  400. energy there will be more particles with that amount of Ea to react, so 
  401. this will also increase the reaction rate.
  402.  If you double the concentration of the acid the reaction rate 
  403. would also double, this is because there are more particles in the 
  404. solution which would increase the likelihood that they would hit the 
  405. magnesium so the reaction rate would increase.  The graph gives us a good 
  406. device to prove that if you double the concentration the rate would also 
  407. double.  If you increase the number of particles in the solution it is 
  408. more likely that they will collide more often.
  409.  There should be more H2 given off if we compare it across the 
  410. range of temperatures because the reaction is going quicker and so more 
  411. H2 is given off in that amount of time.
  412.  There is more H2 given off if you compare it to the range of 
  413. concentrations that you are using, this shows that the reaction is at 
  414. different stages and so is therefore producing different amounts of H2.
  415.  Also our results were not accurate but this could be because of a number 
  416. of reasons.
  417.  There our many reasons why our results did not prove this point 
  418. accurately.
  419. ╖ At high temperatures the acid around the magnesium starts to starts to 
  420. dilute quickly, so if you do not swirl the reaction the magnesium would 
  421. be reacting with the acid at a lower concentration which would alter the 
  422. results.
  423. ╖ Heating the acid might allow H Cl to be given off, therefore also 
  424. making the acid more dilute which would also affect the results.
  425. ╖ When the reaction takes place bubbles of H2 are given off which might 
  426. stay around the magnesium which therefore reduces the surface area of the 
  427. magnesium and so the acid can not react properly with it so this affects 
  428. the results.
  429.  
  430.  To get more accurate results, we could have heated the acid to a 
  431. lower temperature to stop a large amount of H Cl being given off.  The 
  432. other main thing that could have helped us to get more accurate results 
  433. is we cold have swirled the reaction throughout it to stop the diluting 
  434. of the acid and the bubbles of H2 being given off.
  435.  
  436.  If I had time I could have done the reactions a few more times to 
  437. get a better set of results.  This would have helped my graphs to show 
  438. better readings.
  439.  
  440. --------------------------------------------------------------
  441.