Hvordan temperatur påvirker reaksjonshastigheten til knekklys

Av Ano og Nym

Oppgave: Å undersøke hvordan lysintensiteten til knekklys påvirkes av temperatur ved å måle lysintensiteten for tre knekklys ved ulik temperatur.

Teori: Reaksjonshastigheter er som regel påvirket av temperatur og kalles da termisk aktiverte og har en aktiveringsenergi. Hvordan slike reaksjoner blir påvirket av temperatur kan beskrives ved hjelp av Arrhenius ligning 1:

(1) hvor A er en konstant, Ea er aktiveringsenergi, R er gasskonstanten, og T er temperaturen gitt i Kelvin.

Oppsett: - 3 stk knekklys - Kaldt vann - Varmt vann - Mobil med program for å måle lysintensitet

Hva som ble gjort: To begerglass ble fylt med vann. Ett med varmt og ett med kaldt. Ett lys ble plassert i hvert av glassene og ett ble liggende på pulten. Da de hadde fått stabil temperatur ble lysene knekt og de begynte å lyse. Intensiteten til lyset ble målt med mobil og notert.

Resultater: Intensitet for kaldt lys (4 °C) = 2402 Lux Intensitet for romtemperert lys (24 °C) = 804 Lux Intensitet for varmt lys (65 °C) = 379 Lux Diskusjon: Resultatene ble tilpasset Arrhenius ligningen og ga kurven i Figur 1.

Figur 1. Tilpasning av resultatene til Arrhenius ligning.

Stigningstallet til Figur 1 gir –Ea/R ut fra og ut fra dette ble Ea bestemt til 23.4 kJ/mol. Tilsvarende forsøk har tidligere gitt aktiveringsenergi på 56.4 kJ/mol [1].

Konklusjon: Knekklys lyser med en termisk aktivert prosess, og har aktiveringsenergi på 23.4 kJ/mol.

Referanser: [1] http://www-chem.ucsd.edu/undergraduate/teaching-labs/demos/demo16.html (22.09.2016)

0.0029 0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035 0.0036 0.0037

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

Reaksjonsrate

Lineær tilpassning

ln(I

nte

nsitet)

1/T (1/K)

Equation y = a + b*x

Weight No Weighting

Residual Sum of Squares

0.0026

Pearson's r -0.99925

Adj. R-Square 0.99699

Value Standard Error

DIntercept 16.13701 0.36362

Slope -2818.10575 109.43078

Rapport: Forsøk med knekklys Skrevet: 22.09.2016, Filnavn: 20160922_Rapport om knekklys.docx Sist endret: 22.09.2016 Utført: 21.09.2016, av Pål Petimeter og Karen Kverulant

Hensikt: Oppgaven gikk ut på å undersøke egenskapene til knekklys som funksjon av tid og temperatur. Ut fra dette skulle vi vurdere om det var mulig å si noe om kinetikken til prosessen som ga lys.

Teori: Knekklys, også kjent som glowsticks, er et kjemisk lys som settes i gang ved at to løsninger blandes. Løsningene består oftest av difenyloksalat (CAS 3155-16-6) i en litt basisk løsning sammen med et fargestoff. I det indre glassrøret er det en løsning av hydrogenperoksid. Løsningene blandes når glassrøret knuses og difenyloksalat reagerer med hydrogenperoksid og danner fenol og 1,2-dioxetanedion (CAS 26974-08-3, også kjent som peroksosyreester). Forbindelsen er meget ustabil og dekomponerer hurtig til karbondioksid samtidig som den eksiterer et fargestoff i løsningen dersom det er tilgjengelig. Reaksjonen er rapportert til å være avhengig av pH, temperatur og konsentrasjonene av løsningene.

Figur 1. Reaksjon mellom difenyloksalat og hydrogenperoksid for å danne fenol og 1,2-dioxetanedion. Illustrasjonen er hentet fra [1].

Dersom en vet litt om kinetikken til reaksjoner kan en også si noe om hvordan reaksjonene finner sted. I følge reaksjonene i figur 1 er det lett å først anta at reaksjonen avhenger av både konsentrasjonen av difenyloksalat og hydrogenperoksid, men dette er ikke sikkert. Reaksjoner deles gjerne inn i deres reaksjonsorden, og dersom vi kan plotte konsentrasjonen av noe som funksjon av tid så er det mulig å bestemme reaksjonens orden ut fra Tabell 1. Tabell 1. Oversikt over ligninger forbundet med de ulike reaksjonsordenene i kinetikk. Tabellen er hentet fra [1].

Reaksjonshastigheter er også som regel påvirket av temperatur. Dersom en av reaksjonstrinnene krever en viss energi for å kunne gå, så kaller vi den termisk aktivert med en gitt aktiveringsenergi. Hvordan slike reaksjoner blir påvirket av temperatur kan beskrives ved hjelp av Arrhenius ligning 1. [2]:

hastighet = A exp(-Ea/(RT)) (1) hvor A er en konstant, Ea er aktiveringsenergi, R er gasskonstanten, og T er temperaturen gitt i Kelvin.

Utstyr: - 3 stk knekklys («Glow Stick», No. DBD15150, Ø15x150mm, grønn farge, fra dioder.no) - Kaldt vann (5 °C) - Varmt vann (80 °C) - 2 Begerglass (1000 ml) - Telefon med mulighet for å måle lysintensitet - Aluminiumsfolie - Termometer, Fluke 54IIB (± 0.1 °C) - Klokke

Gjennomføring: Vi fylte begerglassene med henholdsvis kaldt og varmt vann og ett lys i hver beholder uten å knekke det. Vi lot lysene stå i ca. 5 minutter for å få stabil temperatur før de ble knekt, ristet og satt tilbake i sine glass. Vi knakk også et lys som ble oppbevart i romtemperatur, målt til 24 °C. Vi målte lysintensiteten til knekklysene med mobilappen Science Lab, Google, og lagde en holder av aluminiumsfolie som vist på figur 2 for å minimere mengden strølys. Vi forsøkte å minimere tiden for målingene for lysene som sto i varmt og kaldt vann for å ikke påvirke temperaturen for mye.

Figur 2. Holder for måling av lysintensitet med mobilappen Science Lab, Google.

Resultater og diskusjon: Den umiddelbare observasjonen var at lysintensiteten er klart avhengig av temperatur med mye høyere intensitet for høyere temperatur, se figur 3. Alle forsøkene viser en avtagende lysintensitet med temperatur, men med høyere hastighet for høyere temperatur.

Figur 3. Lysintensitet for de tre knekklysene som funksjon av tid (filnavn: Knekklys20160922.xlsx). Ut fra reaksjonene i Figur 1 kan vi anta at lysintensiteten gir et mål på hvor hurtig reaksjonen finner sted da peroksosyreesteren har kort levetid og antas å aktivere fargestoffet nærmest umiddelbart. Bortsett fra 0. ordens reaksjon er alle reaksjonene i Tabell 1 avhengig av et mål på konsentrasjonen av [A] i løsning. I vårt tilfelle er [A] enten difenyloksalat, hydrogenperoksid, eller en kombinasjon av disse. Lysintensiteten, og summen av denne fra forsøket startet, gir mengden A som er omsatt. Dersom en skal få et mål på hvor mye A som var opprinnelig så må all lysintensitet summeres til knekklyset har sluttet å lyse. Vi fortsatte ikke forsøket så lenge, men tillater oss å estimere mengden lys som kan komme av forsøket ved å ekstrapolere datasettet ut til null intensitet ut fra en rett linje basert på lysintensiteten fra tid = 80 s (230 Lux) og 120 s (198 Lux). Da får vi at forsøket slutter å lyse etter ytterligere 247.5 s (ca. 4 minutter ekstra)1. Ved å integrere intensiteten grafisk over kurven ved romtemperatur i Figur 3, samt å legge til lineært intensitettap fra 120 til 367.5 s, fikk vi et mål på den totale mengden A i løsning før forsøket startet til å bli 800000 Lux. Vi brukte dette som utgangspunkt for konsentrasjonen av A oppgitt i enhet Lux2 og beregnet hvordan denne ville endre seg med tid ved å trekke fra datasettet for romtemperatur i Figur 3. Resultatet er gitt i figur 4.

1 I ettertid så ser vi at det fremdeles er noe lys i knekklyset selv etter en natt, men intensiteten var veldig lav og var kun mulig å sees i et mørkt rom. Vi antar uansett at estimatet vårt er noe i underkant av det reelle. 2 Å oppgi en konsentrasjonsenhet i Lux kan virke rart, men vi antar at over tid så vil all A danne et lysglimt gjennom reaksjonen i Figur 1, og summen av alle disse gir konsentrasjonen av A, slik at konsentrasjonen av A er proporsjonal med Lux.

0 20 40 60 80 100 1200

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

Lysin

tensitet (L

ux)

Tid (s)

65 oC

24 oC

4 oC

Figur 4. Konsentrasjonen av A basert på estimerte totale intensitet gjennom hele forsøket. Tallverdien for [A] er integrert Lux. Ut fra datasettet i Figur 4, er det mulig å gjøre testene for lineært plott i Tabell 1. Figur 4 gir resultatet av test for 0. ordens reaksjon, og viser ikke en klar rett linje. Figur 5 viser test for 1. og 2. ordens reaksjoner og begge viser tilnærmet rette linjer.

Figur 5. Tester for 1. og 2. ordens kinetikk ved plott at ln([A]) og 1/[A] som funksjon av tid. Dersom vi antar en 1. ordens reaksjon, så vil uttrykket for reaksjonshastigheten kunne uttrykkes som:

Reaksjonshastighet = k*[A]0*exp(-k*t) (2) Hvor k er hastighetskonstant, [A]0 er konsentrasjonen av A ved start og t er tiden. Vi gjorde et forsøk på å tilpasse en slik funksjon til datasettet gitt i figur 3 for forsøket ved 24 °C og fikk resultatet gitt i figur 6.

0 20 40 60 80 100 1200

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000[A

]

Tid (s)

24 oC

0 20 40 60 80 100 12012.5

13.0

13.5

ln([

A])

Tid (s)

24 oC

0 20 40 60 80 100 1200.000001

0.000002

0.000003

1/[A

]

Tid (s)

24 oC

Figur 6. Forsøk på tilpassing av modell gitt av ligning 2 for reaksjonsraten som funksjon av tid. Resultatet gir ikke fullstendig samsvar med observert og tilpasset modell, som indikerer at enten så er ikke reaksjonen ren 1. ordens, eller vi har for mange usikre momenter, eller en kombinasjon av disse. Aktiveringsenergien til reaksjonen kan bestemmes ut fra reaksjonshastigheten målt ved ulike temperaturer. I dette forsøket er målet på reaksjonshastigheten gitt i figur 2 som funksjon av tid. Måten forsøkene ble gjennomført på gjorde at selve intensitetsmålingene ble gjort ved romtemperatur selv for lysene som var kjølt og oppvarmet. Vi antar derfor at temperaturen til lyset ikke var konstant gjennom hele forsøkt. Vi tror dette er noe av årsaken til at lysintensiteten for det som ble kjølt øker noe i starten av forøket. I tillegg viser forsøkene også at intensiteten endres merkbart med tid. Vi tar derfor utgangspunkt i intensitetene så tidlig som mulig i forsøket og plotter ln(intensitet) som funksjon av invers absolutt temperatur i figur 7.

0 20 40 60 80 100 1200

200

400

600

800

1000

Lysin

tensite

t (L

ux)

Tid (s)

24 oC

Modell

Figur 7. Plott av ln(reaksjonshastighet) mot invers absolutt temperatur for å bestemme aktiveringsenergi for reaksjonen i Figur 1. Denne fremstillingen er basert på omgjøringen av Arrhenius ligning (1) til formen:

ln(hastighet) = ln(A) - Ea/(RT) (3) På den måten gir Intercept verdien til ln(A), som i dette tilfellet blir e^16.137 = 10.1*106. Aktiveringsenergien kan bestemmes ut fra at stigningstallet er det samme som –Ea/R. I dette tilfellet er –Ea/R = -2818 K, og med R = 8.314 J K-1 mol-1, bestemmes Ea til 23.4 kJ/mol. Lignende forsøk er rapportert til å ha aktiveringsenergi på 56.4 kJ/mol [3], men det er da ikke oppgitt hvilke typer lys eller farger.

Konklusjon: Vi har kommet frem til en praktisk måte å måle intensiteten til knekklys som funksjon av tid og for forskjellige temperaturer. Reaksjonene i knekklysene er avhengig av temperatur og har en aktiveringsenergi på 23.4 kJ/mol. Reaksjonsorden til knekklysene var vanskelig å bestemme, men så ut til å ha noe over 1. ordens reaksjonskinetikk.

Referanser: [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Diphenyl_oxalate (22.09.2016) [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Arrhenius_equation (22.09.2016) [3] http://www-chem.ucsd.edu/undergraduate/teaching-labs/demos/demo16.html (22.09.2016)

0.0029 0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035 0.0036 0.0037

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

Reaksjonsrate

Lineær tilpassning

ln(I

nte

nsitet)

1/T (1/K)

Equation y = a + b*x

Weight No Weighting

Residual Sum of Squares

0.0026

Pearson's r -0.99925

Adj. R-Square 0.99699

Value Standard Error

DIntercept 16.13701 0.36362

Slope -2818.10575 109.43078

Knekklys

Vi skal undersøke om knekklys lyser forskjellig ved forskjellige temperaturer.

Hypotese:

Vi tror at de forskjellige knekklysene kommer til å lyse litt forskjellig ved de forskjellige

temperaturene.

Teori

Knekklys, også kalt glowsticks, er en slags engangs-lys som ikke krever strøm for å fungere.

Oftest er det et 15 cm langt og 2 cm tykt rør, som inneholder to forskjellige løsninger. Når

lyset knekkes brytes glasset mellom de to løsningene, de blandes og danner en selvlysende

væske. Knekklys fås i mange fine farger, blant annet rosa, rød og gul. Vi fikk bare de grønne.

De finnes også i flere størrelser. Knekklys brukes også i techno-kulturen som fast del av deres

fester.

Utstyr

1. 3 knekklys

2. kaldt vann

3. varmt vann

Metode

Jeg hentet 3 knekklys hos læreren. Vi sparte ett av disse for vi trenger bare 2 knekklys, ett til

kaldt vann og ett til varmt vann. Karsten og Marit hentet glass og isbiter.

i) Vi la isbitene i det ene glasset og fylte på med kaldt vann fra kranen opp til

merkestreken på glasset.

ii) Karsten fylte varmt vann i det andre glasset

iii) Vi lagde lapper til å merke glowstiksene med hvilken temperatur de skal ha. Det

fulgte med en snor som vi brukte for å binde fast disse.

iv) Karsten knakk begge knekklysene, man må være litt sterk for å få det til. De

begynte å lyse med en gang.

Først satte vi det varme knekklyset i det varme vannet og det kalde knekklyset i det kalde

vannet. Vi lot det stå en stund før vi brukte en App på mobiltelefonene til å måle hvor mye de

lyste og tok et bilde. Så byttet vi og gjorde det samme på nytt.

Resultater og observasjoner

Vi så at det varme knekklyset lyste mye mer enn det kalde. Se figur 1. Karsten målte med

Appen og vi fikk mye mer utslag på det varme knekklyset. Så byttet vi og ventet ca 10

minutter. På det andre bildet ser vi at det ble motsatt. Dette er litt rart.

Feilkilder

Vi fikk kanskje det rare resultatet fordi vi merket feil. Vi skulle ha merket glasset istedenfor.

Gruppa til Trine klarte å virkelig knekke det varme lyset så den lysende væsken rant utover

mobilen hennes. Plasten rundt lysene ble myk når den ble varmet opp så glassbitene inni skar

lettere hull på den. Læreren kom og tørka det hele opp med papir og vaska over med vann, og

fortalte at løsningen inni er basisk og må ikke være på huden for lenge. De lysene som ikke er

ødelagte kan kastes i søpla, mens de som lekker må vaskes grundig opp etter. Restene kan da

kastes i søpla.

Konklusjon

Knekklys lyser forskjellig med ulik temperatur. Hypotesen min stemte.