Eksperimen: Kesan mangkin terhadap kadar tindak balas

Mangkin ialah faktor keempat yang diminta bab Kadar Tindak Balas Tingkatan 4 untuk disiasat, dan ia yang paling mengejutkan pelajar, kerana sedikit pepejal boleh menukar tindak balas yang perlahan menjadi cepat tanpa digunakan. Penguraian hidrogen peroksida kepada air dan oksigen ialah demonstrasi piawai, menggunakan mangan(IV) oksida sebagai mangkin. Panduan ini menyusun tujuan, kaedah, pemerhatian dan kemahiran Kertas 3 yang dihargai dalam pentaksiran amali.

Tujuan

Untuk menyiasat kesan mangkin, mangan(IV) oksida, terhadap kadar penguraian larutan hidrogen peroksida, diukur melalui betapa cepat gas oksigen dihasilkan.

Radas dan bahan

• Kelalang kon
• Picagari gas, atau silinder penyukat dan besen untuk mengumpul gas melalui air
• Salur penghantar dengan penyumbat yang muat pada kelalang kon
• Jam randik
• Silinder penyukat (contohnya 50 cm³)
• Neraca elektronik
• Spatula
• Larutan hidrogen peroksida dengan satu kepekatan yang tetap
• Serbuk mangan(IV) oksida (mangkin)
• Kayu uji (untuk menguji oksigen)

Prosedur

1. Sukat isi padu tetap larutan hidrogen peroksida ke dalam kelalang kon menggunakan silinder penyukat.
2. Tanpa menambah sebarang mangkin, pasang penyumbat dan salur penghantar yang disambung ke picagari gas dan mulakan jam randik, mencatat isi padu oksigen yang terkumpul pada sela masa tetap.
3. Cuci kelalang dan sukat isi padu tetap yang sama bagi larutan hidrogen peroksida yang sama ke dalamnya.
4. Timbang jisim tetap serbuk mangan(IV) oksida dan masukkannya ke dalam larutan, segera pasang penyumbat dan salur penghantar, dan mulakan jam randik serta-merta.
5. Catat isi padu oksigen yang terkumpul pada sela masa tetap yang sama sehingga tindak balas berhenti.
6. Untuk mengesahkan gas itu oksigen, pegang kayu uji berbara pada mulut salur; ia menyala semula.
7. Plot isi padu oksigen melawan masa bagi kedua-dua larian pada paksi yang sama, dan bandingkan kecuraman lengkung.
8. Secara pilihan, turas, keringkan dan timbang semula mangan(IV) oksida untuk menunjukkan jisimnya tidak berubah.

Pemerhatian yang dijangka

Tanpa mangkin, hanya sedikit gas dihasilkan dengan perlahan, jadi omboh picagari gas bergerak keluar dengan sangat beransur. Dengan mangan(IV) oksida ditambah, terdapat pembuihan pantas, campuran mungkin terasa suam, dan oksigen terkumpul dengan cepat, jadi lengkung isi padu gas melawan masa jauh lebih curam pada permulaan. Kayu uji berbara menyala semula, mengesahkan gas itu oksigen. Apabila mangan(IV) oksida diperoleh semula, dikeringkan dan ditimbang semula, jisimnya sama seperti sebelumnya, menunjukkan ia tidak digunakan.

Inferens dan kesimpulan

Lengkung yang jauh lebih curam dengan mangkin menunjukkan kadar tindak balas yang jauh lebih cepat. Mangan(IV) oksida ialah mangkin: ia mempercepatkan penguraian hidrogen peroksida dengan menyediakan laluan tindak balas alternatif yang mempunyai tenaga pengaktifan lebih rendah, jadi lebih banyak pecahan perlanggaran mempunyai tenaga cukup untuk bertindak balas. Kerana jisimnya tidak berubah pada akhirnya, ia tidak digunakan oleh tindak balas. Kesimpulannya, mangkin meningkatkan kadar tindak balas tanpa dirinya digunakan, dan isi padu oksigen akhir bergantung hanya pada amaun hidrogen peroksida yang terurai.

Kemahiran proses sains (gaya Kertas 3)

Menyatakan hipotesis. Menambah mangan(IV) oksida meningkatkan kadar penguraian hidrogen peroksida. Hipotesis mengaitkan pemboleh ubah dimanipulasi dengan pemboleh ubah bergerak balas.

Mengenal pasti pemboleh ubah. Pemboleh ubah dimanipulasi ialah kehadiran atau ketiadaan mangkin. Pemboleh ubah bergerak balas ialah kadar tindak balas, diukur sebagai isi padu oksigen yang terkumpul dalam masa tetap. Pemboleh ubah dimalarkan ialah isi padu dan kepekatan hidrogen peroksida serta suhu.

Menjadualkan data. Lukis jadual dengan lajur untuk masa dan lajur berasingan untuk isi padu oksigen yang terkumpul dengan dan tanpa mangkin, semua pada ketepatan yang sama seperti dibenarkan picagari gas.

Melukis graf. Plot isi padu oksigen (paksi-y) melawan masa (paksi-x) bagi kedua-dua larian pada paksi yang sama. Lengkung yang lebih curam, dengan mangkin, menunjukkan tindak balas yang lebih cepat; kedua-dua lengkung mendatar pada isi padu akhir yang sama.

Membuat definisi secara operasi. Mangkin ditakrifkan secara operasi sebagai bahan yang meningkatkan kadar tindak balas, ditunjukkan oleh pengumpulan gas yang lebih cepat, tetapi jisimnya tidak berubah pada akhirnya.

Membuat inferens. Mangkin berfungsi dengan merendahkan tenaga pengaktifan, jadi lebih banyak perlanggaran berkesan dan kadar meningkat, manakala jisim yang kekal sama menunjukkan ia tidak digunakan.

Langkah keselamatan

• Pakai gogal keselamatan, kerana hidrogen peroksida boleh merengsa mata dan kulit.
• Masukkan mangan(IV) oksida dengan berhati-hati dan pasang penyumbat tanpa memaksanya, kerana tindak balas boleh rancak dan mungkin menyembur campuran.
• Jauhkan kayu uji berbara daripada tindak balas sehingga menguji, dan jauhkan nyalaan daripada oksigen yang terkumpul, kerana oksigen menyokong dan mempercepatkan pembakaran.
• Basuh sebarang percikan hidrogen peroksida daripada kulit dengan segera menggunakan banyak air, kerana ia boleh melunturkan dan merengsa.

Ralat lazim

• Isi padu atau kepekatan hidrogen peroksida yang berbeza. Ini menukar kadar secara bebas daripada mangkin; gunakan larutan dan isi padu yang sama dalam kedua-dua larian.
• Lewat memasang penyumbat bagi larian mangkin. Tindak balas cepat, jadi oksigen terlepas jika penyumbat lewat; sediakan radas dan sambungkannya sebaik mangkin masuk.
• Menguji gas dengan kayu bernyala dan bukan berbara. Oksigen menyalakan semula kayu berbara; gunakan kayu berbara, bukan bernyala, untuk ujian yang betul.
• Menganggap mangkin ialah bahan tindak balas. Ia tidak muncul dalam persamaan dan jisimnya tidak berubah; huraikannya sebagai mangkin, bukan bahan tindak balas.
• Membaca isi padu gas dengan paralaks. Baca picagari pada aras mata supaya isi padu betul.

Cara guru kami menggunakan eksperimen ini

Dalam kelas Kimia SPM satu-ke-satu, diajar dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, kami menggunakan eksperimen ini untuk mengukuhkan definisi mangkin yang dikehendaki peperiksaan: ia mempercepatkan tindak balas dengan menyediakan laluan bertenaga pengaktifan lebih rendah dan tidak digunakan, jadi jisimnya tidak berubah. Kami mengulang ujian oksigen, kayu berbara menyala semula, dan graf dua lengkung yang menunjukkan larian mangkin naik lebih cepat ke isi padu akhir yang sama. Kerana faktor mangkin diperiksa merentasi Kimia SPM dan ini amali Kertas 3 yang klasik (Kertas 3 ialah Ujian Amali yang menaksir kemahiran proses sains), kaedah yang jelas dan definisi yang tepat di sini melindungi markah yang mudah hilang.