Ik had onlangs de gelegenheid om een conferentie bij te wonen van de Associated Chemistry Teachers of Texas (ACT2). Ik heb een geweldige tijd gehad in de interactie met en leren van een hele reeks geweldige scheikundedocenten uit de geweldige staat Texas. Een van de meest interessante dingen die ik leerde, was in verwijzing naar het klassieke “whoosh bottle”-experiment, dat wordt aangedreven door de verbranding van isopropylalcohol:
2 C3H7OH(l) + 9 O2(g) a 6 CO2(g) + 8 H2O(g) Vergelijking 1
Interessant is dat de reactie in dit experiment verschillende resultaten oplevert bij verschillende temperaturen (video 1).
Dat is nogal een wezenlijk verschil! Toen ik deze video online deelde, liet een paar mensen opmerken dat het waargenomen verschil misschien niet te wijten is aan een snellere reactiesnelheid bij de hogere temperatuur. In plaats daarvan werd aangevoerd dat het verschil kwam doordat er meer alcoholdamp in de warme fles zit dan in de koude fles, vanwege de hogere dampdruk van alcohol bij hogere temperaturen. We kunnen dit kwantitatief zien door eerst de dampdruk van isopropylalcohol op 5,0 te noterenOC (12 mmHg = 0,016 atm) en 32 OC en 20OC (32 mm Hg = 0,042 atm).1 Omdat het volume van de fles bekend is (5 gallon = 19 L), kunnen we de gaswet (als n = PV/RT) gebruiken om het aantal mol isopropylalcohol in elke fles te berekenen:
Dat is ongeveer 2,5 keer meer alcoholdamp in de warme fles dan in de koele. Omdat de reactiesnelheid toeneemt met een hogere concentratie van reactanten, is het waargenomen effect misschien in werkelijkheid te wijten aan de aanwezigheid van meer brandstof in de warme fles.
Of is het…?
Ik besloot hier wat verder naar te kijken, in een poging de Arrhenius-vergelijking te gebruiken om de kinetische snelheden van de reactie bij de verschillende temperaturen te vergelijken:
Waar k de snelheidsconstante voor de reactie is, is A de pre-exponentiële factor, Ea is de activeringsenergie voor de reactie, T is temperatuur en R = 8,314 J mol-1 K-1. De verhouding van de waarden van de snelheidsconstanten op 20OC (293 K) en 5OC (278 K) zou dus zijn:
Substitutie van 125 kJ mol-1 als schatting voor de activeringsenergie van de verbranding van isopropanol2-4 in vergelijking 3 levert op:
Daarom suggereert deze analyse dat de verbranding in de warme fles ongeveer 16 keer sneller zou moeten verlopen dan in de koude fles.
Dus wat is het?
Welnu, 16 (kinetisch temperatuureffect) is meer dan 5 keer groter dan 2,5 (hoeveelheid brandstofeffect), dus misschien moeten deze analyses mij tot de conclusie leiden dat de verbranding in de hete “zoete fles” sneller gaat vanwege het effect van temperatuur op reactie tarieven – niet door de aanwezigheid van meer brandstof in de hete fles in vergelijking met de koele. Maar eerlijk gezegd weet ik het niet zeker. Ik voel me niet helemaal op mijn gemak met mijn schatting van de activeringsenergie van isopropanolverbranding gebruikt in de Arrhenius-analyse. Ik weet ook niet zeker of de analyse van Arrhenius die ik deed helemaal juist is. Verder heb ik er alle vertrouwen in dat er meerdere soorten verbranding plaatsvonden in de warme fles, maar niet in de koele fles. Ik zeg dit omdat ik zag dat er zich roet had gevormd aan de buitenkant van de warme fles, maar niet aan de koele fles nadat de reactie was verdwenen (kijk hier goed naar in Video 1). De vorming van roet duidt op onvolledige verbranding, waarbij koolmonoxide (vergelijking 4) en roet (vergelijking 5) worden gevormd:
C3H7OH(l) + 3O2(g) a 3 CO(g) + 4 H2O(g) Vergelijking 4
2 C3H7OH(l) + 3O2(g) a 6 C (s, roet) + 8 H2O(g) Vergelijking 5
Als er meerdere reacties optreden in de warme fles, maar alleen volledige verbranding in de koele fles, maakt dit de zaken nog ingewikkelder. Uiteindelijk, als ik moest raden, zou ik durven stellen dat beide effecten een rol spelen.
Maar ik zou graag willen weten wat jullie denken. Waarom gaat de “whoosh bottle” sneller bij hogere temperaturen? Komt het simpelweg door het effect van temperatuur op de reactiekinetiek? Of komt het omdat er meer alcoholdamp in de warmere fles aanwezig is door de hogere dampdruk van alcohol bij verhoogde temperatuur? Kunnen beide de reactiesnelheid beïnvloeden? Welke gedachten of kritiek heeft u op mijn hier gepresenteerde analyse? Heb je suggesties voor experimenten die ik zou kunnen proberen om te testen welke van deze twee mogelijkheden de waarnemingen beter beschrijft? Ik kijk er naar uit om van je te horen, en om meer experimenten uit te voeren met het effect van temperatuur op de “whoosh bottle”.
Veel plezier met experimenteren!
Erkenning:
Dank aan Dr. Bob Shelton van de Texas A&M University in San Antonio voor het tonen van deze demonstratie.
Referenties:
- Parken, GS; Barton, B. J. Am. Chem. Soc. 1928, 5024-26.
- Vandenabeele, H.; Corbeels, R.; van Tiggelen, A. Verbranding en vlam, 1960, 4253-260.
- Frasoldati, A.; Cuoci, A.; Faravelli, T.; Niemann, U.; Ranzi, E.; , Seiser, R.; Seshadri, K. Verbranding en vlam, 1960, 4253-260.
- Voor experimenteel gemeten waarden voor de activeringsenergie van de verbranding van isopropanol heb ik in de literatuur geen waarde kunnen vinden. Referentie 3 vermeldt echter wel een waarde van minder dan 35 kcal mol-1 (146 kJ mol-1) gebaseerd op een combinatie van metingen en theoretische berekeningen. Verder noemt referentie 2 36,5 kcal mol-1 (153 kJ mol-1) als activeringsenergie voor methaan verbranding. Deze overwegingen suggereren 125 kJ mol-1 is een eerlijke schatting.
