Diffusiesnelheid van ionen

Datum: april 2003

Principe:

Meting van de diffusiesnelheid van ionen dmv een neerslagreactie..

Materiaal:

  • water
  • petrischaal
  • spatel
  • zwart papier
  • grafiekpapier
  • natriumcarbonaat
  • nikkelnitraat
  • kobaltnitraat
  • thermometer
  • stopwatch

Uitvoering:
  • Plak een dun strookje grafiekpapier op het zwarte papier. Het moet langer zijn dan de petrischaal 
  • Markeer de startposities, waar we de zouten plaatsen.
  • Positioneer de petrischaal dusdanig dat de streep papier door het midden loopt.
  • Plaats een spatelpuntje van de zouten (nitraten links, soda rechts) op hun startpositie.
  • Start de stopwatch en noteer de temperatuur.
  • Let goed op en noteer het tijdstip waarop een neerslagfront ontstaat.
  • Meet de afstand tot de startpositie (voor het nitraat d+ en voor het carbonaat d-)

Resultaten:

kobalt


nikkel

  

  Nikkel enige tijd later.

positieve 
zout		 molmassa
(g/mol) 		 negatieve 
zout		 molmassa
(g/mol) 		 neerslag
kobaltnitraat
Co(NO3)2.6H2O		 291.03 natriumcarbonaat
Na2CO3		 106.0 kobaltcarbonaat
CoCO3
nikkelnitraat
Ni(NO3)2.6H2O		 290.7 natriumcarbonaat
Na2CO3		 106.0 nikkelcarbonaat
NiCO3

 

Ionen d+ 

(mm)

 d- 

(mm)

 T 

(°C)

 d+
---
d-		 M-+6H2O
--------
M++6H2O		 Tijd

(s)

 v pos. ion

(mm/s)

 v neg. ion

(mm/s)
Co2+ + CO32- 29 31 24.6 0.93 0.99 420 0.07 0.07
Ni2+ + CO32- 35 25 24.8 1.4 0.99 180 0.19 0.14

Discussie:

Dit experiment is een variant op het demonstratie-experiment waarin men zoutzuur gas en ammonia gas naar elkaar toe laat diffunderen in een buis en daar waar ze elkaar raken wordt wit ammoniumchloride gevormd hetgeen men kan zien. Deze variant werkt in water en laat vloeistofdiffusie zien. 

Bij kobalt heb ik niet goed opgelet. De tijd kan dus veel korter zijn. Het front is ook al uitgewaaierd.

Het is een leuk experiment om uit te voeren. Theoretisch moet het nog iets meer uitgediept worden.

Het cobalt experiment moet herhaald worden. Tevens ook proberen een experiment uit te voeren waarbij we kunnen controleren of de gemeten waarde overeenkomt met literatuurwaardes6 weergegeven in onderstaande tabel:

  D
(10-9 m2/s)
Br- 1.9
Cd2+ 0.7
Ca2+ 0.8
Cs+ 2.1
Cl- 2.0
I- 2.0
Na+ 1.3
SO42- 1.1

Voor het nikkel-ion berekenen we een D van 0.4 hetgeen qua grootte orde overeenkomt met de waardes gevonden in bovenstaande tabel.

Opmerkingen:

  • Ik heb dit experiment al willen proberen sinds ik erover gelezen heb in het Chemisch2Weekblad. Het is een heel leuk experiment om te doen. Ik heb de uitvoering enigszins aangepast.

Literatuur:

  1. Peter van der Wilt; 'N&T-onderzoeksprijs uitgereikt aan VWO'ers'; Chemisch2Weekblad; 27 juli 2002; p. 17.
  2. Lars van der Kroon, Peter Lincklaen Arriens; 'Hoe snel diffunderen ionen in water?'; Natuur en Techniek; 2002 11; p.72-74.
  3. Thomas M. Nemetz, David W. Ball; 'A liquid-Phase Diffusion Experiment'; J. Chem. Educ. 1995 72; p. 244-246.
  4. Max. A. Lauffer; Motion in Viscous Liquids'; J. Chem. Educ. 1981 58; p 250-256.
  5. J.M.M. Smith, E. Stammers; "Fysische Transportverschijnselen I"; Delftsche Uitgevers Maatschappij; 1973.
  6. L.P.B.M. Janssen, M.M.C.G. Warmoeskerken; Transport Phenomena Data Companion; Delftse Uitgevers Maatschappij; 2de druk 1991; ISBN 9065620745; p.136.

Achtergrondinformatie:

Eerder behaalde resultaten - literatuurreferentie 2:
Ionen d+ 

(mm)

 d- 

(mm)

 d+
---
d-		 M-+6H2O
--------
M++6H2O		 v pos. ion

(mm/s)

 v neg. ion

(mm/s)
Pb2+ + I- 44 56 0.78 0.74 0.72 0.91
Mg2+ + PO43- 56 44 1.3 1.53 0.54 0.43
Ca2+ + CO32- 55 45 1.2 1.13 0.61 0.50
Cu2+ + OH- 52 48 1.1 0.73 0.83 0.77

Eerder behaalde resultaten - literatuurreferentie 3:

Ionen d+ 

(inches)

 d- 

(inches)

 d+
---
d-		 M-+6H2O
--------
M++6H2O
Pb2+ + I- 1.050 2.138 0.49 0.74
Mg2+ + PO43- 1.833 1.270 1.43 1.53
Ca2+ + CO32- 1.656 1.390 1.19 1.14
Ca2+ + PO43- 1.792 1.292 1.39 1.37

Massatransport

Componenten die zich binnen een fase bewegen doen dit onder invloed van een concentratieverschil.

Er ontstaat dus een stroom als gevolg van een oorzaak, de “drijvende kracht”. Voor een korte lengte Dx kunnen we dan een debietvergelijking opstellen:

(kg.s-1)

Herdefiniëren we deze in termen van eendimensionaal stationair transport dan krijgen we de wet van Fick waarin we de fluxvergelijking opstellen:

(kg.m-2.s-1)

Volgens deze wet is de diffusiesnelheid rechtevenredig met het concentratieverval. Hierin is D de diffusiecoëfficiënt in m2s-1. Het is een temperatuurafhankelijke stofeigenschap en is een maat voor de snelheid waarmee in het betreffende medium stof diffundeert.

Voor de diffusiecoëfficiënten in vloeistoffen vindt men bij kamertemperatuur waarden in de orde van 10-8 a 10-9 m2s-1; voor andere temperaturen kan men een bij een temperatuur gegeven diffusiecoëfficiënt omrekenen met de relatie van Einstein-Nernst-Eyring: Dh/T (h is de viscositeit van het oplosmiddel).

Beschouwen we nu een materiaalbalans over een schijfje met dikte dx en met als oppervlak de eenheid van oppervlak (het volume van het schijfje is dus dx).

 


De balans luidt:

in = uit + accumulatie

Hetgeen de tweede wet van Fick is die informatie geeft over de concentratieverandering in de tijd.

18-01-2017