Mgと酸の反応速度と酸の価数の関係

質問

高校一年の男です。
学校の授業でMgと酸を反応させ、その反応速度から酸を分類する実験を行いました。３つの酸で実験を行い、その酸が１価の弱酸、１価の強酸、２価の強酸であることは分かっています。順に酢酸、塩酸、硫酸と考えるが妥当かと思います。一番反応速度の遅いものが酢酸だと同定することはできるのですが、残りの２つが塩酸、硫酸のそれぞれどちらにあてはまるのかわかりません。反応速度には２倍強の違いがあります。
理由もつけて御回答頂けたら幸いです。

回答No.2

anthracene · ベストアンサー

＞速度の差が変？

平衡移動によってプロトンが供給される効果で、速度に対する濃度差がキャンセルされているのかな、とも思ったのですが、よく考えるとそれはおかしいですね。

2AH + Mg <> 2A^- + 2H^+ + Mg -> A2Mg + H2

仮にプロトンとマグネシウムの反応が律速で、平衡移動の方が圧倒的に速いとしたら・・・
結局、酢酸の場合、溶液中のプロトン量は常に塩酸に比べ２桁程度少ないことになりますから矛盾。
つまり、1Mの塩酸だと、最初からほぼ1Mのプロトンがいます。
１Mの酢酸だと、最初はほぼ0.01Mのプロトンがいます。これが消費されると、平衡移動でプロトンが供給されますけど、やっぱり0.01Mくらいが供給されるだけですから、塩酸に比べるとプロトン量は少ないことになっちゃいますね。
速度はプロトン濃度に比例するはずですから、10倍程度の差におさまるというのは納得しがたい。

逆に平衡移動の方が圧倒的に遅いとしたら・・・
これだと、もっと酢酸が遅くなるだろうからやっぱり矛盾。
だって、1Mの酢酸で、最初にいた0.01Mのプロトンが消費された後、平衡が遅いのでなかなか次のプロトンが供給されないことになってしまう。もたもたしているうちに、最初っからすべてのプロトンを放出していた塩酸の方はどんどん反応が進みます。
それに平衡移動の方が遅いというのはうそ臭いなぁ、とも思うし。

むしろ実験条件の方に原因を求めるべきでしょうか？
使ったマグネシウムの条件がほんとうにイコールだったかも肝ですかね。質量は同じでも、粒サイズが違っていたりで表面積が結構違っていたとか？
こっちの方が原因としては妥当では。不均一反応なので、金属の表面の状態および表面積で反応速度は大きく変わります。1桁程度の差を埋めてしまってもおかしくはない。

もっと厳密にやりたければ、反応の時間変化を追跡してみては？
条件が完全にそろっていれば、おそらく、マグネシウムを加えた瞬間の反応速度には、塩酸と酢酸では大きな差が見られるはずです。
あとは、反応速度の再現性ですかね。
マグネシウムの状態によるのなら、人によって結果が結構違っていてもおかしくありません。

速度の細かい測定は実際にできるかは分かりませんねー、でも。
ガスビュレットで水素量を測っているのなら、時間を１０秒単位くらいで区切ってガス量を測って、エクセルなどでプロットしてみては？

お礼

ご回答ありがとうございます。
マグネシウムの状態に差があったというのは思いつきませんでした。確かに粒子が小さい物のほうが大きい物よりも速く反応は進むでしょうから十分原因として考えられますね。
また、実験中も酢酸の時だけムキになってフラスコを振っている人がいたような・・・。それだけで反応速度に違いが出てしまいますから、慎重にやるべきだと反省しました。

ちなみに、所詮高１の実験ですからガスビュレットなどは使わず、メスシリンダーを使用しました。

詳しい説明ありがとうございました。

回答No.1

noname#62864

仮に反応速度が水中の水素イオン濃度に比例すると考えれば、弱酸である酢酸では水素イオン濃度が他の酸よりも低いために、反応速度は遅いものと考えられます。
また、１価の強酸と２価の強酸の濃度が同じであるとすれば、その水素イオン濃度はその酸の価数に比例するはずですから、２価の強酸の水素イオン濃度は１価の強酸の２倍になり、反応速度も２倍になるはずです。

そういう風に考えれば、２価の強酸の方が反応速度が速く、１価の強酸の約２倍になると想像できます。

ただし、「反応速度が水中の水素イオン濃度に比例する」と仮定すればの話です。これが正しいかどうかはわかりませんが、与えられた条件の範囲内では、このような仮定でもしない限りは結論が出せませんね。

お礼

すみません。すべて１Ｍの酸あることを述べ忘れていました。
確かに、そうと仮定しない限り（実際そのような気もしますが）答えは導けないようですね。ただ、酢酸と一番発生速度が速い酸の発生速度が１０倍くらいの差で、酢酸の電離度（α≒0.01)を考えるとどうもひっかかるのですが・・・。
ご回答ありがとうございます。