固体と液体の反応速度の求め方

質問

化学部で、硝酸と脱脂綿を反応させてニトロセルロースを作る実験をしていて、その反応速度を調べています。
ちなみに、この化学反応式は
[C6H7O2(OH)3]n ＋ mnHNO3 → [C6H7O2(OH)3-m(ONO2)m]n ＋ mnH2O
です。
反応速度は反応物の濃度のべき関数であらわすそうですが、固体（脱脂綿）の濃度はどのように扱えばよいのでしょうか？

一度、固体の濃度を一定と考えて、硝酸の濃度の関数として計算してみたのですが、どうしても、
v = k [HNO3]^n　という形にはならず、
v = k [HNO3] + q という形になってしまい、うまくいきませんでした。（y切片が０にならない）

どなたか反応速度に詳しい方がいらっしゃれば、固体と液体の反応速度の求め方を教えてください。お願いします。

回答No.1

chem_navi · ベストアンサー

こんにちは．私の研究室では溶液反応で微粒子を作っており，反応速度を扱うことがあるので，分かる範囲でお話させていただきます．

実験方法をご説明致します．各試料，ビーカーをふたつ，かくはんしをふたつ，マグネチックスターラー，ドライヤー，秤量天秤をそれぞれ用意します．一方のビーカーにかくはんしを入れ，硝酸を注ぎます．もう一方のビーカーにかくはんしを入れ，水道水を注ぎます．それぞれのビーカーをマグネチックスターラーでかくはんしておきます．

あらかじめ十分乾燥させた脱脂綿の重量を秤量天秤ではかり，初期重量を記録しておきます．脱脂綿をピンセットでつまみ，つまんだまま硝酸入りビーカーの方につけこみます．このとき，ストップウォッチでつけこむ時間（反応時間）を計ります．つけこむ時間については，いろいろ変えてみて下さい．最低でも５点以上変えましょう（例：５分，１０分，１５分，２０分，２５分・・・）．

たとえば今，５分つけこむとします．このとき，５分たった時点で硝酸入りビーカーから脱脂綿を取り出し，反応を途中で強制的に止めるため，すぐに水道水入りビーカーにつけこみます．十分時間がたったら，脱脂綿を水道水入りビーカーから取り出し，ドライヤーで十分に乾燥させます．乾燥後の脱脂綿の重量を秤量天秤ではかり，重量を記録しておきます．

新しい脱脂綿（最初に用いた脱脂綿と同じ重量のもの），水道水，硝酸を準備して，次はたとえば反応時間１０分で同様にして重量を記録します．今度は，脱脂綿の初期重量を５点変化させて，同様の実験をします．

解析方法についてご説明致します．縦軸に反応後に乾燥させた脱脂綿の重量，横軸に反応時間をプロットして，グラフを脱脂綿の初期重量ごとに分けて作ります．これより，Ｗ＝ａｔ（Ｗは重量，ｔは時間，ａは定数）の１次関数による直線近似式を作成します．

うまくいかない場合は，反応初期のプロットのみを用いて整理してみましょう．得られた近似式をｔで微分（Ｗ÷ｔでも良い）して反応速度（Ｖ）を求めます．脱脂綿の初期重量を５点変えて実験をしていますから，同様にして反応速度は５点求められます．

最後に，縦軸に反応速度，横軸に変化させた脱脂綿の初期重量をプロットし，グラフを作成します．これを累乗近似することにより，Ｖ＝ｋＷ＾ｎの反応速度式を得ます．ただし，ＶとＷはモル基準ではなく，重量基準であることに注意して下さい．

以上，ご参考までにお話させていただきましたが，もっと簡単な方法もあるかもしれません．他の方のご意見もご参考されてみてはいかがでしょうか．とにかく実験はうまくいかないのが当たり前です．遊び心で気楽に楽しみましょう．

お礼

非常に参考になる回答をどうもありがとうございます。
なるほど！脱脂綿の場合は初期重量を濃度の代わりに使うのですね。これなら確かに硝酸の濃度がほとんど変わらない場合、正確な反応速度式が得られます。
私はいままで、硝酸につける時間だけを変化させてきたので、「初期重量」を変化させるという貴方の方法には驚きました。
早速試してみます。今度はうまくいく気がします。大変参考になる回答をしてくださり、本当にありがとうございました。

回答No.2

acethyl

持ってる知識を言っているだけなので、正しいかはちょっとわからないのですが、
反応速度を求めるには、まずこの反応が何次反応で起こっているのかを実験によって調べなくてはならないと思います。
例えば、１分後にはニトロセルロースの濃度がどのくらいか（mol/L）（ここではCとします。）また、５分後はどのくらいか、というふうに数値をとり、グラフを書きます。このとき、横軸は時間ですが、縦軸にln C（自然対数）をとったときにほぼ直線のグラフとなっていれば、１次反応といえます。
縦軸に、1/Cをとったときに直線となっていれば２次反応といえます。
縦軸にCをとったときに直線のグラフならば零時反応といえます。

このとき、速度は　v = kCのn乗（nは反応次数）で表せます。

なんか的を射た解答で無いかもしれませんが参考になればと思います。