Методички, учебники / Кинетика - практикум

Первую пробу отбирают пипеткой (25 мл) через 10 минут после начала реакции.

Отобранную пробу вливают в коническую колбу для титрования, содержащую 25–30 мл раствора NaHCO3. Раствор гидрокарбоната натрия добавляется для нейтрализации кислоты, что приводит к торможению реакции в отобранной пробе.

Содержание йода во взятой пробе определяют титрованием раствором тиосульфата

(гипосульфита) натрия в присутствии крахмала.

К анализируемой пробе по каплям из бюретки добавляют раствор тиосульфата натрия до изменения окраски раствора из красно-бурой в светло-желтую. После чего к раствору добавляют несколько капель коллоидного раствора крахмала (раствор приобретает синий цвет) и продолжают титрование до полного обесцвечивания.

Всего отбирают 6 – 7 проб через каждые 10 минут.

За протеканием реакции наблюдают по результатам анализа проб, отбираемых с интервалом 10 минут.

Во время отбора проб колбу из термостата не вынимают. После каждого отбора пробы колбу с реакционной смесью закрывают пробкой во избежание улетучивания ацетона.

При титровании протекает следующая реакция:

2

+ =

+ 2

Концентрация ацетона, вступившего в реакцию, определяется по уравнению:

=∙

где – объем раствора

израсходованный на титрование данной пробы, мл;

–объем раствора , который должен был быть израсходован на титрование в момент начала реакции, мл;

–нормальность раствора тиосульфата натрия, моль·экв./л.

Значение практически определить не удается, так как от момента вливания

ацетона до момента отбора первой пробы протекает значительное время. Поэтому

значение определяют графически, методом экстраполяции. Так как объем тиосульфата

натрия, израсходованного на титрование пропорционален концентрации йода, а порядок

реакции по йоду равен нулю, то для нахождения			необходимо построить график в
координатах		экстраполяцией полученной прямой до		= 0	по отсекаемому на
оси ординат	отрезку определить .
	− , и

21

Объем Na2S2O3 , мл

35

30

25

20

15

10

5

0

0

10

20

30

40

50

60

70

Время, мин.

Рассчитывают значения констант скорости реакции, используя значения

,ац , ,

,

и . При расчетах необходимо учесть разбавление кислоты и ацетона:

,ац =

ац ∙ ац

, =

к

ты∙ к ты

колбы

колбы

где ац – концентрация исходного раствора ацетона, моль/л;

к

ты –концентрация исходного раствора кислоты, моль/л;

ац – объем ацетона, используемый для приготовления реакционной смеси, мл;

к

ты– объем кислоты, используемый для приготовления реакционной смеси, мл;

колбы - объем реакционной колбы (250 мл).

Результаты измерений и расчетов занести в таблицу2.

Таблица 2

Температура опыта ….; объем раствора HCl ….

Объем Na2S2O3,

Константа

Время от начала реакции

,

скорости k,

№

, мл

, мин

моль/л

л

1.

моль ∙ мин

2.

3.

…

Рассчитывают среднее значение константы скорости реакции. Вычисляют энергию

активации реакции и

температурный коэффициент Вант-Гоффа (константа скорости

1,6 ∙ 10

моль∙мин

реакции при температуре 20

составляет

22

л

).

Лабораторная работа 12. Определение константы скорости инверсии сахарозы

Гидролитическое расщепление сахарозы на глюкозу и фруктозу протекает по уравнению:

С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6 (глюкоза)+ С6Н12О6 (фруктоза)

Эта реакция бимолекулярная, однако, в большом избытке воды (слишком велика разница в молекулярных массах компонентов) изменением последней можно пренебречь

ипринять, что скорость реакции описывается кинетическим уравнением первого порядка:

=− =

Скорость инверсии сахара в нейтральной среде очень мала. Присутствие ионов водорода как катализатора ускоряет реакцию и делает её доступной для наблюдения.

После несложных преобразований получаем зависимость концентрации во времени

где – начальная концентрация	сахарозы при			.
	ln = ln	−
Следовательно, если реакция имеет первый			порядок, то логарифм концентрации
			= 0

линейно уменьшается во времени.

Константу скорости реакции можно определить путем измерения концентрации во времени, используя уравнение:

=

Концентрацию можно измерять любыми возможными способами. Особенно удобны физико-химические методы измерений, когда измеряется какое-либо свойство системы, однозначно зависящее от концентрации. Для изучения инверсии сахарозы применяют поляриметрический метод.

Сахароза, глюкоза и фруктоза являются оптически активными веществами, их растворы вращают плоскость поляризации света. Вещества, которые вращают плоскость поляризации света, называются оптически активными. Оптическая активность характеризуется удельным вращением.

Угол поворота плоскости колебаний поляризованного луча называют углом вращения плоскости поляризации и обозначают α. Его величина прямо пропорциональна толщине слоя d и концентрации активного вещества с:

23

=∙ ∙

Коэффициент пропорциональности а называют постоянной поляризации или удельным вращением, он зависит от природы вещества, длины волны, температуры и природы растворителя. Удельное вращение равно углу вращения (в градусах) в слое раствора толщиной 1 дм, содержащего 1 г вещества в 1 см 3 при 20°С, при определенной длине волны. Зная угол вращения, удельное вращение (справочная величина) и толщину слоя раствора, можно вычислить его концентрацию.

Скорость инверсии тростникового сахара удобно изучать по изменению во времени угла вращения плоскости поляризации исследуемого раствора. Удельное вращение сахарозы, глюкозы и фруктозы составляет соответственно 66,55°, 52,5° и –91,9°, т.е.

сахароза и глюкоза вращают плоскость поляризации вправо, фруктоза – влево. В ходе реакции угол вращения α является функцией непрерывно изменяющихся концентраций всех трех углеводов. Следовательно, по мере протекания реакции инверсии правое вращение постепенно уменьшается и становится левым.

Поскольку смесь продуктов реакции оптически активна, концентрация сахарозы в любой момент времени, входящая в кинетическое уравнение, пропорциональна углу вращения, отсчитанному относительно угла вращения продуктов реакции α∞ после завершения последней, т.е. величине ( –α∞.). Отношение концентраций в кинетическом уравнении можно заменить отношением углов вращения (α0 – α∞) к ( – α∞), т.е.

=

где α0 – угол вращения в момент начала реакции; - угол вращения в момент времени от начала реакции;

- угол вращения в после завершения реакции.

Для измерения угла вращения плоскости поляризации используются специальные оптические приборы – поляриметры. Чаще всего применяются так называемые полутеневые поляриметры

24

Рис. 13. Схема поляриметра: 1 - источник света; 2 - светофильтр; 3 - поляризатор; 4 -

поляриметрическая трубка; 5 - зеркало; 6 - лупа; 7 - окуляр; 8 - анализатор; 9 - указатель; 10 – лимб.

Вращением ручки анализатора его можно установить в такое положение, когда прошедший через поляризатор свет гасится, а поле зрения в окуляре поляриметра равномерно слабо освещено (установка на полутень).

Рис. 14. Поле зрения в окуляре полутеневого поляриметра.

Угол поворота анализатора отсчитывается по шкале (лимбу), движущейся при его вращении и неподвижному нониусу с точностью до десятых долей градуса. Отсчеты производятся следующим образом. Число целых градусов определяют по последнему делению шкалы, которое оказывается слева от нуля (центральной метки) нониуса; десятые доли градуса определяют на правой части шкалы нониуса по делению, совпадающему в данном положении с каким-либо делением основной шкалы лимба. Так отсчитывают положительные углы вращения. Например, на рисунке угол вращения соответствует 20,3°.

При вращении анализатора в противоположную сторону отсчитывают отрицательные углы вращения. Десятые доли градуса определяются по делениям в левой части шкалы.

Рис. 15. Отсчет по шкале поляриметра.

Оборудование и реактивы:

коническая колба объемом 50-100 мл;

25

пипетки объемом 5 и 10 мл;

20% масс. раствор сахарозы;

раствор серной кислоты с концентрацией 20 моль/л;

поляриметр полутеневой;

поляриметрическая трубка.

Последовательность выполнения работы

Заливают в поляриметрическую трубку готовый раствор, в котором реакция уже прошла до конца и определяют α∞.

В колбу пипеткой отбирают 10 мл раствора сахарозы и туда же вливают 10 мл

H2SO4 заданной концентрации. Раствор кислоты готовят разбавлением 10 н. раствора

H2SO4.

Момент сливания кислоты с раствором сахара отмечают по часам как время начала реакции. Смесь тотчас же тщательно перемешивают и быстро вливают в хорошо вымытую поляриметрическую трубку, предварительно сполоснув её дистиллированной водой и два раза небольшим количеством исследуемого раствора. При наполнении трубки нужно следить за тем, чтобы в нее не попал воздух, так как пузырьки воздуха вызывают в поле зрения появление темных пятен.

Трубку наполнить до краев, чтобы жидкость образовала выпуклый мениск, затем осторожно сбоку надвинуть покровное стеклышко и навинтить кольцо, прижимающее стекло к торцу трубки. Наполненную трубку обтереть снаружи фильтровальной бумагой,

обратив особое внимание на чистоту, сухость и прозрачность стекол, закрывающих торцы трубки, и поместить в желобок поляриметра в крайнее положение, ближайшее к окуляру.

Вращая ручку анализатора, добиться такого его положения, чтобы поле было равномерно освещено, а даже незначительный поворот ручки приводил к появлению двух контрастных полей.

Угол вращения определяют через различные промежутки времени от начала реакции. При этом записывают показание шкалы прибора и соответствующее ему время по часам.

Угол α0, соответствующий моменту начала реакции, непосредственно измерить не удается, так как от начала реакции до первого измерения проходит значительное время,

поэтому α0 определяют графически. Для этого строят графическую зависимость ln(ατ–α∞)

от времени τ. Точка пересечения полученной прямой и оси ординат при τ = 0

26

соответствует значению ln(α0–α∞).

Рис. 16. Графическое определение α0.

Константу скорости рассчитывают по уравнению:

=	1	−
		−

Результаты измерений и расчетов сводят в таблицу 3.

					Таблица 3.
№ п/п	Время от начала		−	( − )	k,
	реакции, мин.				мин.-1
1
2
…

27