1. 4. Примеры решения задач

Пример 1. Написать выражения закона действия масс для следующих реакций:

а) 2NO_(газ) + Сl_{2 (газ)} = 2NOCl_(газ) ;

б) CaCO_{3 (тверд.)} = CaO _{(тверд.)} + CO_{2 (газ)} .

Решение.

а) Оба исходных реагента – газы, поэтому их концентрации войдут в выражение для скорости реакции в соответствии с формулировкой закона действия масс:

υ = k·[NO]²·[Cl₂].

б) Карбонат кальция – твердое вещество, концентрация которого не изменяется в ходе реакции, поэтому его концентрация в выражение закона действия масс не входит, а других исходных реагентов в данной реакции нет. Следовательно, выражение для скорости будет иметь вид:

υ = k ,

и в данном случае скорость реакции (при постоянной температуре) будет постоянной величиной.

Пример 2. Как изменится скорость реакции 2СO + О₂ = 2СО₂ , протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 2 раза?

Решение. Скорость указанной химической реакции определяется выражением:

υ_нач = k·[СО]²·[О₂].

Увеличение давления приводит к увеличению концентрации обоих реагентов в 2 раза. С учетом этого перепишем выражение закона действующих масс:

υ₁ = k·[2СО]²·[2О₂] = k·2² [СО]²·2[О₂] = 8k·[СО]²·[О₂] = 8 υ_нач .

Ответ: Скорость реакции увеличится в 8 раз.

Пример 3. Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, если повысить температуру системы от 20 °С до 100 °С, приняв значение температурного коэффициента скорости реакции равным 3.

Решение. Отношение скоростей реакции при двух разных температу­рах связано с температурным коэффициентом и изменением температуры формулой:

.

Вычисление:

^.

Ответ: Скорость реакции увеличится в 6561 раз.

Пример 4. . При изучении гомогенной реакции А + 2В = 3D установле­но, что в течение 8 минут протекания реакции количество вещества А в реак­торе уменьшилось с 5,6 моль, до 4,4 моль. Объем реакционной массы состав­лял 56 л. Вычислить среднюю скорость химической реакции за исследован­ный промежуток времени по веществам А, В и D.

Решение. Используем формулу в соответствии с определением понятия «средняя скорость химической реакции» и подставляем численные значения, получая среднюю скорость по реагенту А:

.

Из уравнения реакции следует, что по сравнению со скоростью убыли вещества А скорость убыли вещества В вдвое больше, а скорость увеличения количества продукта D — втрое больше. Следовательно:

υ_(А) = ½υ_(В) =⅓υ_(D)

и тогда υ_(В) = 2υ_(А) = 2·2,68·10^–3 = 6, 36·10^–3 моль·л^–1·мин^–1;

υ_(D) = 3υ_(А) = 3·2,68·10^–3 = 8, 04·10^–3 моль·л^–1·мин^–1.

Ответ: υ_(А) =2,68·10^–3 моль·л^–1·мин^–1; υ_(В) = 6, 36·10^–3 моль·л^–1·мин^–1; υ_(D) = 8, 04·10^–3 моль·л^–1·мин^–1.

2. Экспериментальная часть

Содержание работы:

1. После ознакомления с теоретическим материалом выполнить нижеприведенные опыты 1 и 2 и записать данные о времени прохождения реакции (τ) в соответствующие столбцы таблиц.

2. На основании полученных данных рассчитать скорость реакции υ для каждого случая концентрации или температуры.

3. Построить графики зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ и температуры.

4. Произвести расчеты величины температурного коэффициента γ по данным опыта 2.

5. Сделать выводы о влиянии концентрации реагирующих веществ и температуры на скорость химических реакций.

Опыт 1. Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции

В данном опыте используется химическая реакция взаимодействия сульфита натрия Na₂SO₃ с иодатом калия KIO₃ в кислой среде, которая может быть выражена уравнением:

5Na₂SO₃ + H₂SO₄ + 2KIO₃ = I₂ + 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ + H₂O.

Появление йода легко обнаруживается в присутствии крахмала по окрашиванию раствора в синий цвет.

Моментом начала реакции считают момент сливания реагентов, а концом реакции – момент выделения свободного иода в достаточном количестве для визуального наблюдения по появлению синей окраски в растворе. Таким образом, используя секундомер или часы с отсчетом секунд, можно определить время течения процесса. Изменяя концентрацию раствора одного из реагентов (в проводимом опыте — иодата калия), можно установить зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ при постоянной температуре.

Для выполнения опыта в три стакана (пронумерованы 1, 2, 3) налить по 20 мл раствора сульфита натрия Na₂SO₃ , подкисленного серной кислотой и содержащего небольшое количество крахмала (в склянке находится уже готовый раствор!). В трех других стаканах (пронумерованы 1`, 2`, 3`) приготовить по 30 мл растворов KIO₃ с различной концентрацией, для чего в первый стакан налить 30 мл раствора KIO₃ из имеющейся склянки с раствором, во второй — 20 мл раствора KIO₃ и 10 мл воды; в третий — 10 мл раствора KIO₃ и 20 мл воды.

Слить по очереди попарно растворы Na₂SO₃ и KIO₃ (рекомендуется раствор тиосульфата натрия быстро вылить в стакан с раствором KIO₃) и опре­делить по секундомеру время τ с момента сливания до появления синего окрашивания в каждом стакане. Результаты опыта зане­сти в таблицу по форме таблицы:

№ стакана	Объем, мл <			Концен­трация KIO3	Промежуток времени от начала от­счета до по­явления ок­раски, τ, с	Ско­рость реакции, , с^–1
	Na2SO3	H2O	KIO3
	а	б	в
1	20	0	30
2	20	10	20
3	20	20	10

Произвести в каждом случае расчет концентрации (относительного содержания) KIO₃ и скорости реакции по формулам, приведенным в верхней строке таблицы. Сделать вывод о зависимости скорости реакции от концен­трации.

Результаты опыта представить в виде графика зависимости скорости реакции от концентрации иодата калия υ=ƒ(с). На оси абсцисс откладывают значения концентрации KIO₃, а на оси ординат – значения скорости реакции (в условных единицах).

При построении графика масштабы по его осям выбирают таким образом, чтобы график занимал около четверти тетрадного листа. Сначала определяют диапазон изменения каждой величины, затем решают, какой интервал должны охватывать величины, изображаемые на каждой из осей, чтобы этот интервал был в 1,2-2,0 раза больше, чем диапазон действительного изменения скорости, концентрации или температуры. Интервал отмечаемых на осях численных значений не должен обязательно начинаться от нуля, но должен начинаться и заканчиваться числами как можно с меньшим количеством значащих цифр – не нулей (например, интервал температуры от 20 до 50 °С, а не от 22 до 48 °С). Интервал делят на равные части, число которых — обычно от трех до десяти — выбирают так, чтобы наносимые на оси значения величин также представляли числа с наименьшим количеством значащих цифр, не являющимися нулями (например, 1,00–1,25–1,50–1,75–2,00, а не 1,00–1,33–1,67–2,00). После этого выбирают удобный масштаб по каждой из осей графика. Числовые значения величин, определенных в ходе эксперимента (температура) или рассчитанные (скорость реакции) на осях графика не отмечают, а просто изображают каждую точку на плоскости графика по ее координатам, сообразуясь с выбранным масштабом.

Опыт 2. Влияние температуры на скорость химической реакции

В опыте используется реакция взаимодействия серной кислоты H₂SO₄ с тиосульфатом натрия Na₂S₂O₃ , протекающая по уравнению:

H₂SO₄ + Na₂S₂O₃ = Na₂SO₄ + H₂O + SO₂↑ + S↓ .

Окончание реакции определяется по появлению помутнения раствора вследствие образования коллоидной серы.

Для выполнения опыта приготовить 6 пробирок. В три из них (1, 2, 3) налить по 5 мл раствора тиосульфата натрия. В три другие (1`, 2`, 3`) налить по 5 мл раствора серной кислоты. Взять первую пару пробирок (1 и 1`) и раствор серной кислоты прилить к раствору тиосульфата натрия. По секундомеру определить время τ от момента сливания растворов до появления мути (мутность раствора развивается постепенно при прохождении реакции, поэтому следует дождаться появления очевидной мутности, запомнить вид раствора при этом, а при сливании двух других пар пробирок определять время реакции при такой же степени мутности). Температуру реакции для первой пары пробирок принять равной комнатной; температуру измерить по термометру в помещении лаборатории (или по термометру, установленному в водяной бане, в которой будет производиться нагревание остальных четырех пробирок при условии, что баня не нагрета).

Остальные четыре пробирки поместить в водяную баню. Нагреть воду до температуры на 10° выше, чем для первой пары пробирок, после чего выключить газ и выдержать пробирки в нагретой воде в течение двух минут. Затем раствор серной кислоты из пробирки 2` прилить к раствору тиосульфата натрия в пробирке 2. Измерить время до появления мути. Включить газ и продолжить нагревание водяной бани с третьей парой про­бирок до температуры на 20° выше, чем для первой пары пробирок. Слить содержимое пробирок (из пробирки 3` в пробирку 3) и опреде­лить время до появления мути. Результаты опыта занести в таблицу по форме таблицы:

№ пары растворов	Температура, t, °С	Промежуток времени от начала отсчета до помутнения, τ, с	Ско­рость реакции, , с^–1
1
2
3

На основании полученных данных построить график зависи­мости скорости реакции от температуры υ=ƒ(t). Выполнить расчет величины температурного коэффициента γ для двух пар точек: t₁ и t₃ и какой-либо пары соседних точек (t₁ и t₂ или t₂ и t₃). Оценить применимость правила Вант-Гоффа к данной реак­ции. Сделать вывод о зависимости скорости реакции от температуры.