Методичка по кинетике

1. Дифференциальный метод (метод Я. Вант-Гоффа).

Записав уравнение основного постулата химической кинетики в виде , после логарифмирования получают

lgv = lgk + n·lgcA

Из двух значений скорости реакции при двух концентрациях вещества А определяют порядок реакции:

. (5)

Различные значения v и cA могут быть получены из одной кинетической кривой, однако более надежные результаты получают, используя значения начальных скоростей при разных начальных концентрациях реагентов.

Можно применять графический вариант этого метода. Для этого по нескольким точкам строят зависимость lgv от lgcA и аппроксимируют ее прямой линией (рисунок 4). Из тангенса угла наклона полученной прямой к оси концентрации (lgcA) определяют порядок реакции п (частный порядок по веществу А), а из отсекаемого отрезка на оси скорости (lgv) – константу скорости k.

2. Метод изолирования (метод В. Оствальда)

применяют, если кинетическое уравнение реакции имеет вид

(2) или более сложный. Принцип определения состоит в том, что зависимость скорости реакции от начальной концентрации одного из реагентов

10

lgv

n = tgα

lgc

Рисунок 4 – Определение порядка реакции дифференциальным методом Я. Вант-Гоффа

(например, A) изучают при большом избытке остальных реагентов – понижают порядок реакции. В таком случае концентрации других реагентов (B, D и т.д.) в течение реакции остаются практически постоянными и их концентрации можно внести в константу скорости, тогда уравнение (2) приобретает вид

,

(6)

где

11

Для определения порядка реакции α по веществу A можно использовать метод Вант-Гоффа. Затем аналогичным образом определяют порядки реакции по веществу B и другим веществам.

Определение скорости при поиске частных порядков проводят в начале реакции, аппроксимируя прямой начальный наиболее крутой участок кинетической кривой (с = f(t)), так как в начальные моменты времени изменения концентраций исходных веществ минимальны и наиболее приближены к начальным значениям (в момент времени t = 0). Таким образом, в выражение (5) можно подставлять значения начальных концентраций.

Для рассматриваемой реакции окисления иодид-ионов в свободный иод I2 удобно проводить измерение скорости реакции по изменению концентрации иода c(I2), окрашивающего раствор в оранжево-коричневый цвет. Измерения проводят на основе основного закона светопоглощения (закон Бугера-Ламберта-Бера) по предварительно полученной градуировочной зависимости c(I2) = f(D).

12

и S2O82-,

ЗАДАНИЕ

1. Приготовить рабочие реакционные смеси и получить кинетические кривые образования I2 для различных комбинаций начальных концентраций I-

подобранных в соответствии с методом Оствальда.

2.По наиболее крутому участку наклона каждой кривой в начальный промежуток времени определить начальные скорости реакции v(I2).

3.Расчетным и графическим путем по методу Вант-

Гоффа определить частные порядки реакции по I- и S2O82-.

4.Записать кинетическое уравнение и рассчитать общий порядок этой реакции.

5.Оформить отчет о выполненной работе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Оборудование: компьютер с измерительным блоком, датчик оптической плотности с монохроматическим источником света на 475 нм (ДОП 475 «синий») и пластиковой прозрачной кюветой, магнитная мешалка.

Реактивы и посуда: основные рабочие растворы 1M KI, 0,1M (NH4)2S2O8 в склянках или колбах, отдельные мерные пипетки для отбора каждого раствора (рисунок 5), мерные колбы на 100 мл (рисунок 5) для приготовления рабочих

13

смесей, бутылка с дистиллированной водой, стакан для слива отходов.

План работы

Для получения кинетических кривых в мерной колбе на

100 мл готовят серию растворов KI из основных рабочих растворов. Необходимый состав указан в таблице 2. В

каждую смесь добавляют дистиллированной воды до 100 мл и переносят в кювету датчика оптической плотности L-

Микро (ДОП), размещенного на магнитной мешалке. Мерной пипеткой быстро вносят в кювету со смесью определенную порцию рабочего раствора персульфата аммония (NH4)2S2O8,

объем которой указан в таблице 2. С помощью ДОП фиксируют изменение насыщенности окраски раствора в течение 1-2 минут, после чего переносят полученные данные в Microsoft Excel и по заданной преподавателем градуировочной зависимости пересчитывают значения оптической плотности D в концентрацию I2. Для каждой реакционной смеси строят кинетическую кривую (с = f(t)) и

рассчитывают значения концентраций компонентов в начале реакции с учетом общего объема смеси в кювете. Проводят дальнейшую обработку по методу Вант-Гоффа и получают частные порядки реакции по каждому из реагентов, затем объединяют результаты в общее кинетическое уравнение процесса.

14

Таблица 2 - Состав рабочих реакционных смесей

			Добавляемая
	№	Объем рабочего	порция	Общий объём
		раствора 1M KI, мл	рабочего раствора	смеси в кювете
	смеси
		на колбу 100 мл	0,1М (NH4)2S2O8,	ДОП, мл
			мл
	1.1	2,5	10	110
	1.2	5	10	110
	1.3	10	10	110
	1.4	20	10	110
	2.1	10	1	101
	2.2	10	2	102
	2.3	10	5	105
	2.4	10	10	110

Рисунок 5. Мерная посуда: пипетка и колба

15

Порядок проведения эксперимента

1.В чистую мерную колбу пипеткой отобрать необходимый объем раствора KI (по таблице 2) и довести объем дистиллированной водой до метки (100 мл).

2.Перенести смесь из колбы в чистую кювету ДОП и установить его на магнитной мешалке. Поместить в кювету магнитную капсулу (якорь) и запустить перемешивание.

3.Запустить программу «L-Химия» и провести установку оптического нуля датчика ДОП 475.

4.Заполнить пипетку необходимым объемом рабочего раствора персульфата аммония (NH4)2S2O8 (таблица 2).

5.Запустить процесс записи показаний датчика ДОП нажатием экранной кнопки ПУСК в окне программы

«L-Химия» и немедленно впрыснуть содержимое пипетки в кювету.

6. В течение 1-2 мин наблюдать за изменением окраски раствора в кювете и величиной оптической плотности.

7. Остановить процесс записи показаний нажатием экранной кнопки СТОП и отключить магнитную мешалку.

8. Сохранить полученные данные, следуя порядку:

нажать экранную кнопку АРХИВ;

в появившемся окне сохранения через ниспадающее меню перейти к позиции Рабочий стол;

открыть папку Лабораторные работы, затем

16

содержащуюся в ней папку с номером вашего потока и папку

сназванием работы – Химическая кинетика.

сохранить файл под уникальным именем;

провести обработку результатов (рекомендации см.

ниже).

9. Повторить операции (кроме п.3) варьируя объемы

рабочих растворов в соответствии с таблицей 2.

ОБРАБОТКА И ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЭКСПЕРИМЕНТА

1.В папке Химическая кинетика открыть сохраненный вами файл с экспериментальными данными по соответствующей смеси в программе Microsoft Excel и

скопировать из него заполненные столбцы с данными.

2.Открыть файл Формат построения кинетической кривой (Приложение 1) и в ячейку А1 вставить скопированные данные. По уже установленной в файле градуировочной зависимости Excel произведет пересчет значений оптической плотности в концентрацию I2. В окне диаграмм отобразится кинетическая кривая для данной смеси.

3.Указать в файле номер рабочей смеси, объёмы рабочих растворов компонентов, взятые для приготовления

смеси, и рассчитанные (желательно заранее, перед

17

выполнением работы!) значения начальных концентраций для них.

4. Сохранить полученный файл под уникальным именем и распечатать.

5. На распечатанном бланке по кинетической кривой графически определить скорость реакции в начальный период времени и внести полученное значение в соответствующее поле на бланке.

6. Получить кинетические кривые и значения скорости для всех заданных рабочих смесей.

7. Для определения частного порядка реакции открыть в папке работы файл Формат оформления работы

(Приложение 2). Внести в файл значения начальных скоростей v0 реакций и концентраций с0 исследуемого компонента для каждой рабочей смеси.

8. По внесенным данным Excel проведет расчет –lgc и

–lgv, и вынесет соответствующие точки на координатную плоскость. Сохранить файл под уникальным именем и распечатать бланк отчета.

9. Построить для полученных точек аппроксимирующую прямую и определить тангенс угла её наклона к оси –lgc, который и будет являться искомым порядком реакции по веществу.

10. Записать кинетическое уравнение реакции.

18

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какими способами можно определить мгновенную (истинную) скорость?

2.Чем отличаются молекулярность и общий порядок реакции?

3.В чем отличие общего и частного порядков реакции?

4.При каком условии в кинетическом уравнении (ЗДМ) можно использовать стехиометрические коэффициенты из уравнения реакции?

5.Какой порядок у реакции, скорость которой не зависит от концентраций реагентов?

6.Как экспериментальным путем доказать, что некая реакция относится не к элементарным, а к сложным?

7.В чем суть дифференциального метода ВантГоффа и каковы ограничения в его применении?

8.Для чего применяется метод изолирования Оствальда?

9.На каком законе и каком методе основывается процесс определения в работе концентрации образующегося иода?

19