Лабораторная работа №4 химическая кинетика

(Глинка Н.Л., 2000, 6.2.1-6.2.6., Коровин Н.В., 2000, глава 7)

Цель работы: изучение скорости химической реакции и ее зависимости от: концентрации реагирующих веществ, величины поверхности раздела реагирующих веществ, катализатора, температуры.

Теоретические сведения.

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующего вещества в единицу времени в единице реакционного пространства. Скорость реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от условий протекания процесса (концентрации, температуры, наличия катализатора и др.).

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается основным постулатом химической кинетики, законом действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции

3H_2(г) + N_2(г) → 2NH_3(г)

Закон действующих масс может быть записан

, (1)

где W- скорость химической реакции; k – константа скорости; Си С- концентрации реагирующих веществ. Уравнение (1) называется кинетическим.

Реакции в гетерогенной системе осуществляются на поверхности раздела фаз. Поэтому скорость гетерогенных реакций при постоянной температуре зависит не только от концентрации веществ, но и от площади поверхности раздела. Так, для реакции

C_(к) + O_2(г) → CO_{2 (г)}

Закон действующих масс имеет вид

где W- скорость химической реакции; k – константа скорости; С- концентрация кислорода; S – площадь поверхности раздела между фазами.

Зависимость скорости от температуры выражается правилом Вант-Гоффа:

где и - скорости реакции при температурах Т₂ и Т₁; γ – температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на каждые 10^ОС.

Одним из способов ускорения химической реакции является катализ, который осуществляется при помощи веществ – катализаторов –увеличивающих скорость реакции, но не расходующихся в результате ее протекания.

Механизм действия катализаторов сводится к уменьшению величины энергии активации реакции, т.е. к уменьшению разности между средней энергией активных молекул (активного комплекса) и средней энергией активных молекул исходных веществ. Скорость химической реакции при этом увеличивается.

Опыт 1. Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ изучают на примере взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой.

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

Признаком реакции является помутнение (опалесценция) раствора вследствие выделения серы.

Выполнение работы. (Опыты проводить в сухих пробирках!)

Контрольный опыт: в пробирке смешать 10 капель 1н. Na₂S₂O₃ и 2 капли 2н. H₂SO₄. Отметьте появление помутнения раствора.

1. Приготовить в трех пробирках три раствора Na₂S₂O₃ различной концентрации, как указано в таблице.

2. Добавить одну каплю 2 н. раствора H₂SO₄ в первую пробирку и замерить по секундомеру время появления заметной опалесценции.

3. Тоже проделать со второй и третьей пробиркой.

4. Данные занести в таблицу.

5. Рассчитать скорость химической реакции W.

№ опыта	Число капель			СМ	τ, сек	W=1/τ
	1 н. Na2S2O3	H2O	2 н. H2SO4
1	5	10	1	1
2	10	5	1	2
3	15	-	1	3

Оформление работы:

1. На основе экспериментальных данных опыта построить график зависимости скорости химической реакции от молярной концентрации реагирующих веществ (W- C_M).

Масштаб: максимальное значение W – 10 клеток

C_M= 1 - 4 клетки

2. Почему прямая проходит через ноль?

3. Запишите кинетическое уравнение скорости прямой реакции .

4. Сделайте вывод: как влияет С_М реагирующих веществ на скорость химической реакции?

Опыт №2. Влияние величины поверхности раздела реагирующих веществ на скорость химической реакции в гетерогенной системе.

Данную зависимость изучают на примере растворения CaCO₃ в HCl.

Выполнение работы: в одну пробирку поместите ½ шпателя порошка мела CaCO₃, а в другую – кусочек CaCO₃ такой же массы. В обе пробирки одновременно добавьте по 10 капель концентрированной HCl. Замерьте время полного растворения CaCO₃ в двух пробирках.

Запись данных опыта:

1. Напишите уравнение протекающей реакции.

2. Почему скорость растворения мела в пробирках различна?

3. Сделайте вывод.

Опыт №3. Влияние катализатора на скорость химической реакции.

Влияние катализатора на скорость химической реакции изучают на примере каталитического разложения перекиси водорода.

Выполнение работы : в пробирку налить 1 мл 10% раствора H₂O₂. Добавить на кончике шпателя двуокись марганца MnO₂.

Запись данных опыта:

1. Запишите уравнение разложения перекиси водорода и уравняйте.

H₂O₂ O₂ + H₂O

2. Происходит ли разложение перекиси водорода в обычных условиях?

3. Какую роль играет MnO₂?

4. Сделайте вывод.

Опыт №4. Влияние температуры на скорость химической реакции в гомогенной системе.

Для выполнения опыта используется термостат – стакан с крышкой, в котором имеются три отверстия для термометра и двух пробирок.

Выполнение работы: три термостата наполнить на 2/3 водой, температура которых должна отличаться на 10 ^ОС и оставаться постоянной в течение опыта.

В каждый термостат вставить термометр и 2 пробирки. В первую пробирку налить 10 капель 1 н. раствора Na₂S₂O₃, во вторую пробирку –10-15 капель 2 н. раствора H₂SO₄ и опустить в него пипетку.

Через 5 минут включить секундомер и не вынимая пробирку с тиосульфатом натрия из термостата №1, добавить в нее 1 каплю 2 н. раствора H₂SO₄, находящейся в том же термостате. Считая по секундомеру, измерить время от момента добавления кислоты до появления заметной опалесценции. Результат занести в таблицу. Повторить опыт с растворами тиосульфата натрия и серной кислоты в термостатах №2 и №3. Произвести отсчет времени реакции по секундомеру, как и в первом случае.

Запись данных опыта:

1. Результаты занести в таблицу.

№ опыта	Температура опыта, ^оС	τ, сек	W=1/τ
1	t1
2	t2
3	t3

2. Рассчитайте температурный коэффициент по формуле:

5. Сделайте вывод о зависимости скорости химической реакции от температуры.