ЛР Исследование кинетики реакции 1 порядка

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»
Институт сельского хозяйства и природных ресурсов
________________________________________________________________
Кафедра химии и экологии
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
ПЕРВОГО ПОРЯДКА
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине
«Физическая и коллоидная химия»
для специальности 060300.65 «Фармация»
Великий Новгород
2011
1 ЦЕЛИ РАБОТЫ
1. Определить константу скорости реакции при комнатной температуре.
2. Определить константу скорости реакции при повышенной температуре.
3. Вычислить температурный коэффициент скорости реакции и энергию
активации.
2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Реакция между йодидом калия и персульфатом аммония протекает
по уравнению:
2 KI + (NH4)2S2O8 = I2 + K2SO4 + (NH4)2SO4.
(1)
Если проводить реакцию в присутствии тиосульфат-иона, то весь
йод, выделяющийся в реакции (1), немедленно восстанавливается обратно
по реакции:
I2 + Na2S2O3 = 2 KI + Na2S4O6.
(2)
До тех пор, пока не израсходуется весь тиосульфат натрия Na2S2O3,
концентрация йодида калия в растворе остается постоянной.
Следовательно, в этих условиях скорость реакции (1) зависит только от
концентрации персульфата аммония (NH4)2S2O8:
 = k C(KI) ∙ C(NH4)2S2O8] = kэф C(NH4)2S2O8],
где kэф = k C(KI).
Реакция описывается кинетическим уравнением реакции первого
порядка, которое имеет вид:
1 C
k  ln 0 ,
 C
где C0  начальная концентрация (NH4)2S2O8, моль/л,
Cτ  текущая концентрация (NH4)2S2O8, моль/л.
Введем следующие обозначения:
а  количество (NH4)2S2O8 до начала реакции, моль,
х  количество (NH4)2S2O8, вступившего в реакцию на момент
времени τ, моль,
(ах)  количество (NH4)2S2O8, оставшегося в растворе на момент
времени τ, моль.
Тогда уравнение для расчета константы скорости реакции имеет вид:
2
1
a
k  ln
.
 ax
3 ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении данной лабораторной работы необходимо
соблюдать общие правила работы в химической лаборатории.
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
4. 1 Определение константы скорости реакции при комнатной
температуре
В сухую коническую колбу налейте точно отмеренные объемы
растворов V1 (0,2М KI), V2 (0,02М Na2S2O3), V3 (крахмал), V4 (H2O) в
соответствии с номером выполняемого варианта задания. V5 (0,2М
(NH4)2S2O8) добавляется в последнюю очередь, поскольку реакция
начинается в момент прибавления (NH4)2S2O8. В момент прибавления
(NH4)2S2O8 включите секундомер. При появлении синего окрашивания
секундомер выключите. Синее окрашивание появляется, когда йод
образует с крахмалом комплексное соединение синего цвета. Это означает,
что весь тиосульфат израсходован и не восстанавливает йод до йодидиона.
Количество (NH4)2S2O8 до начала реакции определяется как:
а = C(NH4)2S2O8]∙V5.
Количество (NH4)2S2O8, вступившего в реакцию на момент времени
τ, равно количеству выделившегося йода, которое равно половине
количества тиосульфата:
х = ½ С(Na2S2O3)∙V2.
Рассчитайте константу скорости реакции по результатам каждого
опыта. Результаты эксперимента оформите в виде таблицы.
Совпадение значений констант при различных соотношениях
реагентов свидетельствует о том, что исследуемая реакция – реакция
первого порядка. Вычислите среднее значение константы скорости
реакции и период полупревращения персульфата аммония:
0,693
τ1/2 =
.
k
3
Таблица 1  Определение константы скорости реакции при
комнатной температуре
Вариант
Опыт
Объемы растворов, мл
V1 V2 V3 V4 V5
Время
протекания
реакции,
мин
Константа
скорости
реакции,
мин-1
1
2
3
4
4. 2 Определение константы скорости реакции при повышенной
температуре
Ту же самую серию опытов повторите при повышенной температуре.
для проведения каждого опыта необходимо объемы растворов V1,V2, V3 и
V4 отмерить в коническую колбу. Объем раствора V5 отмерьте в другую
колбу. Обе колбы поместите в водяной термостат и нагрейте до температуры на 10°С (10К) выше комнатной.
Можно конические колбы заменить пробирками объемом 50 мл и
поместить пробирки в стакан с водой, температура которой на 10°С (10К)
выше комнатной. Температуру необходимо контролировать с помощью
термометра.
Результаты эксперимента оформите в виде таблицы (см. таблицу 1).
По результатам опытов рассчитайте среднее значение константы
скорости реакции при повышенной температуре и период полупревращения персульфата аммония.
Зная значения константы скорости реакции при двух температурах,
определите температурный коэффициент скорости реакции γ, используя
эмпирическое правило Вант-Гоффа:
T
k (T2 )
  10 ,
k (T1 )
где k(T2) и k(T1)  значения константы скорости реакции при двух
температурах;
T = T2 –T1  разность температур.
Пользуясь уравнением Аррениуса, вычислите энергию активации Ea
исследуемой реакции:
k (T2 )
ln
 R  T2  T1
k (T1 )
.
Ea 
T2  T1
4
По окончании работы сделайте выводы. Выводы сформулируйте в
соответствии с целями работы:
– приведите значения константы скорости реакции при двух
температурах;
– приведите значения энергии активации и температурного
коэффициента скорости реакции (отметьте, выполняется ли для данной
реакции правило Вант-Гоффа).
5 ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
1. цель работы;
2. результаты измерений времени протекания реакции при комнатной
температуре;
3. расчет константы скорости реакции и периода полупревращения при
комнатной температуре;
4. результаты измерений времени протекания реакции при повышенной
температуре;
5. расчет константы скорости реакции и периода полупревращения при
повышенной температуре;
6. расчет энергии активации по уравнению Аррениуса и расчет
температурного коэффициента скорости реакции по правилу ВантГоффа;
7. выводы.
6 ПРИМЕРНЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Закон действия масс. Порядок реакции. Молекулярность реакции.
Различие между порядком и молекулярностью реакции.
2. Кинетическое уравнение реакции первого порядка. Его особенности.
3. Физический смысл константы скорости реакции. Размерность констант
скорости реакции различных порядков.
4. Период полупревращения. Степень превращения вещества.
5. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Правило
Вант-Гоффа.
5
6. Энергия активации химической реакции. Уравнение Аррениуса.
8. С точки зрения теории активных соударений константа скорости
реакции равна:
а) числу всех соударений частиц реагентов в единицу времени при
концентрациях реагентов 1 моль·л-1;
б) числу всех соударений частиц реагентов в единицу времени в
единице реакционного объема;
в) числу активных соударений частиц реагентов в единицу времени в
единице реакционного объема;
г) числу активных соударений частиц реагентов в единицу времени в
единице реакционного объема при концентрациях реагентов 1моль·л-1.
9. Справедливыми являются следующие суждения о молекулярности
реакции:
а) не имеет физического смысла;
б) принимает любые значения;
в) принимает значения 1,2 и 3;
г) равна числу частиц, участвующих в элементарном химическом акте.
10. Во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении
температуры на 40К, если температурный коэффициент скорости
реакции равен 3?
11. При увеличении температуры на 30К скорость некоторой реакции
возросла в 64 раза. Определите температурный коэффициент скорости
реакции.
12. При увеличении температуры от 300К до 320К скорость некоторой
реакции увеличилась в 16 раз. Вычислите энергию активации этой
реакции.
13. Энергия активации некоторой реакции равна 76 кДж ∙ моль-1. Во
сколько раз увеличится константа скорости реакции при увеличении
температуры от 20°С до 40°С.
6
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица  Варианты заданий
Объемы растворов, мл
Вариант Опыт
V1
V2
V3
V4
KI 0,2М Na2S2O3 крахмал H2O
0,02М
1
8
4
5
6
1
2
8
6
5
4
3
8
8
5
2
4
8
10
5
0
1
10
4
5
6
2
2
10
6
5
4
3
10
8
5
2
4
10
10
5
0
1
12
4
5
7
3
2
12
6
5
5
3
12
8
5
3
4
12
10
5
1
1
14
4
5
8
4
2
14
6
5
6
3
14
8
5
4
4
14
10
5
2
1
16
4
5
14
5
2
16
6
5
12
3
16
8
5
10
4
16
10
5
8
7
V5
(NH4)2S2O8
0,2М
8
8
8
8
10
10
10
10
12
12
12
12
14
14
14
14
16
16
16
16