ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НА СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ Представляемая работа обсуждалась на 10-ой областной научной конференции школьников «Математическое и физическое моделирование задач естествознания» 1 – 2 ноября 2007г. (ТГУ) и на девятой региональной конференции-конкурсе исследовательских работ старшеклассников «Юные исследователи – российской науке и технике» (ТПУ) 28-29 марта 2008г Содержание Введение 1.Понятие о скорости химической реакции 2. Опытно-экспериментальная работа 2.1. Методика проведения опытов 2.2. Опытные данные 2.3.Взаимодействие растворов иодида калия и пероксида водорода в кислой среде 2.4. Взаимодействие азотной кислоты с металлами Заключение Литература Введение В разных темах школьного курса химии мы изучаем химические реакции. Наибольшую трудность вызывает изучение скорости реакции. Проводимых на уроках опытов и изучаемого теоретического материала недостаточно для изучения этого трудного вопроса. В связи с этим возникает проблема исследования: подобрать опыты, позволяющие демонстрировать зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ. Отсюда вытекает тема исследования: «Исследование влияния концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции». Объект исследования: химические реакции Предмет исследования: скорость химических реакций, ее зависимость от концентрации реагирующих веществ Цель исследования: изучить теоретические основы химической кинетики, провести серию опытов по демонстрации влияния концентрации на скорость реакции. Гипотеза исследования связана с предложением о том, что можно через проведение несложных опытов дать более полное понимание о скорости химической реакции, а именно о влиянии на нее концентрации реагирующих веществ. Предлагаемые опыты позволяют выйти за рамки школьного курса химии, позволят углубить знания о химической кинетике. Задачи исследования: 1. Изучить учебно-научную литературу о химической кинетике. 1 2. Изучить методику проведения опытов. 3. Провести эксперименты и сделать выводы. 4. Математически обработать результаты. Элемент новизны нашей работы заключается в том, что мы провели лабораторные опыты, наглядно подтверждающие зависимость скорости химической реакции от концентрации веществ. Методы исследования: 1. Метод анализ и синтеза учебно-научной литературы по этой теме. 2. Эмпирические методы: наблюдение за ходом реакций, приготовление растворов. 3. Метод математического моделирования. Этапы исследования: 1. Сентябрь, октябрь 2007 г. Изучение и анализ литературы. 2. Ноябрь, декабрь 2007 г. Проведение эксперимента, систематизация работы. 3. Январь, февраль 2008 г. Написание работы. Теоретико-экспериментальное исследование проходило в Итатской средней школе № 2 с.Томское Томского района Томской области. Было проведено более 20 опытов. 1. Понятие о скорости химической реакции Скорость химической реакции измеряется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующего в результате реакции в единицу времени в единице объема системы ( для гомогенной реакции) или на единице поверхности раздела фаз ( для гетерогенной реакции). Химические реакции протекают с разными скоростями. Быстро, но мгновенно горит сера в соляной кислоте, этилен обеспечивает бромную воду. Медленно образуется ржавчина на железных предметах и бронзовых изделиях, гниет листва, разрушаются зубы. Предсказание скорости химической реакции, а также выяснение её зависимости от условий проведения процесса – задача химической кинетики – наука о закономерностях протекания химических реакций во времени. Если химические реакции происходят в однородной среде, например в растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всём объеме. Такие реакции называют гомогенными. Скорость гомогенной реакции (V гомог) определяется как изменение количества вещества в единицу времени в единице объёма: V гомог= n / t*v, где n – изменение числа молей одного из веществ (чаще всего исходного, но может быть и продукта реакции); t – интервал времени (с, мин); V – объём газа или раствора (л). 2 Поскольку отношение количества веществ к объёму представляет собой молярную концентрацию С, то n/V = C. Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени: Vгомог = С(моль)/ t (л*с), если объём системы не меняется. 2. Опытно-экспериментальная работа 2.1. Методика проведения опытов по взаимодействию тиосульфата натрия и серной кислоты Мы проводили реакцию взаимодействия растворов тиосульфата натрия и серной кислоты: Na2S2O3 + Н2SO4 = Н2S2O3 + Na 2SO4 S+2 + 2e- = S0 2 1 S+2 – 2e- = S+4 2 1 Н2S2O3 = SO2 +S+ Н2O Тиосерная кислота сразу же разлагается с выделением оксида серы и серы, которая находится сначала в коллоидном состоянии, а затем коагулирует. По внешнему эффекту легко заметить окончание реакции. О скорости реакции судим по скорости коагуляции серы, которая зависит от концентрации исходных веществ. Наблюдения за скоростью течения данной реакции проводим по косвенному признаку – времени, за которое произошла реакция. Понятно, что чем меньше время течения реакции, тем больше скорость. Для проведения каждой серии опытов мы брали по 6 пробирок. В первой серии опытов при постоянной концентрации серной кислоты меняли концентрацию тиосульфата натрия по схеме: 6 капель тиосульфата и 0 капель воды; 5 и 1 капель; 4 и 2; 3 и 3; 2 и 4; 1 и 5. В пробирки добавляли 6 капель серной кислоты, отмечали время окончания реакции. 2.2. Опытные данные Опыт 1.1. Изменение концентрации тиосульфата натрия Na2S2O3 при постоянной концентрации серной кислоты H2SO4 . Число капель Na2S2O3 6 5 4 3 Число капель Н2О Число капель H2SO4 0 1 2 3 6 6 6 6 3 Время протекания реакции/сек 8 12 16 22 Условная скорость, 1/ сек 0,152 0,083 0,063 0,045 2 1 4 5 6 6 30 60 0,033 0,017 Опыт 1.2. Изменение концентрации тиосульфата натрия Na2S2O3 при постоянной концентрации серной кислоты H2SO4 . Исходную концентрацию тиосульфата уменьшили разбавлением в три раза. Число тиосульфата Капли воды 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Постоянная концентрация H2SO4 6 6 6 6 6 6 Время/сек. 25 34 42 54 75 136 Условная скорость, 1/ сек 0,040 0,029 0,024 0,019 0,013 0,007 Скорость реакции измеряется в моль/л*сек, но в наших опытах установить точную концентрацию веществ достаточно сложно, поэтому мы высчитали условную скорость, разделив единицу на полученные секунды, получив секунду в минус первой степени. При анализе полученных результатов убедились, что скорость химической реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ. По полученным данным построили графики, где наглядно видна эта зависимость. условная скорость 1/сек График 1. 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 1 2 3 4 5 6 число капель тиосульфата натрия 4 условная скорость 1/сек График 2. 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 1 2 3 4 5 6 число капель тиосульфата натрия 2.3.Взаимодействие растворов иодида калия и пероксида водорода в кислой среде (М. Г. Фаерштейн) Для опыта необходимо 0,001 н. раствор иодида калия, 0,0001 н. раствор серной кислоты, свежеприготовленный однопроцентный раствор крахмального клейстера, пероксид водорода, приготовленный разбавлением пергидроля (1: 10), два цилиндра и две мензурки. Заранее в один из цилиндров наливают 10 мл раствора иодида калия, 10 мл раствора серной кислоты, 20 мл воды и 5 мл крахмального клейстера. Во второй цилиндр наливают 20 мл раствора иодида калия, 20 мл раствора серной кислоты И 5 мл крахмального клейстера. В каждый из цилиндров добавляют одновременно при помешивании по 5 мл пероксида водорода (1: 10). Голубое окрашивание появляется раньше во втором цилиндре, где раствор иодида калия был более высокой концентрации. Отсчёт времени ведут по секундомеру. 2KI-1+ H2SO4 + H2O2 -1 = I20 + K2SO4 + 2H2O-2 2I – 2e- = I20 2 1 2O + 2e- = 2O -2 2 1 При проведении опытов в сосуде с большей концентрацией растворов синее окрашивание появилось практически сразу же при смешивании растворов. Во втором сосуде, где концентрация растворов была меньше в 2 раза, синее окрашивание появилось в течение 20 минут. 2.4. Взаимодействие азотной кислоты с металлами (В. С. Полонский) В три пробирки наливали равные объёмы (не более половины) 32-, 16- и 8-процентных растворов азотной кислоты и опускали одинаковые кусочки 5 очищенной медной проволоки. Голубая окраска нитрата меди появляется раньше в пробирке с большей концентрацией раствора. В остальных-позднее. 3Cu0 + 8H+1N+5O3- = 3Cu +2(NO3)2 + 4H2O + 2N+2O-2 Cu – 2e- = Cu+2 2 3 N + 3e- = N+2 3 В первой пробирке синее окрашивание появилось в течение 2-х минут, во второй - через день. В третьей – через 3 дня. Заключение Проведенное исследование было познавательным и интересным, позволило: - выйти за рамки школьного курса химии, - углубить знания о химической кинетике, -совершенствовать навыки проведения химического эксперимента, - составления уравнений окислительно-восстановительных реакций. Полученные экспериментальные данные подтвердили, что скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, данная закономерность отражается на графиках, построенных по результатам опытов. Практическая значимость работы заключается в том, что она может быть использована на элективных курсах и на уроках химии при изучении скорости химической реакции. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Верховский В.Н., Смирнов А.Д. Техника химического эксперимента, Т.II, М.: Просвещение, 1975, с.219-222 2. Габриелян О.С. Химия -- 11.М.: ДРОФА 2005, стр. 50-51 3. Ольгин О. Давайте похимичим! М.: Детская литература, 2002, с.164-165 4. Химия и жизнь. Солтерсовская химия. Часть III практикум. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева 1997, стр.218-219 5. Химия. Под редакцией Николаева М.Н. М.: Химия 1989, стр 131-135 6