WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Федеральное агентство по образованию Кинетика химических реакций: методические указания к лабораторной работе / Составители Г.В. Лямина, Томский государственный архитектурно-строительный Е.А. Вайтулевич – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит.

университет ун-та, 2006. – 14 с.

Рецензент к.б.н. Т.М. Южакова Редактор Е. Ю. Глотова Методические указания к лабораторной работе «Кинетика химических реакций» по дисциплине «Общая химия». Методическое пособие предназначено для студентов всех специальностей всех форм обучения.

КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Печатаются по решению методического семинара кафедры химии № 9 от 2.07.2006.

Методические указания к лабораторной работе Утверждены и введены в действие проректором по учебной работе В. С. Плевковым Составители Г. В. Лямина, с 01.09.2007 Е. А. Вайтулевич по 01.09.2012 Подписано в печать Формат 60х90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.

Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 100 экз. Заказ № Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.

Отпечатано с оригинал - макета в ООП ТГАСУ.

634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.

Томск 2006 2 КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Теоретическая часть:

Раздел химии, изучающий скорость химических реакЦель работы: на практике познакомиться с закономер- ций, называется химической кинетикой. Скорость химиченостями изменения скоростей химических реакций в зави- ской реакции () – число элементарных актов реакции, симости от основных факторов (концентрация, температу- происходящих в единицу времени в единице объема (для ра, наличие катализатора). гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций). Мерой скорости химичеЗадачи: ской реакции является количество вещества, вступившего в 1. Выявить влияние концентрации и температуры на реакцию или образовавшегося в результате реакции. Для скорость реакции разложения тиосульфата натрия серной гомогенной реакции кислотой. = n/(V);

2. Рассчитать температурный коэффициент и энергию для гетерогенной активации данной реакции. = n/(S), 3. Оценить влияние каталитического действия угля на где n – количество вещества (моль), S – поверхность (м2), реакцию горения сахарозы. V – объем (м3), – время (с).

Уравнение скорости для гомогенной реакции можно Оборудование и реактивы для выполнения лабора- упростить, приняв n/V = С (молярная концентрация), тогда торной работы: = С/.

Скорость химической реакции зависит от природы реа№ Колигирующих веществ, их агрегатного состояния, концентраНаименование п/п чество ции реагирующих веществ, температуры, присутствия ка1 Штатив для пробирок 1 шт.

тализатора, а для гетерогенных реакций еще и от величины поверхности твердого вещества (степени дисперсности ве2 Пробирки 6 шт.

щества).

Водяная баня:

3 Стакан (100 мл) 1 шт.

1. Зависимость скорости от концентрации реагиРезиновая пробка с отверстиями для пробирок 1 шт.

рующих веществ выражается законом действия масс (ЗДМ, 4 Пипетки 3 шт.

закон Гульдберга и Вааге): скорость простых реакций (ре4 Раствор тиосульфата натрия (0,1 М) 25 мл акции, протекающие в одну стадию) прямо пропорцио6 Раствор серной кислоты (1 М) 10 мл нальна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, соответствующих стехиометриче7 Дистиллированная вода 150 мл ским коэффициентам. Например, для обратимой реакции 8 Сахароза (ч) 0,4 г аА(г) + bВ(г) сС(г) + dD(г) 9 Угольный порошок 0,2 г 3 ЗДМ имеет вид:

зовая постоянная (8,31 Дж/мольК), T – температура (К), Еа для прямой реакции: пр. = k1[A]а[B]b; – энергия активации (кДж/моль).

Значение предэкспоненциального множителя определя для обратной реакции: обр. = k2[C]c[D]d, ется природой реагентов, вступающих в реакцию.

где [A], [B], [C], [D] – молярные концентрации веществ, (3) моль/л; a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты; k1, kА = zP, – константы скорости (скорости реакций при концентрацигде z – коэффициент, равный числу соударений молекул в ях веществ =1 моль/л).

1 секунду для данной реакции; Р – стерический фактор, Для реакций, в которых участвуют твердые вещества, определяющий вероятность взаимодействия данных молеконцентрации последних в выражение ЗДМ не включают кул.

(принято считать их равными единице). Например, для реВеличина энергии активации (Еа) в уравнении Арреакции ниуса имеет точное значение для каждой химической реакNH3 (г) + HCl (г) NH4Cl (тв.) ции и определяется природой реагирующих веществ.

Энергия активации – избыточная энергия, которой ЗДМ: пр. = k1[NH3][ HCl], а обр. = k2.

должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества. Необ2. Зависимость скорости от температуры. При увелиходимо отметить, что энергия активации –это «избыточчении температуры скорость химической реакции увелиная» часть полной энергии системы, складывающейся из чивается. Приближенно эта зависимость может быть опрекинетической и потенциальной энергий системы. Молекуделена с помощью правила Вант-Гоффа: при повышении лы, обладающие такой энергией, называются активными температуры на каждые 10 градусов скорость химичемолекулами. Физический смысл энергии активации химиской реакции увеличивается в 2 – 4 раза:

ческой реакции можно продемонстрировать графиком из(1) 2= 1 (Т2 – T1) /10, или 2= 1 T /10, менения потенциальной энергии в ходе химической реакгде – температурный коэффициент, который меняется от ции (рис. 1).

2 до 4; T1, Т2 – температура (T должна быть всегда больДля того чтобы произошла реакция, необходимо сначаше нуля, т.е. Т2 >T1); 1 – скорость реакции при Т1; 2 – скола преодолеть отталкивание электронных оболочек молерость реакции при Т2.

кул, разорвать или ослабить связи между атомами исходБолее точно влияние температуры на скорость химиченых веществ. На это надо затратить определенную энерской реакции можно определить с помощью уравнения Аргию. Если энергия сталкивающихся молекул достаточна, то рениуса:

столкновение может привести к перестройке атомов и к Ea образованию молекулы нового вещества. При разрыве или RT (2) ~ k =А·e, ослаблении связей между атомами в молекулах исходные где – скорость химической реакции, k – константа скоровещества переходят в неустойчивое промежуточное сости (скорость при концентрациях реагентов, равных 1), А – стояние, характеризующееся большим запасом энергии.

предэкспоненциальный множитель, e – экспонента, R – га 5 Это состояние называется активированным комплексом С ростом температуры наблюдается увеличение энерили переходным состоянием. Именно для его образования гии системы и соответственно увеличивается доля молеи необходима энергия активации (Еа) (рис. 1). Неустойчи- кул, энергия которых равна или превышает энергию активый активированный комплекс существует короткое время. вации данной химической реакции, что приводит к росту Он распадается с образованием продуктов реакции или ис- ее скорости.

ходных веществ; при этом энергия выделяется. Переходное В зависимости от величины энергии активации выдесостояние возникает в ходе как прямой, так и обратной ре- ляют реакции:

акции. Энергетически оно отличается от исходных веществ медленные Е >120 кДж/моль а на величину энергии активации прямой реакции, а от кореакции со средней скоЕ = от 40 до 120 кДж/моль а нечных – на энергию активации обратной реакции. Эти соростью отношения показаны на рис. 1; видно, что разность энергий быстрые Е <40 кДж/моль а активации прямой и обратной реакции равна тепловому Определение энергии активации и предэкспоненциальэффекту реакции.

ного множителя Энергию активации можно определить по эксперименP Q Ea тальным данным, используя уравнение Аррениуса (уравнение 2) в логарифмическом виде:

(ABPQ)* Ea A B ln = ln A –. (4) RT По экспериментальным данным строится график завиEaсимости ln от 1/Т (рис. 2).

EaПредэкспоненциальный множитель определяется по отрезку b, отсекаемому экспериментальной прямой на оси A-P + B -Q ординат:

H (5) b = ln А, или A = еb.

Энергия активации определяется по тангенсу угла наA-B + P-Q клона прямой:

Координата реакции Ea b Рис. 1. Изменение потенциальной энергии между реакционными = tg () = ;

R a центрами в реакции:

AB и PQ – исходные вещества; AP и BQ – продукты реакции; APQB b – переходное состояние; Еа1 – энергия активации прямой реакции; Ea R, a (6) Еа2 – энергия активации обратной реакции; Н – тепловой эффект реакции где b – отрезок, отсекаемый экспериментальной прямой на 7 оси ординат, a – отрезок, отсекаемый экспериментальной цей 1. В каждую пробирку последовательно добавьте по прямой на оси абсцисс (рис. 2). одной капле серной кислоты и определите время окончания реакции () по появлению заметной опалесценции расln твора (помутнения).

При этом протекает следующая реакция:

Na2S2O3 + H2SO4 S(тв) + SO2 +Na2SO4+ H2O Определив относительную скорость реакции () как 1/, занесите результаты измерения в табл. 1.

b Таблица Число капель Общее ко- Время Скорость № личество реакции реакции Na2S2O3 H2O H2SO4 капель, с = 1/, с- 1 4 8 1 2 8 4 1 1/T a 3 12 0 1 Рис. 2. График зависимости скорости реакции от температуры =1/, с-3. Зависимость скорости реакции от катализатора Катализатор – вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не входящее в состав конечного продукта реакции. В присутствии катализатора реакция протекает по нескольким стадиям, отличающимся от исходного маршрута, которые характеризуются меньшими значениями энергий активации. Введение катализатора позволяет уменьшить значение энергии активации и тем самым увеличить скорость реакции.

Порядок выполнения работы:

Опыт 1. Зависимость скорости реакции от конценКонцентрация Na2S2O3, усл. ед трации В трех пробирках приготовьте три раствора тиосульфаРис. 3. Влияние концентрации тиосульфата натрия на скорость реакции та натрия различной концентрации в соответствии с табли 9 По результатам эксперимента постройте график в коор- По результатам эксперимента постройте график в координатах: скорость реакции – концентрация тиосульфата динатах: скорость реакции – температура. Примерный ход натрия. Примерный ход данной зависимости приведен на данной зависимости приведен на рис. 4.

рис. 3.

Определение температурного коэффициента Запишите вывод по проведенному опыту.

Рассчитайте средний температурный коэффициент реакции по уравнению Вант-Гоффа (1), используя значения Опыт 2. Зависимость скорости реакции от темперадвух соседних опытов. Так как Т=10, температурный котуры эффициент равен отношению скоростей.

С использованием водяной бани повторите опыт 1 (см.

2 3 1 табл. 1, пробирка 1) при температурах на 10 и 20 С выше 1 ; 2 ; ср.

первоначальной. Результаты занесите в табл. 2.

1 2 Таблица Определение энергии активации и предэкспоненциального множителя № Т, С T, К Время реакции, с Скорость реакции, =1/ ln Определите энергию активации и предэкспоненциальный множитель реакции, построив график зависимости скорости реакции от обратной температуры. Примерный ход данной зависимости приведен на рис. 2. Энергию активации определяем двумя способами.

=1/, с-1. Графический способ b По формуле (6):, где b – отрезок прямой на Ea R a оси ординат, a – отрезок прямой на оси абсцисс.

2. Способ расчета Еа по значениям скоростей при трех температурах R T1 T2 1 ; R T2 T3 2, Еа1 ln Еа2 ln T2 - T1 2 T3 - T2 T, C где T1, T2, 1, 2 – значения двух пар соседних точек.

Среднее значение определите по формуле:

Рис. 4. Влияние температуры на скорость реакции разложеЕа1 Еа2.

Еаср ния тиосульфата натрия 11 Предэкспоненциальный множитель определите по фор- оценки влияния температуры на скорость химической ремуле (5): акции lnA = b; A = eb. 6. Во сколько раз увеличится скорость реакции при поЗапишите вывод по проведенному опыту. вышении температуры на 40 С, если =3,2 7. Объясните физический смысл энергии активации.

Опыт 3. Влияние катализатора на скорость реакции 8. Вычислите энергию активации реакции, если кон–станта скорости ее при 100 С составляет 1·10, а при – На два предметных стекла поместите: на первое – не120 С равна 8·10.

сколько крупинок порошка сахарозы; на второе – сахарозу, 9. В чем заключается сущность действия катализатора смешанную с угольным порошком. Поднесите зажженную на скорость химической реакции спичку сначала к одному, затем к другому порошку. Запишите наблюдения и вывод по проведенному опыту.

Список рекомендуемой литературы:

Сформулируйте общий вывод по работе.

1. Глинка, Н.Л. Задачи и упражнения по общей хиКонтрольные вопросы по теме «Кинетика химичемии / Н.Л.Глинка – М.: ИНТЕГРАЛ-ПРЕСС, 2001. – 240 с.

ских реакций»:

2. Коровин, Н. В. Общая химия / Н.В. Коровин. – М.:

Высш. шк., 2002. – 558 с.

1. Дайте определение скорости химической реакции.

3. Шиманович, И. Л. Химия: методические указания, 2. Как влияет концентрация исходных веществ и обрапрограмма, решение типовых задач, программированные зующихся продуктов на скорость прямой реакции.

вопросы для самопроверки и контрольные задания для студен3. Запишите выражение закона действующих масс для тов-заочников инженерно-технических специальностей вузов / следующих реакций:

И.Л. Шиманович. – М.: Высшая школа, 2001. – 128 с.

2СО(г) СО2(г) + С(тв.), СО(г) + Н2О(ж) СО2(г) + Н2(г), 2NO2(г) N2O4(г).

4. Во сколько раз следует уменьшить концентрацию оксида углерода (II) в системе 2СО(г) СО2(г) + С(тв.), чтобы скорость прямой реакции уменьшилась в четыре раза 5. Сформулируйте правило Вант-Гоффа. Какое ограничение существует при использовании этого правила для 13











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.