Министерство образования и науки Российской Федерации новосибирский государственный университет экономики и управления − «нинх»

Институт Прикладной информатики

Кафедра Современного естествознания и наукоемких технологий

Лабораторная работа и иргз № 3

КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Учебная дисциплина :_Химия и материаловедение___________________________

Номер варианта лабораторной работы:______

Наименование направления:_222000.62 Инноватика_________________________

Ф.И.О студента:______________________________________________________

Номер группы:________________________

Номер зачетной книжки ________________

Проверила:_Волкова Ольга Сергеевна_____

(Ф.И.О.)

Оценочное заключение:

Новосибирск 20__

ЭКСПЕРИМЕНТ 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИЙ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

ТАБЛИЦА 2. Изменение концентрации _______ от времени для реакции ____________________ при температуре ____ К.

t, с	0
С(t), моль/л
ln C

ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ ЛОГАРИФМА КОНЦЕНТРАЦИИ ИСХОДНОГО ВЕЩЕСТВА ОТ ВРЕМЕНИ

РАСЧЕТ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ

k =

РАСЧЕТ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ____ K

k_T =

ЭКСПЕРИМЕНТ 2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРЯДКА ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ПО КОМПОНЕНТУ

ТАБЛИЦА 4. Изменение скорости разложения _________ и концентрации исходного вещества при температуре ___ К от времени.

t, c	0
С(t), моль/л
ln C
v(t), моль / л·с
ln v

ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ ЛОГАРИФМА СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ ЛОГАРИФМА КОНЦЕНТРАЦИИ ИСХОДНОГО ВЕЩЕСТВА

РАСЧЕТ ПОРЯДКА РЕАКЦИИ ПО КОМПОНЕНТУ

n =

ТАБЛИЦА 5.

Изменение скорости разложения оксида азота _______ от его начальной концентрации при температуре _____ К.

С0, моль/л
ln C0
v0, моль / л·с
ln v0

ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ ЛОГАРИФМА НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ ЛОГАРИФМА НАЧАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИСХОДНОГО ВЕЩЕСТВА

РАСЧЕТ ПОРЯДКА РЕАКЦИИ ПО КОМПОНЕНТУ

n =

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ

ЗАДАЧА № ___

ЗАДАЧА № ___

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА И ИРГЗ № 4

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Знакомство с компьютерной моделью, описывающей протекание химических реакций в гальванических элементах.

• Экспериментальное определение ЭДС гальванических элементов.

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике: Глинка, Общая химия, гл. 9. §9.3-9.6.

Запустите программу «Открытая химия». Выберите модель 7.4. «Конструктор гальванических элементов». Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

1. ЭЛЕКТРОХИМИЯ − область химии, которая изучает процессы с участием заряженных частиц, связанные с прохождением электрического тока через химические системы. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ − реакции, протекание которых сопровождается переносом электронов от одного вещества к другому.

Под ОКИСЛЕНИЕМ понимают процесс потери электронов, под ВОССТАНОВЛЕНИЕМ − присоединение электронов. Вещество, которое принимает электроны, называется ОКИСЛИТЕЛЕМ, а ВОСТАНОВИТЕЛЕМ называется вещество, которое электроны отдает. (См. рис. 1.)

Рис. 1. Окислительно-восстановительная реакция.

СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ – гипотетический заряд на атоме данного элемента в предположении, что все гетероатомные химические связи имеют ионный характер. Степень окисления щелочных металлов и водорода (кроме гидридов) принимается равной +1, а у кислорода (кроме пероксидов и фторидов) –2. Сумма степеней окисления у всех атомов в молекуле равна 0. При окислении степень окисления элемента – возрастает, при восстановлении – понижается.

2. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ − устройство для получения электрического тока за счет протекания в нем химической реакции. Гальванический элемент состоит из двух электродов, погруженных в раствор электролита. Электрод, на котором проходит процесс окисления, называется АНОДОМ, он заряжен отрицательно, а на КАТОДЕ (заряжен положительно) протекает восстановление.

В качестве электродов часто используют металлы, погруженные в раствор их собственной соли. В этом случае устанавливается равновесие М ^N+ (раств.) + Nе^-  М (тв.) Каждый электрод характеризуется собственной величиной электродного потенциала, которая зависит от условий проведения реакции по уравнению Нернста:

Е (М ^N+/М) = Е + (RT/NF) ln С _М+ (1)

г де F – постоянная Фарадея, С_М+ − молярная концентрация ионов металла в растворе, N – число электронов, участвующих в элементарной реакции, R – универсальная газовая постоянная, Т − абсолютная температура, Е − значение потенциала в стандартных условиях относительно водородного электрода.

На рис. 2. приведена схема гальванического элемента Якоби. Он состоит из цинкового электрода, опущенного в раствор сульфата цинка (1 М), и медного электрода в растворе сульфата меди (1 М). При соединении этих электродов в замкнутую цепь электроны с более отрицательно заряженного цинкового электрода будут двигаться к медному. Т.е., при работе гальванического элемента электрод с более высоким значением электродного потенциала выступает в качестве окислителя, а с более низким – восстановителя.

На медном электроде будет протекать реакция осаждения меди:

Рис. 2. Схема элемента Якоби. Cu²⁺ (раств.) + 2е^-  Cu (тв.),

а на цинковом – растворения цинка: Zn (тв.) − 2е^-  Zn²⁺ (раств.).

Итоговое уравнение процесса записывается как:

Zn + Cu²⁺  Zn²⁺ + Cu или Zn + CuSO₄  ZnSO₄ + Cu.

Схематически устройство такого гальванического элемента принято записывать в виде:

(-) A Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu K (+).

Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нем химической реакции, называется ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ ЭЛЕМЕНТА (ЭДС) Е. ЭДС элемента есть разность двух электродных потенциалов, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на данном электроде (рассчитывается по уравнению Нернста). Так, ЭДС элемента Якоби:

,

где под логарифмом стоят концентрации ионов в степени, соответствующей стехиометрическому коэффициенту в уравнении реакции. Тогда при единичных концентрациях электролитов ЭДС элемента Якоби составляет:

Е = Еº = 0,34 В − (−0,76 В) = 1,1 В.

Положительное значение ЭДС элемента является свидетельством того, что данная реакция может протекать самопроизвольно. По мере протекания реакции концентрации участвующих в ней веществ меняются, поэтому и ЭДС элемента будет уменьшаться. Когда ЭДС становится равной 0, система приходит к равновесному состоянию и ток в элементе исчезает. Константа равновесия рассчитывается по формуле:

ln K = (NF/RT) · Еº. (2)

В случае элемента Якоби значение константы равновесия столь велико (1,7·10³⁷), что равновесное состояние оказывается не достижимым, и реакция в гальваническом элементе протекает до полного исчерпания исходных веществ.

3. ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ – электрохимический метод исследования вещества, позволяющий определять концентрации ионов в растворе путем измерения ЭДС гальванического элемента.

При потенциометрических измерениях составляют гальванический элемент из индикаторного электрода, потенциал которого зависит от концентрации определяемых ионов в растворе, и электрода сравнения, потенциал которого не изменяется. Затем измеряют ЭДС полученного гальванического элемента для нескольких растворов с известными концентрациями определяемых ионов и строят по экспериментальным данным калибровочный график. После определяют ЭДС этого же гальванического элемента, опущенного в раствор с неизвестной концентрацией исследуемых ионов, и с помощью калибровочного графика рассчитывают концентрацию определяемого вещества.

Рис. 3.

На рис. 3. представлена компьютерная модель, используемая в данной работе. С помощью мыши в ней можно выбирать вид электродов, соединенных в гальваническом элементе. При этом в нижнем левом углу с помощью диаграммы отображаются электродные потенциалы данных электродов, а справа вверху высвечивается значение напряжения полученного элемента (в стандартных условиях).

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

1. Выберите из списка нужный тип электрода. Типы электродов для каждого варианта приведены в таблице 1. Всего должно получиться 3 гальванических элемента с различными комбинациями электродов. С помощью левой клавиши мыши последовательно выставьте эти комбинации электродов на компьютерной модели.

ТАБЛИЦА 1. (не перерисовывать)

Типы I и II электродов в гальваническом элементе

Номер компьютера/ Номер в списке группы	1	2	3	4	5	6	7	8
Тип I электрода	Al3+/Al; Ag+/Ag Pb2+/Pb;	Al3+/Al; Ag+/Ag Ni2+/Ni;	Al3+/Al; Ag+/Ag Cu2+/Cu;	Al3+/Al; Ag+/Ag Fe2+/Fe;	Al3+/Al; Ag+/Ag Au+/Au	Zn2+/Zn Au+/Au Al3+/Al;	Zn2+/Zn Au+/Au Cu2+/Cu	Zn2+/Zn Au+/Au Fe2+/Fe;
Тип II электрода	Zn2+/Zn Cu2+/Cu Pb2+/Pb;	Fe2+/Fe; Pb2+/Pb Ni2+/Ni;	Ni2+/Ni; Fe2+/Fe; Cu2+/Cu;	Pb2+/Pb;Ni2+/Ni Fe2+/Fe;	Cu2+/Cu; Zn2+/Zn Au+/Au	Fe2+/Fe; Cu2+/Cu Al3+/Al;	Ni2+/Ni; Pb2+/Pb Cu2+/Cu	Pb2+/Pb Ni2+/Ni; Fe2+/Fe;
Номер компьютера/ Номер в списке группы	9	10	11	12	13	14	15
Тип I электрода	Zn2+/Zn Au+/Au Ni2+/Ni;	Zn2+/Zn Au+/Au Pb2+/Pb	Fe2+/Fe; Cu2+/Cu; Al3+/Al;	Fe2+/Fe; Cu2+/Cu; Zn2+/Zn	Fe2+/Fe; Cu2+/Cu; Au+/Au	Fe2+/Fe; Cu2+/Cu; Zn2+/Zn	Fe2+/Fe; Cu2+/Cu Ag+/Ag
Тип II электрода	Cu2+/Cu Fe2+/Fe; Ni2+/Ni;	Ag+/Ag Al3+/Al; Pb2+/Pb	Ni2+/Ni; Pb2+/Pb Al3+/Al;	Pb2+/Pb Ni2+/Ni; Zn2+/Zn	Cu2+/Cu; Zn2+/Zn Au+/Au	Ag+/Ag Al3+/Al; Zn2+/Zn	Au+/Au Pb2+/Pb Ag+/Ag

2. Для каждого из трех составленных гальванических элементов определите по диаграмме, какой из двух электродов, I или II, имеет больший электродный потенциал и в каком направлении будут двигаться электроны. Напишите, какая реакция будет протекать в данном гальваническом элементе, и запишите значение ЭДС. В каком из этих случаев реакции не будет?

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. По полученному значению ЭДС рассчитайте значение константы равновесия данной реакции (формула 2). Можно ли реакцию, протекающую в данном гальваническом элементе, считать обратимой или нет?

2. Выберите первый из ранее составленных гальванических элементов и для него рассчитайте, используя формулу Нернста и справочные данные, как меняется значение электродного потенциала II электрода в зависимости от концентрации контактирующего с ним электролита при стандартных условиях. Полученные результаты занесите в табл. 2.

ТАБЛИЦА 2.

Зависимость электродного потенциала ______________ электрода от концентрации электролита

СМ+, М	0,01	0,05	0,1	0,2	0,5	0,7	1	1,5
ln C
Е, В

3. Постройте график зависимости Е от lnС. Определите уравнение полученной зависимости. Как скажется такое изменение концентрации электролита на величине ЭДС данного гальванического элемента? В каком случае удается получить наибольшее напряжение? Чему оно равно? (Считать, что концентрация электролита для I электрода не меняется и равна 1 М).

4. С помощью калибровочного графика рассчитайте концентрацию ионов исследуемого металла в растворе, если в эксперименте с помощью данного гальванического элемента измерено значение ЭДС, приведенное в таблице 3 для Вашего варианта.

ТАБЛИЦА 3 (не перерисовывать)

Номер компьютера/ Номер в списке группы	1	2	3	4	5	6	7	8
Е, В	0,87	1,19	1,37	1,52	1,99	0,31	0,48	0,60
Номер компьютера/ Номер в списке группы	9	10	11	12	13	14	15
Е, В	1,05	1,47	0,16	0,28	0,73	1,20	2,04

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ:

Постоянная Фарадея F = 96485 Кл/моль

Универсальная газовая постоянная R = 8,31 Дж / мольК.

Стандартные электродные потенциалы:

Еº(Al³⁺/Al) = −1,66 В;

Еº(Zn²⁺/Zn) = −0,76 В;

Еº(Fe²⁺/Fe) = −0,44 В;

Еº(Ni²⁺/Ni) = −0,25 В;

Еº(Pb²⁺/Pb) = −0,13 В;

Еº(Cu²⁺/Cu) = 0,34 В;

Еº(Ag⁺/Ag) = 0,8 В;

Еº(Au⁺/Au) = 1,69 В.

Форма отчета по лабораторной работе № 4

(переписывается от руки или распечатывается и заполняется от руки)