Лабораторная работа № 4 «скорость химических реакций»

Цель и содержание работы:

Экспериментально изучить влияние различных факторов (концентрации, температуры, присутствия катализатора в системе) на скорость гомогенной химической реакции. Влияние степени дисперсности вещества на скорость гетерогенной реакции.

Теоретическое обоснование

Однородная часть системы, обладающая одинаковым составом во всех точках и одинаковыми свойствами, называется фазой. Если исходные вещества образуют одну фазу, реакция называется гомогенной, например:

NаСl_(ж) + АgNО_3(ж) = NаNО₃ + АgCl↓. (4.1)

Реакция в данном случае протекает в растворе, нитрат серебра (раствор) и хлорид натрия (раствор) образуют одну фазу.

Если исходные вещества образуют каждое свою фазу, реакция называется гетерогенной, например:

Н₂SО_4(ж) + Zn_(тв) = ZnSО₄ + Н₂↑. (4.2)

Цинк (металл) и серная кислота (раствор) образуют каждый свою фазу. Реакция проходит на поверхности раздела фаз.

Скорость химической реакции – изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени:

, (4.3)

где С₂ – концентрации реагирующих веществ за время τ₂, С₁ – концентрации реагирующих веществ за время τ₁, ΔС – изменение концентрации реагирующих веществ за период времени Δτ.

Знак минус указывает на то, что концентрация исходных веществ с течением времени уменьшается, т. е. С₂ < С₁. Величина скорости реакции – величина положительная.

Скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ, температуры, концентрации, давления для реакций газов и от поверхности раздела для гетерогенных реакций.

Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость реакции выражает закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, причем каждая концентрация берется в степени стехиометрического коэффициента.

Для реакции

mA + nB = pC + dD

скорость реакции будет:

υ = kC^m_A · Cⁿ_B, (4.4)

где k – константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и от температуры. Значения константы скорости в зависимости от температуры приводятся в справочниках.

Так, например, скорость гомогенной реакции (4.1) будет равна:

υ = kС_NaCl · ,

а гетерогенной реакции (6.2):

υ =k· _.

Влияние температуры на скорость реакции выражается правилом Вант-Гоффа: при постоянной концентрации исходных веществ при повышении температуры на каждые 10^о скорость химической реакции увеличивается в 3-4 раза.

, (4.5)

где υ_н – скорость реакции при начальной температуре t₁; υ_к – скорость реакции при конечной температуре t₂; γ – температурный коэффициент скорости реакции, показывающий, во сколько раз изменится константа скорости реакции при изменении температуры на каждые десять градусов.

. (4.6)

Примером зависимости скорости реакции от концентрации и температуры является разложение тиосульфата натрия в растворе серной кислоты. При этом протекают следующие реакции:

I. S₂O₃^2- + 2H⁺ ↔ H₂S₂O₃ (очень быстрая),

II. H₂S₂O₃ + H₂SO₃ → S↓ (медленная),

III. H₂SO₃ → SO₂↑ + H₂O (быстрая).

Которые суммарно можно записать как:

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

Определяя по секундомеру время появления в растворе коллоида серы (начало помутнения раствора), можно в условных единицах определить скорость протекания реакции, а меняя температуру, ─ найти температурный коэффициент скорости реакции.

Аппаратура и материалы:

Штатив с пробирками; стеклянные бюретки; стеклянные пипетки; стеклянные палочки; химические стаканы объемом 100 мл; секундомер; ступка с пестиком; фарфоровые чашки; дистиллированная вода;

растворы: 3%-ный перекиси водорода H₂O₂; 10%-ный HCl; 0,1 н. NaOH; 1 моль/л Na₂S₂O₃; 1 моль/л H₂SO₄.

твердые вещества: мел CaCO₃; кристаллический NH₄Cl.

Методика и выполнение работы:

Опыт 1. Влияние величины поверхности раздела реагирующих веществ на скорость гетерогенной реакции

1. Возьмите два небольших приблизительно одинаковых кусочка мела.

2. Один из них разотрите пестиком в маленькой ступке и пересыпьте аккуратно в пробирку.

3. Второй кусочек мела поместите целиком в такую же пробирку.

4. В обе пробирки одновременно добавьте по 10 мл 10%-ного раствора соляной кислоты и с помощью секундомера замерьте время, которое потребовалось для полного растворения мела в обеих чашках.

Составьте уравнение реакции. Подсчитайте для обоих случаев относительную скорость. Определите, в каком случае скорость реакции больше и во сколько раз.

Сделайте вывод, почему скорость растворения мела в этих двух случаях различна?

Опыт 2. Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции.

1. Для проведения качественной реакции налейте в пробирку 5 капель 1 М раствора тиосульфата натрия и добавьте к содержимому пробирки 3 капли 1 М раствора серной кислоты. Наблюдается появление слабой опалесценции и дальнейшее помутнение раствора от выпавшей свободной серы.

2. Приготовьте в трех пробирках равные объемы растворов тиосульфата натрия различной концентрации, как это указано в таблице 4.1. Для этого с помощью капельницы отмерьте заданные объемы 1 М раствора Na₂S₂О₃ и дистиллированной воды.

3. Поочередно в пробирки с полученными растворами тиосульфата натрия прилейте по 1-й капле 1 М раствора Н₂SО₄, фиксируя время, необходимое для появления признаков помутнения раствора. Результаты измерений времени до появления помутнения запишите в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 – Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции

№ пробирки	Объем, (капли)			Концентрация тиосульфата натрия, СМ(Na2S2О3), моль/л	Время до появления помутнения , с	Условная скорость реакции
	1М Na2S2O3	H2O	1M H2SO4
1	5	10	1
2	10	5
3	15	0

Расчеты

1. Рассчитайте концентрацию тиосульфата натрия, исходя из общего объема раствора в пробирке и количества 1 М раствора тиосульфата, взятого для разбавления, по формуле (4.7):

. (4.7)

2. Найдите условную скорость реакции для каждой концентрации Na₂S₂O₃ и запишите результаты в таблицу 4.1.

3. Сравнив найденные условные скорости (см. таблицу) и сделайте вывод о влиянии концентрации тиосульфата натрия на скорость реакции образования серы? По полученным данным постройте график зависимости скорости реакции от концентрации вещества..

Контрольные вопросы и задания:

1. Что такое скорость химической реакции? От каких факторов она зависит?

2. Во сколько раз увеличивается скорость реакции, если температура повысилась на 30 ⁰С, а γ= 3?