5. Лабораторная работа: Химическая кинетика.

Цель работы: изучение влияния концентрации, температуры, катализатора на скорость химических реакций и измерение каталитической активности различных катализаторов.

Оборудование и реактивы: колбы, стаканы, цилиндры, секундомер, плитка, термометр, весы, 0,1 М Na₂S₂O₃, 0,1 М H₂SO₄, мел (комок и порошок), растворы щавелевой кислоты, перманганата калия и сульфата марганца (II).

Опыт 1. Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость реакции.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ можно изучить на примере реакции взаимодействия раствора тиосульфата натрия Na₂S₂O₃ и серной кислоты

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + S + SO₂ + H₂O

при различных концентрациях тиосульфата натрия. Скорость реакции измеряется временем от начала сливания растворов до появления во всех опытах одинаковой плотности суспензии серы.

Методика выполнения опыта:

А. В колбу отмерить 10 мл 0,1 М раствора Na₂S₂O₃ и 20 мл воды. (Растворы Na₂S₂O₃ и H₂SO₄ отмерять разными цилиндрами!). К раствору Na₂S₂O₃ добавить 10 мл 1 М раствора H₂SO₄ и сразу же начать отсчет времени по секундомеру с момента перемешивания раствора до начала помутнения – τ₁.

Б. В колбу отмерить 20 мл 0,1 М раствора Na₂S₂O₃ и 10 мл дистиллированной воды. Добавить 10 мл 1 М раствора H₂SO₄ и отметить время начала помутнения – τ₂.

В. В колбу отмерить 30 мл 0,1 М раствора Na₂S₂O₃ и добавить 10 мл 1 М раствора H₂SO₄. Отметить время появления суспензия серы – τ₃. По данным опытов рассчитать концентрацию и величины, пропорциональные скорости реакции. Результаты записать в таблицу по форме:

Опыт	Объем, мл			Концентра-ция раствора с(Na2S2O3)= = 0,1 ∙ Х1 Х1 + Х2 +Х3	Время до начала по-мутнения τ ,с	Величина, про-порциональная скорости (100/τ), с-1
	Na2S2O3 (Х1)	H2O (Х2)	H2SO4(Х3)
А	10	20	10		τ1=
Б	20	10	10		τ2=
В	30		10		τ3=

Задание: а) построить график зависимости скорости реакции от концентрации Na₂S₂O₃, откладывая на оси абсцисс концентрацию Na₂S₂O₃, а на оси ординат – величину, пропорциональную скорости; б) на основании полученного графика сделать вывод о влиянии концентрации на скорость реакции; в) написать уравнение реакции и математическое выражение закона действующих масс.

Опыт 2. Влияние температуры на скорость реакции

А. Налить в одну пробирку 5 мл раствора Na₂S₂O₃, а в другую – 5 мл раствора H₂SO₄. Поместить обе пробирки и термометр в стакан с водой комнатной температуры и через 5 мин записать в таблицу показания термометра – t₁. Не вынимая пробирку с тиосульфатом натрия из стакана с водой, добавить в нее содержимое пробирки с H₂SO₄ и начать отсчет времени по секундомеру с момента перемешивания до появления опалес ценции (легкого помутнения). Записать время протекания реакции при данной температуре – τ₁.

Б. В две другие пробирки налить такие же объемы раствора Na₂S₂O₃ и H₂SO₄. Поместить пробирки термометр в стакан с водой. Стакан поставить на асбестовую сетку и нагреть воду до температуры на 10⁰ выше комнатной. Затем проделать опыт так же, как и в первом случае, и отметить по секундомеру – τ₂.

В. Точно также поступить с третьей парой пробирок, повысив температуру воды еще на 10⁰ , т. е. t₃ = t₂ + 10°. Записать время по секундомеру – τ₃. Результаты опытов записать в таблицу по форме:

Опыт	Температура опыта ,	Время до начала помутнения	Температурный коэффициент	Энергия активации
А	t1=	τ1=	γ1=
Б	t2=	τ2=	γ2=
В	t3=	τ3=	γ3=

Задание: а) рассчитать температурный коэффициент скорости реакции γ

γ₁=τ₁/τ₂, γ₂= τ₂/τ₃, γ₃= (γ₁ + γ₂)/2

Б) сделать вывод о влиянии температуры на скорость реакции.

В) энергию активации рассчитать по уравнению Аррениуса для температур Т₁ и Т₂, Т₂ и Т₃, а также среднюю Е_а.

Ea = 2,3∙R∙lg γ_cp T₂∙T₁

T₂ – T₁

Опыт 3. Влияние поверхности реагирующих веществ на скорость реакции в гетерогенной системе.Уравновесить на технохимических весах кусочек мела и такую же массу порошка мела – приблизительно 0.5 г. В две пробирки налить по 5 мл разбавленной соляной кислоты и внести в них одновременно навески мела: кусочек – в одну пробирку, порошок – в другую. Отметить время, которое потребуется для полного растворения мела. В какой пробирке реакция протекает быстрее и почему?

Задание: написать уравнение реакции и математическое выражение закона действующих масс. Сделать вывод о влиянии поверхности реагирующих веществ на скорость реакции, протекающей в гетерогенной системе.

Опыт 4. Автокатализ. В пробирку внести 5 капель раствора щавелевой кислоты H₂C₂O₄ и две капли раствора серной кислоты. Смесь перемешать стеклянной палочкой. Затем по каплям к этой смеси добавлять разбавленный раствор KMnO₄. Отметить время обесцвечивания перманганата калия от прибавления первой капли, второй, третьей. Очередную каплю добавлять после того, как исчезнет краска от предыдущей.

Повторить опыт в другой пробирке, предварительно добавив к смеси растворы щавелевой и серной кислот, 4 капли раствора сульфата марганца.

Уравнение реакции:

5H₂C₂O₄+2KMnO₄+3H₂SO₄=10CO₂+2MnSO₄+K₂SO₄+8H₂O

Задание: Объяснить, почему во втором случае реакция протекает быстрее, а в первом она постепенно ускоряется.

Вывод: