Министерство образования и науки Российской федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора ХТИ

__________ Безматерных М.А.

Фотометрическое исследование кинетики гомогенных реакций

Лабораторная работа по курсам «Физическая химия»,

«Дополнительные главы физической химии»

для студентов, обучающихся по программе бакалавриата

по направлениям подготовки 240700 − Биотехнология

240100 − Химическая технология

Рассмотрена на заседании кафедры физической и коллоидной химии

От ноября 2013 г протокол №

Зав. кафедрой Марков В.Ф.

Рассмотрена на заседании методической комиссии ХТИ ноября 2013 г

Протокол №

Председатель методкомиссии ХТИ Миролюбов В.Р.

Екатеринбург 2014

УДК 66.092-977(075.8)

ББК 35.5я73

Составитель Степановских Е.И.

ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ГОМОГЕННЫХ РЕАКЦИЙ: лабораторная работа / Екатеринбург: УрФУ, 2014. −8 с.

Рассмотрена лабораторная работа по разделу курсов «Физическая химия» и «Дополнительные главы физической химии». Описание экспериментальной части лабораторной работы соответствует изданному ранее пособию [1], однако работа существенно переработана в связи с новыми рабочими планами специальностей и использованием нового оборудования. К ней добавлено расчетное аналитическое задание.

Библиогр.: 4 назв.

© Уральский

федеральный

университет, 2014

Цели работы

Фотометрическое исследование кинетики гомогенных реакций; решение прямой и обратной задач кинетики.

Задания на лабораторную работу

А. На основании экспериментальных данных определить константу скорости реакции красителя кристаллическогo фиолетового со щелочью.

Б. Решить прямую и обратную кинетические задачи для реакции разложения комплексного оксалата марганца.

Теоретические основы работы

Интенсивность окраски щелочных растворов красителя кристаллического фиолетового убывает во времени из-за образования бесцветного продукта реакции − карбинола. Известно, что эта реакция взаимодействия кристаллического фиолетового со щелочью относится к реакциям второго порядка и является необратимой. Кинетическое уравнение реакции имеет вид

, (1)

где  скорость реакции (здесь и далее рассматривается скорость реакций в закрытых системах постоянного объема); k  константа скорости; – концентрации красителя кристаллического фиолетового и щелочи в системе в разные моменты времени, так называемые «текущие» концентрации.

Обычно концентрация щелочи гораздо больше, чем концентрация кристаллического фиолетового, т.е. >> . В этом случае при протекании реакции концентрация щелочи в рабочем растворе практически не меняется во времени, оставаясь равной начальной ее концентрации . Обозначив k через ( − эффективная константа скорости), получим из (1)

. (2)

Реакция второго порядка становится реакцией псевдопервого порядка. Дифференциальное кинетическое уравнение такой реакции выглядит следующим образом

, (3)

где ( ) = − «текущая» концентрация красителя, а интегральная форма кинетического уравнения имеет вид

. (4)

Из анализа (4) следует, что если кинетика данной реакции действительно описывается уравнением первого порядка, то экспериментальные данные на графике зависимости логарифма текущей концентрации красителя от времени расположатся по прямой линии и по угловому коэффициенту этой линии можно найти эффективную константу скорости исследуемой реакции. А затем, если известна начальная концентрация щелочи, то и истинную константу скорости.

Снятие кинетической кривой в данной работе осуществляют с использованием физико-химического метода − фотометрии. Это возможно, потому что между оптической плотностью раствора D и концентрацией красителя в некотором диапазоне концентраций от 0 до 1·10^2 моль/м³ существует линейная зависимость, описываемая законом Бугера−Ламберта – Бера

, (5)

где – мольный показатель поглощения излучения кристаллическим фиолетовым; – толщина поглощающего слоя.

Оптическая плотность среды по определению равна

,

где и I – поверхностная плотность потока излучения (интенсивность излучения), падающего на внешнюю поверхность среды и прошедшего через среду.

Учитывая, что единственным веществом, дающим окраску раствора, является кристаллический фиолетовый, уравнение (5) можно записать

, (6)

и преобразовать интегральное кинетическое уравнение (4) к виду

или . (7)

Если на графике зависимости от времени (рис.1.) экспериментальные данные будут располагаться по прямой линии, то этой будет служить подтверждением указанного порядка реакции с одной с тороны, и позволит определить эффективную константу скорости, с другой стороны.

Рис. 1

У

гловой коэффициент а прямой линии находится как

, (8)

где ; и ; – координаты двух произвольно выбранных точек и на прямой, усредняющей экспериментальные данные.

Из уравнения (7) видно, что . По известной концентрации щелочи в растворе можно найти истинную константу скорости: .