Ацетонды иодтау реакциясының жылдамдық тұрақтысын және белсендіру энергиясын анықтау

Зертханалық жұмыстың мақсаты: Химиялық үдерістердің жылдамдығына температураның әсерін зерттеу. Зерттелетін реакцияның белсендіру энергиясының графикалық және аналитикалық анықтау.

Кілт сөздер: Молекулярность, последовательные реакции, параллельные реакции, тұрақты скорости реакции, энергия активации

Материалдар, аспаптар және реактивтер:

1. Термостат, 250 мл. өлшегіш колбалар, 25 мл. конус түріндегі колбалар, титрлеуге арналған колба,

2. KI ерітіндісі, I₂ ерітіндісі_, дистелденген су, ацетон, , , крахмал

Қауіпсіздік техникасы:

1. Жұмыс істер алдында барлық аспаптардың дұрыстығына көз жеткізу қажет.

2. Зертханада халатсыз жұмыс істемеу керек, жеке заттарды зертханалық столдарға қоймай, арнайы тағайындалған орындарға қою қажет.

3. Зертханалық жұмыс кезінде ас, су ішуге болмайды.

4. Жұмысқа арналған әрбір ребелсендің, аспаптың, склянканың және құрылғылардың өздерінің арнайы тұрақты орны болуы керек. Жұмыс аяқталғаннан кейін қондырғыны бастапқы қалпына келтіру керек, қондырғының барлық бөлшектерін орнына қойып, ыдысты жуу қажет.

Теориялық бөлім

Бір фазада өтетін химиялық реакцияны гомогенді химиялық реакция деп атаймыз. Гомогенді реакцияға ерітіндіде өтетін реакциялар мысал бола алады. Химиялық әрекеттесудің интенсивті сипаттамасы болып химиялық реакцияның жылдамдығы саналады.

Химиялық реакцияның жылдамдығы әрекеттесуші заттардың концентрациясының уақыт бірлігіндегі өзгерісімен анықталады - орташа жылдамдық, уақыт моментінде - шынайы жылдамдық.

(1)

(2)

Жылдамдық әрекеттесуші заттардың табиғатына, олардың концентрациясына және өзгі заттардың (мысалы, катализаторлардың) болуына, олардың концентрациясына, реакция өтетін ортаға және жағдайына, температураға, Қысымға (әсіресе газдар Қатысумен өтетін реакицялар үшін),сәулененуге (фотохимиялыҚ реакциялар) және т.б. тәуелді болады.

Әрекеттесуші массалар заңына сәйкес (ӘМЗ-I)

реакциясы үшін тіке үдерістің жылдамдығы:

(3)

ал,кері үдерістің жылдамдығы

(4)

мұнда, және – реакцияның жылдамды тұрақтылары.

Реакцияның жылдамдық тұрақтысы дегеніміз - реагенттердің бірлік концентрациясы кезіндегі реакцияның жылдамдығын анықтайтын тұраҚты шама. Осы жылдамдық тұрақтысының сандық мәні концентрация және уақыт бірлігінің таңдалуына байланысты.

Әдетте концентрацияны мольдің литрге қатынасымен, ал уақытты минутпен немесе секундпен көрсетеді.

Реакцияның реті мен молекулалығын айырады:

Әрекеттесудің қарапайым актісінде қатысатын реагенттердің молекула санын реакцияның молекулалығы деп атаймыз. Моно-, би-, тримолекулалық реакциялар белгілі.

Реакцияның реті деп - реакцияның кинетикалық теңдеуіндегі концентрациясы жанындағы дәреже көрсеткішін айтады. Реакциялар нөлінші, бірінші, екінші және үшінші және бөлшекті ретті болып келеді:

(5)

Реакцияның реті мен оның молекулалығы көбінесе сәйкес келмейді. Бірінші ретті реакциясын схема түрінде келесі теңдеумен көрсетуге болады:

Мұндай реакцияның жылдамдығы мынаған тең:

(6)

мұнда

немесе интегралдағаннан кейін:

(7)

Реакция жүруінің уақыты:

(8)

мұнда, - τ = 0 тең болған кезіндегі А затының бастапқы концентрациясы.

- берілген уақыт моментіндегі заттың концентрациясы.

Екінші ретті реакцияны схема түрінде келесі теңдеумен көрсетуге болады:

Оның жылдамдығы мынаған тең:

(9)

немесе интегралдағаннан кейін:

(10)

Реакция ағысының уақыты:

(11)

Егер реакция өнімінің біреуі катализатор болса, онда бұл реакция автокаталитикалық деп аталады. Мұндай реакцияның мысалы ретінді ацетонның йодталу реакциясы бола алады.

Химиялық реакцияның жылдамдығына үдерістің температурасы әсер етеді. Төмен температуралар облысындағы реакция жылдамдығының температураға тәуелділігін Вант-Гоффтың эмпирикалық ережесімен анықталады:

Температураны әрбір он градусқа жоғарылатқанда реакцияның жылдамдығы екі - төрт есе артады:

(12)

Температураның еркін өзгерісі кезінде Вант-Гоффтың ережесі келесі түрге ие болады:

(13)

мұндағы, γ - реакцияның температуралық коэффициенті.

(14)

«Жоғары» және «төмен» температуралар облыстары реагенттердің табиғатымен анықталатын салыстырмалы ұғым.

Жоғары температуралар облысында реакция жылдамдығының температураға тәуелділігі Аррениустың ережесімен анықталады:

Реакцияның жылдамдық тұрақтысының логарифмі кері температураға сызықты тәуелділікті білдіреді.

(15)

мұнда А және В – тұрақтылар.

(16)

0

Негізінен Аррениус теңдігі Ван-Гоффтың изобарасының анықталмаған интегралы болып табылады:

(17)

(18)

(19)

ал экспоненциалды формада

(20)

мұнда, - экспоненциал алдындағы көбейткіш деп аталатын эмпирикалыҚ тұрақты:

(21)

Сонымен, белсендіру энергиясы Вант – Гофф изобарасының интегралдық теңдеулері бойынша аналитикалық және графикалық есептелуі мүмкін.

(22)

графигінен

Реакцияның өту себебі болып молекулалардың соқтығысуы саналады, бірақ Аррениус көрсетіп кеткендей молекулалардың барлық соқтығысулары химиялық өзара әрекеттесуге әкелмейді. Реакцияға жалпы соқтығысулар санының аз мөлшерін ғана құрайтын бөлшектердің эффективті соқтығысулары әкелуге тиіс.

Аррениус теңдігінің молекулярлы-кинетикалық түсінігін Алексеев ұсынды. Ол жоғары энергия қорына ие болатын молекулаларды белсенді деп санауды ұсынған.

Реакцияның белсендіру энергиясы деп химиялық әрекеттесу актісі өту үшін қажетті және жеткілікті энергияның минимальді қоры.

Энергиясы Е-ге тең немесе үлкен бөлшектерді белсенді деп атайды. Бұл энергия энергетикалық бөгеттерден өту үшін қажет, яғни Қазіргі түсініктер бойынша соқтығысатын молекулалардың электрондық бұлттар тебісуінің энергиясын жеңу үшін.

Реакция жылдамдығының (20) теңдеу бойынша есптелуі көбіне жоғары нәтиже береді, әсіресе ерітіндідегі реакциялар үшін. Есептелген мәліметтерді тәжірибелік мәліметтермен салыстыру үшін теңдеулерге стериялық немесе ықтималдыҚ факторы деп аталатын қосымша Р көбейтіндісі енгізіледі.

Р (23)

Cтериялық фактор Р реагенттердің табиғатына байланысты және 1-ден -не дейін өзгеруі мүмкін. Кейбір ерітінділерде өтетін иондық реакциялар үшін стериялық фактор 1-ден үлкен болуы мүмкін.

Белсенді соқтығысулар теориясына (БСТ) сәйкес стериялық фактор реакция өтуі үшін Қажетті бөлшектері соқтығысуы кезінде керекті кеңістік бағытты болады, осыдан бұл көбейтіндінің аты пайда болған.

Бірақта БСТ теориясы экспоненциал алдындағы көбейткішті және стериялық факторды есептеуге мүмкіндік бермейді.

Белсенді комплекстер теориясына (БКТ) сәйкес стериялық фактор мына теңдеумен есептелуі мүмкін:

Р (24)

мұнда, ∆S^{* -} белсендіру энтропиясы, яғни, бір моль белсенді комплекс түзілгендегі энтропияның өзгерісі. «Стериялық фактор» деген атау физикалық мағынаны білдірмейді. Сондықтан да бұл көбейткішті энтропиялық немесе ықтималдық фактор деп атаған жөн.

Аралық белсенді комплекстың теориясы белсендіру энергиясы ұғымының қатаңырақ аныҚтауға мүмкіндік береді.

Температураның үдерістің жылдамдығына әсерін берілген жұмыстағы ацетонды йодтау реакциясын зерттегендегі мысалда қарастырамыз. Ацетонды йодтау реакциясы мына теңдік бойынша жүреді:

Үдерісс автокаталитикалық өтеді, яғни реакцияға қатысқан заттың біреуімен жылдамдатылады (сутегі иондарымен). Сутегі иондары болмаса, үдерісс өте баяу жүреді. Ацетонды йодтау 2 сатымен жүреді:

1. Ацетонды енолизациялаудың қайтымды реакциясы

О ОН

2. Йодтың енольді формамен өзара әрекеттесуі

ОН О

Бірінші реакция баяу, ал екіншісі тез және аяғына дейін жүреді. Сондықтан да үдерістің жылдамдығы ацетонды енолизациялау жылдамдығымен анықталады. Ол сутегі иондарының концентрациясына пропорционалды, бірақ йодтың концентрациясына тәуелді емес, яғни келесі (25) -ші теңдікке сәйкес:

(25)

және

(26)

мұнда ацетонның бастапқы концентрациясы.

сутегі иондарының бастапқы концентрациясы.

уақыт ішінде түрленетін ацетонның концентрациясы (концентрацияның азаюы).

реакцияның басынан берілген өлшеуге дейінгі уақыт.