Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ФХ лр10

.pdf
Скачиваний:
137
Добавлен:
20.08.2021
Размер:
1.37 Mб
Скачать

Работа №10

Изучение скорости разложения пероксида водорода газометрическим методом.

Цель работы: изучить реакцию разложения пероксида водорода, газометрическим методом определить константу скорости реакции. Используя результаты расчета и графические зависимости определить, протекает ли данная реакция по первому порядку.

Литература: Практикум 1986, с.319-324, 328-333, 339-340, 354-356 или Практикум 1974, с.322-346, 365-367.

Теоретическая часть

Скорость химической реакции определяется изменением количества данного компонента в единицу времени в единице объема:

 

 

1

dn

i 0

 

 

i

 

V d

 

 

где n-число молей данного компонента в объеме V данной фазы в момент времени t.

Если объем величина постоянная, то скорость определяется изменением концентрации реагирующего вещества за единицу времени:

V const :

 

d n

i

/ V

 

d c

i

 

 

 

i

 

d

 

d

 

 

 

Скорость реакции всегда положительна.

Кинетические кривые для исходных веществ(1) и продуктов реакции(2)

Основной постулат химической кинетики:

скорость реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению возведенных в некоторую степень концентраций реагирующих веществ (закон действующих масс).

 

А

А

B

B

D

D ... продукты,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d ci

kcAp cBq cDr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i d

 

Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости химической реакции. Ее физический смысл: константа скорости равняется

скорости реакции при единичной концентрации, поэтому ее называют также удельной скоростью реакции.

k (c

1)

i

 

Величина константы зависит от всех факторов, которые влияют на скорость химической реакции, за исключением изменения концентрации реагирующих веществ. Числовое значение зависит так же от выбора единиц времени и концентрации. Размерность определяется тем кинетическим уравнением, по которому производится ее расчет, т.е. зависит от порядка реакции

Порядок реакции является эмпирической величиной. Частным называется порядок, характеризующийся изменением концентрации одного из веществ, вступающих в реакцию. Чтобы определить порядок по данному веществу, необходимо создать такие условия, чтобы в процессе реакции изменялась концентрация только данного вещества. Для этого концентрации всех остальных участников должны быть взяты в большом избытке. Сумма частных порядков дает общий порядок реакции.

Молекулярность реакции определяется числом частиц, участвующих в одном элементарном акте химического превращения.

Период полупревращения-это время, за которое исходная концентрация реагента уменьшится в 2 раза. Измерение периода полупревращения приносит большую пользу при исследованиях порядка реакции.

Математические выражения для расчета констант скорости реакций: 1. Необратимые реакции 1-го порядка

k1 ln c0

c

, k, с 1

2. Необратимые реакции 2-го порядка

 

1

 

1

 

1

 

 

1

 

x

 

л

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, k,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с

 

 

 

 

c0 c0 x

 

с моль

 

 

 

с0

 

 

3. Необратимые реакции 3-го порядка

k

1

 

1

 

 

 

2

 

2

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

1

c

2

 

 

0

 

 

  

, k,

л2

моль2 с

4. Необратимые реакции нулевого порядка

k

c

0

c

 

 

 

 

 

,

k,

моль

л с

 

Где с0– начальная концентрация исходных веществ, с – концентрация после протекания реакции, t – время, х – концентрация прореагировавшего вещества за промежуток времени

Методы определения порядка реакции 1. Интегральные методы определения порядка реакции

а) метод подбора уравнения

1)аналитический – суть метода состоит в подстановке ci реагирующего

вещества для различных моментов времени от начала реакции в кинетические уравнения различных порядков (1го, 2го , 3го и т.д ). Искомым является тот порядок, для которого наблюдается постоянство (неизменность) значения константы скорости реакции при различных концентрациях

2)графический – состоит в нахождении такой функции концентрации от времени, которая имела бы линейный характер:

1 порядок -

2 порядок -

3 порядок -

0 порядок -

lnc k const lnc0

,

1/ c k const 1/ c0 ,

 

,

1/ c

2

2

 

2k const 1/ c0

 

с k c0 .

б) метод Оствальда-Нойеса – использует зависимость

 

lg

/

 

 

n

1/ 2

1/ 2

1

lg c

 

/ c

 

 

0,2

0,1

 

 

 

 

 

1

2

f

c

0

 

:

3. Дифференциальные методы Вант-Гоффа а) Аналитический метод – по двум значениям

dc d

при двух

c

1) по одной кинетической кривой – временной порядок

 

 

 

dc

 

 

dc

 

lg

 

 

 

lg

 

 

 

 

 

 

n

 

 

d 1

 

 

d 2

 

 

lg c1

lg c2

 

 

 

 

 

 

 

2) по 2ум начальным концентрациям – концентрационный порядок

 

 

 

dc

 

 

 

dc

 

lg

 

 

lg

 

n

 

 

d

0,1

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lg c

0,1

lg c

0,2

 

 

 

 

 

 

0,2

б) Графический вариант метода Вант-Гоффа

lg lg k n lg c

tg n

Задача

Кинетику реакции разложения N2O5 в жидком CCL4 изучали при температуре 42оС газоволюметрическим методом. Результаты измерений объемов кислорода, выделившегося в разные моменты времени, представлены в таблице:

t,

5

10

15

20

30

40

60

80

100

мин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VO2,

12,45

23,8

34,15

43,5

59,85

73,3

93,7

107,7

117,7

138,1

мл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Графическим вариантом дифференциального метода Вант-Гоффа определить порядок химической реакции: N2O5= N2O4 + ½ O2

Рассчитать среднюю аналитическую константу скорости реакции и период полупревращения исходного вещества при указанной температуре.

Решение.

Определим порядок реакции графическим методом. Для этого построим

график зависимости

 

. По нему определим скорость реакции в

определенный момент времени:

. Далее построим график

зависимости:

, где

,

 

, где

 

мл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t, мин

, мл

 

)

v, мл/мин

lnv

k, мин-1

 

 

 

 

 

 

 

5

125,65

4,83

 

-

-

0,01890

 

 

 

 

 

 

 

10

114,3

4,74

 

2,17

0,775

0,01892

 

 

 

 

 

 

 

15

103,95

4,64

 

1,97

0,678

0,01894

 

 

 

 

 

 

 

20

94,6

4,55

 

1,7

0,531

0,01892

 

 

 

 

 

 

 

30

78,25

4,36

 

1,49

0,399

0,01894

 

 

 

 

 

 

 

40

64,8

4,17

 

1,11

0,104

0,01892

 

 

 

 

 

 

 

60

44,4

3,79

 

0,86

-0,151

0,01891

 

 

 

 

 

 

 

80

30,4

3,41

 

0,6

-0,511

0,01892

 

 

 

 

 

 

 

100

20,4

3,02

 

-

-

0,01912

 

 

 

 

 

 

 

2

,

 

График зависимости ∆ 2= ( ).

 

 

 

 

 

 

 

 

мл

 

 

 

 

 

 

140

 

 

 

 

 

 

 

120

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

80

 

 

 

 

 

 

 

60

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

t, мин

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

20

40

60

80

100

Из данного графика :

 

 

При

мл/мин

 

При

мл/ мин

 

При

мл/ мин

 

При

мл/ мин

 

При

мл/ мин

 

При

мл/ мин

 

При

мл/ мин

 

Далее построим график зависимости:

, по которому и

определим порядок реакции:

 

 

 

График зависимости: = ( ∆

)

1

 

2

 

 

y = 0,9635x - 3,8232

 

 

 

 

 

0,8

 

 

 

0,6

 

 

 

0,4

 

 

 

0,2

 

 

2

 

 

 

0

 

 

 

3

 

4

5

-0,2

 

 

 

-0,4

 

 

 

-0,6

 

 

 

-0,8

 

 

 

Из графика

 

. Т.е. реакция первого порядка

Рассчитаем среднюю аналитическую константу скорости реакции:

 

) -

для 1-го порядка

 

(

)

мин-1

 

( ) мин-1

Аналогично рассчитываем для остальных значений (см. таблицу выше)

0,01894 мин-1

Период полупревращения исходного вещества:

 

 

 

мин

 

 

 

 

 

 

Ответ:

n=1, т.е. реакция N2O5= N2O4 + ½ O2 1-го порядка (доказано графическим вариантом дифференциального метода Вант-Гоффа)

0,01894 мин-1

мин

Экспериментальная часть

Задание на работу Исследовать процесс разложения пероксида водорода:

Н2О2 = Н2О + 0,5О2 Условия проведения эксперимента:

Катализатор: ионы Fe2+ , Fe3+, Cr2O72- , CrO42-, WO42-, MoO42-; CuSO4+MoO42-, CuSO4+NiSO4

Порядок выполнения работы

Схема установки для изучения скорости разложения Н2О2 газометрическим методом: 1-реакционный сосуд 2-бюретка 3-уравнительный сосуд 4-термостат

1.Термостатировать раствор катализатора

2.Влить в колбу с раствором катализатора определѐнное количество пероксида водорода.

3.Раствор тщательно размешать и поместить в предварительно термостатированный реакционный сосуд и поместить в термостат.

4.Уравнительный сосуд и бюретку наполнить подкрашенной водой и, присоединив реакционный сосуд к бюретке, проверить установку на герметичность.

Установить одинаковые уровни жидкости в бюретке и уравнительном сосуде.

Записать первое и последующие измерения с интервалом 2-5 минут.

5.После того, как реакция практически прекратится, реакционный сосуд поместить в кипящую водяную баню на некоторое время. Реакция считается законченной, если уровень газа в бюретке не изменяется.

6.После полного разложения пероксида водорода реакционный сосуд охладить до температуры термостата.

7.Произвести расчет.

Обработка экспериментальных данных

t, мин

VO2, мл

, мл

)

k, мин-1

п/п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

5

6,4

60,8

4,108

0,02002

 

 

 

 

 

 

2

7

12,0

55,2

4,011

0,0281

 

 

 

 

 

 

3

9

17,2

50

3,912

0,0329

 

 

 

 

 

 

4

11

21,6

45,6

3,820

0,0353

 

 

 

 

 

 

5

13

25,8

41,4

3,723

0,0373

 

 

 

 

 

 

6

15

29,6

37,6

3,627

0,0387

 

 

 

 

 

 

7

17

32,8

34,4

3,538

0,0394

 

 

 

 

 

 

8

19

35,4

31,8

3,459

0,0394

 

 

 

 

 

 

9

21

37,2

30

3,401

0,0384

 

 

 

 

 

 

10

23

39,6

27,6

3,318

0,0387

 

 

 

 

 

 

11

25

42,0

25,2

3,227

0,0392

 

 

 

 

 

 

12

27

44,4

22,8

3,127

0,04003

 

 

 

 

 

 

13

29

46,2

21

3,045

0,0401

 

 

 

 

 

 

14

31

47,6

19,6

2,976

0,0397

 

 

 

 

 

 

15

33

49,4

17,8

2,879

0,0403

 

 

 

 

 

 

16

35

51,0

16,2

2,785

0,0406

 

 

 

 

 

 

17

37

52,2

15

2,708

0,0405

 

 

 

 

 

 

18

39

53,4

13,8

2,625

0,0406

 

 

 

 

 

 

19

41

54,2

13

2,565

0,04007

 

 

 

 

 

 

67,2

-

-

-

 

 

 

 

 

 

Рассчитаем среднюю аналитическую константу скорости реакции:

,

где - объем кислорода, выделившийся после разложения всего Н2О2, - объем кислорода, выделившийся в момент измерения t.

(

 

 

 

)

 

 

 

(

 

 

)

мин-1

 

 

 

 

 

 

 

(

 

)

 

 

(

 

 

)

мин-1

 

 

 

 

 

 

(

)

(

)

 

мин-1

 

 

 

Аналогично рассчитываем для остальных значений, данные занесены в

таблицу выше.

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда получаем,

 

0,03733 мин-1

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь определим константу скорости графическим методом. Для этого

построим график зависимости в координатах

 

) = f(t)

 

 

График зависимости в (

− ) = f(t)

 

4,5

 

 

 

 

 

 

 

 

( − )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = -0,0428x + 4,2918

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

t, мин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

По графику

 

 

;

 

 

 

 

 

Из этого следует, что

 

мин-1

 

 

 

 

Определим порядок реакции графическим методом. Для этого построим

график зависимости

 

 

. По нему определим скорость реакции

в определенный момент времени:

 

. Далее построим график

зависимости:

 

 

 

, где

 

 

 

 

 

 

 

График зависимости (

− )= ( ).

 

 

80

− ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, мин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Из данного графика :

 

 

При

мл/мин

 

При

мл/мин

 

При

мл/мин

 

При

мл/мин

 

При

мл/мин

 

Далее построим график зависимости:

, по которому и

определим порядок реакции:

 

 

при

при

при

при

при

Соседние файлы в предмете Физическая химия