1021

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

С.В. Митрофанова, О.М. Захарова, М.А. Кочеткова

КИНЕТИКА ГОМОГЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ

для обучающихся по дисциплине «Физическая коллоидная химия» направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность, профиль Безопасность технологических процессов и производств.

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

С.В.Митрофанова, О.М.Захарова, М.А. Кочеткова

КИНЕТИКА ГОМОГЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ

для обучающихся по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность, профиль Безопасность технологических процессов и производств.

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

2

УДК 541(075)

С.В.Митрофанова, О.М.Захарова, М.А. Кочеткова Кинетика гомогенных химических реакций [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. / М.А. Кочеткова; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 15 с; электрон. опт. диск (CD-R)

Рассматривается понятие скорости химических реакций и основные факторы, влияющие на скорость.

Предназначено для студентов ННГАСУ направлений 20.03.01 Техносферная безопасность, профиль Безопасность технологических процессов и производств.

© ННГАСУ, 2016

© С.В.Митрофанова, О.М.Захарова, М.А. Кочеткова

3

Введение

Целью настоящей лабораторной работы является изучение скорости гомогенной химической реакции и влияния на нее концентрации реагирующих веществ. Рассмотрим некоторые понятия и законы химической кинетики.

Химическая кинетика – раздел физической химии, занимающийся изучением скоростей химических реакций, механизма реакций.

Подавляющее число известных химических реакций являются сложными. Как правило, реакции протекают через ряд стадий прежде, чем получатся продукты реакции. Эти стадии называются элементарными реакциями и осуществляются непосредственным взаимодействием веществ, написанных в уравнении элементарной реакции. Сложными являются даже такие, простые на первый взгляд, реакции, как взаимодействие водорода с кислородом

2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г).

Это сложная химическая реакция. В уравнении стехиометрические коэффициенты указывают лишь соотношение между участниками процесса.

Сложная реакция включает несколько простых (элементарных) реакций.

Символ химического элемента с точкой означает, что атом или радикал содержит неспаренный электрон. Символами М и М* обозначены невозбужденные и возбужденные атомы, молекулы, которые обмениваются энергией с реагентами, но сами не претерпевают химических превращений

Знание всех элементарных реакций для данного процесса и их математическое описание и есть механизм химической реакции. Он изучен для очень небольшого количества важных химических реакций, и выяснение его представляет очень сложную проблему для ученых.

4

Различают гомогенные и гетерогенные химические реакции. В гомогенных реакциях все вещества находятся в одной фазе – газообразной или жидкой; в гетерогенных – в разных фазах. В настоящей методической разработке рассматриваются только гомогенные реакции.

Скорость гомогенной химической реакции

Скорость химической реакции численно равна изменению концентрации одного из исходных или продуктов реакции в единицу времени, например

А→ В

Ѵ =

Принято считать скорость реакций положительной величиной. Поэтому, если она определяется по исходному веществу, то dCA˂0 и в уравнении скорости нужно использовать знак минус. Если же она измеряется по продукту реакции, то dCB>0 и необходимо использовать знак плюс. Скорость

любой реакции не является постоянной величиной и непрерывно уменьшается по мере протекания реакции, что является следствием закона действующих масс.

Можно определить среднюю скорость реакции. Для этого необходимо произвести два измерения концентрации вещества C1 и С2 в моменты времени t1 и t2 от начала реакции и рассчитать среднюю скорость по формуле:

Ѵ = С

Cредняя скорость относится ко всему интервалу времени от t1 до t2 и не учитывает непрерывное уменьшение скорости реакции со временем, поэтому является неточной величиной.

Закон действующих масс

Закон действующих масс описывает зависимость скорости химических реакций от концентрации реагирующих веществ.

Сущность основного закона химической кинетики (закона действия масс) заключается в том, что скорость гомогенной элементарной химической реакции в каждый момент времени прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Например, для элементарной реакции:

Для элементарных реакций применяется еще одна кинетическая характеристика – молекулярность реакции.

Молекулярные реакции первого порядка:

Реакции первого порядка

К ним относятся, например, большое число реакций разложения химических соединений. Уравнение реакции имеет вид:

А → продукты. Запишем кинетическое уравнение реакции

Ѵ =×- = k CА

После разделения переменных получим:

- = k

Проинтегрируем это выражение от начального момента времени, когда t = 0 и С = С0, до некоторого времени t. Получим выражение

получиться прямая линия, а тангенс её наклона к оси времени есть константа скорости этой реакции (рис. 1).

6

lnС0/С

t, мин

Рис. 1. График зависимости lnС0/С от времени реакции

сА, моль/л

0.10

0.05

0.025

0.0125

0.00625

Рис. 2. График изменения концентрации вещества А от времени реакции

Влияние температуры на скорость реакций

Скорость реакции сильно зависит от температуры. Для большого количества жидкофазных реакций, протекающих при невысоких температурах, увеличение температуры на 10° вызывает, как правило, увеличение скорости в 2-4 раза. Эта закономерность носит название правило Вант-Гоффа, а само увеличение скорости на каждые 10° называется температурный коэффициент скорости γ.

Влияние катализаторов на скорость реакций

Катализ является основным средством ускорения химических реакций в природе и в практической деятельности человека. Под катализом понимается

7

ускорение или замедление (отрицательный катализ) реакций под влиянием специальных веществ – катализаторов. При этом катализатор не расходуется в процессе реакции. Его молекулы многократно вступают в промежуточное взаимодействие с молекулами реагирующих веществ и восстанавливаются после каждого акта взаимодействия. Поэтому требуемое количество катализатора обычно во много раз меньше (в десятки и сотни тысяч раз и более), чем реагирующих веществ.

Суть влияния катализатора объясняется тем, что он с молекулами реагирующих веществ образует некое соединение, которое называется активированным комплексом. В последующем этот активированный комплекс очень быстро вступает в реакцию с образованием продукта реакции и свободного катализатора. Ускорение реакции в присутствии катализатора объясняется резким снижением энергии активации по сравнению с исходным, без участия катализатора, и, соответственно, увеличением доли активных молекул. Катализаторы – более мощное средство ускорения реакций, чем температура. Они могут ускорить реакцию в миллионы раз. Еще одно важное отличие этих двух способов ускорения реакций. Повышение температуры ускоряет все процессы. А катализаторы действуют обычно очень специфично.

Определенный катализатор ускоряет только конкретные реакции, не влияя на другие, которые также могут проходить с участием тех же веществ. Это свойство катализаторов называется селективностью, или

избирательностью. Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (обычно в растворе). Так, например, работают в организме ферменты, которые каталитически регулируют процессы жизнедеятельности в живой природе.

При гетерогенном катализе катализатор находится в другой фазе, и химическая реакция протекает на границе раздела фаз. Наибольшее практическое значение имеют каталитические реакции, когда катализатор находится в твердой фазе, а реагенты – в жидкой или газообразной.

Таким образом, катализ является важнейшим из изученных способов ускорения химических процессов, широко применяемым в химической индустрии.

8

Лабораторная работа

Влияние катализатора на скорость реакции

В настоящей работе изучается кинетика каталитического разложения пероксида водорода Н2О2.

Выразим С0 и С через объем кислорода. Введем обозначения. Пусть Vt – текущий объем кислорода, т.е. объем выделившийся через некоторое время t, отсчитываемое от начала реакции, V∞ – объем кислорода, который должен выделиться при полном разложении пероксида водорода, взятого для опыта. Эта величина определяется расчетным путем. Для этого используется объем и концентрация раствора пероксида водорода и уравнение реакции его разложения.

Очевидно, что начальная концентрация пероксида водорода С0 пропорциональна V∞, а текущая концентрация С пропорциональна разности V∞ – V t. Тогда вместо уравнения (1) получим для данной реакции:

Из этого следует, что для разложения Н2О2 должна соблюдаться

прямолинейная зависимость в координатах ln от времени, а тангенс

угла наклона прямой есть константа скорости реакции k.

Цель работы: изучить влияние концентрации катализатора (K2Cr2O7) на скорость разложения пероксида водорода (Н2О2).

Чистый Н2О2 разлагается медленно, но реакция сильно ускоряется в присутствии солей металлов переменной валентности, таких как железо, хром, марганец и др.

Н2О2 (ж) = Н2О(ж) + ½О2 (г)

Разложение при комнатной температуре описывается уравнением реакции первого порядка. Скорость реакции проще всего измерять по объему выделяющегося кислорода.

Исследования проводятся на установке, изображенной на рис.3. Установка состоит из реакционного сосуда (1), закрытого резиновой пробкой с газоотводной трубкой (2), бюретки для сбора газа (3), стеклянного кристаллизатора (4), заполненного водой.

9

Рис.3. Установка для изучения скорости разложения пероксида водорода.

Экспериментальная часть

1.При открытом кране (5) поднимаем жидкость в бюретке до нулевой отметки при помощ и резиновой груши. Закрыть кран.

2.8 мл раствора пер оксида водорода 0,75%, заливается в длинное колено сосуда, а в корот кое колено сосуда заливается 6 мл 1%-го раствора катализатора K2Cr 2O7, не допуская попадание раств ора катализатора в колено с Н2О2. Сосуд осторожно закрываем резиновой пробкой, соединенной с газо отводным шлангом.

3.Смешать раствор катализатора и пероксида водорода и одновременно включить секундомер. Выделяющийся в результате реакции кислород будет вытеснять жидкость в бюретке, понижая её уро вень. Не прекращая перемешивание реакционной смеси, через каждые 30 секунд определяем объем выделившег ося кислорода по уровню воды в б юретке. Результаты заносятся в таблицу. Измерения прекращают, после того как скорость выделения кислорода сильно замедлится и показан ия объема почти не меняются.

4.После окончания первого опыта провести ещ е три, уменьшая концентрацию катализатора. Для этого во втором опы те в короткое колено сосуда заливается 5 мл раствора катализатора и 1 мл воды. В третьем

опыте взять 4 мл катализатора и 2 мл воды. В четвертом – 3 мл

10