Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Практические работы по физической химии. Часть 2. Для студентов 4 курса очной формы обучения, обучающихся по специальности 050101.65 — «Химия» и по на
.pdf
ление называют.Этим свойством,в частности,обладаютпластинытурмалина.ВначалеXIXвекаЭ.Малюспропускал свет последовательно через две одинаковые пластинки
изтурмалина.Пластинкимоглиповорачиватьсядруготносительнодруга.Приопределеннойтолщинепластинкатурмалинапочти
полностью поглощает одну из взаимноперпендикулярно поляризованныхволничастичнопропускаетвторуюволну,поэтому
пластинкатурмалинаможетбыть использованакакдляполучения.
метод исследования, основанный на измерениистепениполяризациисветаилиоптическойактивности,
т.е.величинывращения плоскостиполяризациисветаприпрохожденииегочерезоптическиактивныевещества.Величинатакоговращенияврастворахзависитотихконцентрации.Поэтому
поляриметриюширокоиспользуютдляизмеренияконцентрации
оптическиактивныхвеществ. Уголвращенияα зависитотряда
факторов:
– типавещества,имеющегохарактерныйуголвращения;
– концентрацииоптическиактивноговещества;
– длиныоптическогопути(длиныкюветы).
Коптическиактивнымвеществамотносятся,вчастности,сахарозаипродуктыеегидролиза,глюкозаи фруктоза.Уголвращенияпри концентрациивещества 1г/мл,длине трубки10 см,
о
температуре20
Си желтомсветес длинойволны 589,3нм составляетдляэтихвеществ+66,55,+52,5и–91,9о.Приэтомзнак
плюсозначаетправоенаправлениевращенияплоскостиполяризации,азнакминус—левое.Измерения,какправило,проводят
наприборах,называемыхполяриметрами(рис.15).Свет,поступающийотисточника(),проходитчерезконденсор().Плоскопараллельныйпучоксветапроходитчерезполутеневойполяризатор(,).Далее поляризованныйсветпроходитчерезкювету
с измеряемым оптически-активным веществом (). Анализатор
сотсчетнымустройством()позволяетопределитьуголвращенияполяризованногосвета.
41
Рис. 15.Полутеневойполяриметр
0
ln ,Ckt
C
=
Гидролизсахарозыпротекаетсогласноуравнениюреакции:
,(3.9)
сахароза глюкоза фруктоза
Хотяэтареакцияиявляетсябимолекулярнойпосвоемумеханизму,еескоростьподчиняетсякинетическомууравнениюдляреакции
первогопорядка,т.е.реакцияявляетсяпсевдомономолекулярной:
(3.10)
гдеC
иC—соответственноначальнаяитекущаякмоментувреме-
0
ниtконцентрациясахарозы,k—константаскоростиреакции.Значенияконцентрациивэтомуравненииможновыразитьчерезa:
ln((α0–α∞)/(αt –α∞))=kt, (3.11)
42
гдеα
времениtуголвращения.α
иαt — соответственно начальный и текущий к моменту
0
отвечаетуглувращенияпослеокон-
∞
чанияреакциигидролиза.
методом поляриметрии определить порядок
реакциииконстантускоростиинверсиисахарозы,атакжееепериодполупревращения.
полутеневойполяриметр,мернаяколбана50мл,мерныйцилиндрна50мл,стаканына100мл—3шт.
Реактивы: дистиллированнаявода, сахароза,4 моль/л растворHCl.
• Приготовьте50мл0,6моль/лрастворсахарозы.
• Определитеуголвращенияисходногораствораα
.Дляэтого
0
выньтеизприборакюветудляраствора.Заполнитеееводойдообразования выпуклого мениска. Накройте стеклышком так, чтобы
под его поверхностью не образовались пузырьки воздуха. Завинтитекрышкукюветы.Осушитекюветуфильтровальнойбумагойи
принеобходимостипротритестекла,закрывающиеееконцы.Поместитекюветувполяриметр.Добейтесьспомощьюнастольнойлампыизеркалаполяризаторахорошейосвещенностизрительногополя
окуляра. Найдите положение анализатора, при котором освещенность обоих полейокуляраодинакова.При правильной компенсацииотсчетпоказанийпошкаленониусадолжендатьвеличину0.
• Отсчет показаний по шкале нониуса. На неподвижной
верхнейшкалевправоивлевонанесено20делений, ценаделе-
о
ния1
сенопо10деленийсценойделения0,1
.Наподвижнойнижнейшкалесобеихсторонотнулянане-
о
.Положениериски,отвечающейнулюнанижнейшкале,наверхнейшкалесоответствует
приблизительному(сточностьюдоединицы)значениюуглавращения.Например,значениенаходитсямежду7и8.Дляполученияболееточногозначенияпосмотритенасоответствиеположениярисокдвухшкал.Толькооднаизнихпонижнейшкалесправа
от0(приположительныхзначенияхуглавращения)являетсяпродолжениемрискиверхнейшкалы.Отсчетномерарискипонижнейшкаледастчислодесятыхдолейградуса.Например,шестая
рискаотнуляприведеткобщемузначению7,6.
43
• Заменитеводув кюветенараствор сахарозы.Поместите
кюветувполяриметр.Приэтомравномернаяосвещенностьобеих частей поля нарушится. Вращением анализатора добейтесь
равной освещенности полей. Произведите отсчет показаний α
0
3–4раза.Добейтесь,чтобыразброспоказанийнепревышал0,20.
• Приготовьтереакционнуюсмесь.Дляэтогок10млсаха-
розыдобавьте5 млкислоты. Вмоментсмешениявключитесекундомер.Этомумоментусоответствуетуголвращенияα
.Пе-
0
релейте смесь вкювету поляриметра. Черездве минуты после
смешиваниярастворовзапишитепервоепоказание.Записывайте
показанияприборавтечение50минутсинтерваломмеждузаписями2минуты.Померепротеканиягидролизасахарозывраствореуголвращенияплоскостиполяризацииуменьшаетсядонуляи
становитсяотрицательным,поэтомуданнуюреакциюназывают
инверсией(обращением)сахарозы.
• Послеокончаниязаписивыньтераствориспомощьютер-
мометраопределитееготемпературу.
’
=α
• Рассчитайтеначальныйуголвращенияα
иVкобъемрастворасахарозыирастворакислоты,соответственно.
V
с
• Рассчитайтеα
поформуле:α∞=–0,311α0.
∞
• Постройтеграфикзависимостиln[(α
*Vс /(Vс +Vк),где
0
0
–α∞)/(αt–αX∞)]—
0
времясмоментасливаниярастворов.
• Определите,является липолученная зависимость линей-
ной.Очемэтосвидетельствует?
• Определитеконстантускоростиинверсии сахарозыв ус-
ловияхэксперимента.
’
Вопросы для самоконтроля
1.Какиевеществаобладаютоптическойактивностью?Какие
атомывструктурегексозявляютсяасимметрическими?
2.Чемявляютсяионыводородавданнойреакции:реагентом
иликатализатором?
3.Какимобразомможноускоритьгидролизсахарозы?Поче-
муэтареакцияявляетсямономолекулярной?
4.Наблюдалиливыинверсиюсахарозызавремяпротекания
реакции?
44
O
Вещества, принимающие участие, но не расходующиеся
впроцессереакции,называются.Самоэтоявле-
ниеназывается.Взависимостиоттого,находитсяли
катализаторвтойжефазе,чтоиреагирующиевещества,илиобразуетсамостоятельнуюфазу,говорятогомогенномигетерогенном катализе.Механизмкаталитическогодействия заключается
всниженииэнергииактивациипроцесса(E
)засчетобразования
a
промежуточногокомплексареагентовскатализатором(рис.16).
Рис. 16.РеакционныйпутьнекаталитическойреакцииA+B→AB
(кривая1)игомогеннойкаталитическойреакции(кривая2).
Перекисьводородавводныхрастворахмедленносамопроизвольноразлагаетсясобразованиемводыикислорода:
=2Н2О+О2. (3.12)
2Н
2О2
Скатализаторамиреакциязначительноускоряется,например,
привведенииврастворионовжелеза,меди,иода,бихромат-иона(гомогенно-каталитическоеразложение)ивприсутствииме-
45
таллов—платины,кобальтаит.д.(гетерогенно-каталитическая
→←
1
K
22
6
HO
2
HCr O
,
dC
w kC
dt
−
=−=
22 22
2
27
22
2
HO 1 HO
2
2
0,Cr O
1 HO
,
1
dC K C
w kC
dt K C
−
⋅
=−= ⋅
+⋅
реакция).Ворганизмечеловекаразложениеперекисиводорода,
образующейсявпроцессеобменавеществ,происходитподдействиемферментакаталазы(ферментативныйкатализ).
Гомогенно-каталитическое разложение перекиси водорода
2–
в растворе под действием бихромат-ионаCr
в общем виде
2O7
можнопредставитьввидесовокупностиследующихэлементарныхстадий.Вразбавленномводномрастворебихромат-анионсу-
–
ществуетпреимущественноввидеионовHCrO
О+Cr2O
Н
2
2–
=2HСrO
7
–
. (3.13)
4
:
4
Впервойобратимойреакцииеговзаимодействиясперекисью
водородаобразуютсяионыпромежуточногосоединенияHCrO
–
6
которыенеобратимораспадаютсясвыделениемкислородаиисходногоHCrO
2Н
2О2
HCrO
–
:
4
+HCrO
–
k
2
→
6
–
4
HCrO
2HCrO
–
+2О
4
–
+2Н2О. (3.14)
6
2
(3.15)
Если более медленной стадией (лимитирующей) является
распад иона HCrO
–
, то общая скорость реакции будет пропор-
6
циональнаегоконцентрации:
(3.16)
,
гдеk
—константаскоростивторойстадииреакции.
2
ВыразивконцентрациюионовHCrO
нение(3.16),получим:
откудаследует,что
• скоростьпроцессалинейно увеличивается сростомкон-
центрациикатализатора,
• порядокреакциипоН
получить зависимости количества выделившегосякислородаотвремениреакцииприразличныхконцентрацияхкатализатораиопределитьпорядкиреакции.
–
иподставивеевурав-
6
(3.17)
можетизменятьсяот0до2.
2О2
46
газометрсреактором(рис.17),
магнитная мешалка, раствор бихромата калия 0,1 моль/л,
3%раствор перекиси водорода,два мерных цилиндра или две
градуированныепробиркина10мл,1колбана100мл,1стаканчикна50мл.
Прибор-газометр—состоитизреакционногососуда1,соединенногорезиновойтрубкойсбюреткой2иуравнительнойсклянкой3. Уравнительная склянканужна для того, чтобы измерять
объемвыделившегосякислородавсегдаприодномитомжедавлении(атмосферном).Перемешиваниераствораосуществляется
магнитноймешалкой4.
Рис. 17.Газометр:
1—реактор-колбасрастворомН2О2известнойконцентрации,
2—бюреткадляизмеренияобъемавыделившегосякислорода,
3—уравнительнаясклянка,
4—магнитнаямешалка.
47
• Приготовьте75млрабочегораствораH
разбавлением
2O2
3%-ногорастворав5раз(к15мл3%-нойперекисинужнодобавить60млводы).Рассчитайтемолярнуюконцентрациюрабочего
раствора,атакжеконцентрациюН
стоящейиз15млрабочегораствораН
вреакционнойсмеси,со-
2О2
и2млраствораK2Cr2O7.
2О2
• Подготовьте газометр (рис. 17) к работе. Проверьте его
на герметичность. Установите уровень жидкости в бюретке
на«ноль»(вэтотмоментреактордолженбытьоткрыт)перемещением уравнительной склянки 3. Закройте пробкойреактори
опуститеуравнительнуюсклянкунижесерединышкалыбюретки.Уровеньводыв бюреткепри этомопустится и установится
нанекоторомделении.Еслиэтоположениенеизменитсявтечение1–2минут,тосистемуможносчитатьгерметичной.
• Налейтевреактор15млрабочегораствораН
,закрой-
2О2
тереакторпробкойиуравняйтеменискивбюреткес«нулевым»
отсчетом и в уравнительной склянке. Включите мешалку, быстродобавьте2мл0,1моль/лраствораK
2Cr2O7
,закройтепробкой, включите секундомер и через каждые 30 сек. измеряйте
объемвыделившегосякислородаV
(склянка3опускаетсяпомереувеличенияV
тедообъема,равного20мл.ВремяреакцииизначенияV
привыровненныхменисках
tO
2
).Опытпродолжай-
tO
2
запи-
tO
2
сывайтевтаблицу.
• Вылейтереакционнуюсмесьвстаканчик,достаньтеякорь
мешалки,промойтеегоиреактордистиллированнойводой.Подготовьтеприборкследующемуопыту.
• Приготовьте раствор катализатора с концентрацией
0,075моль/л(разбавление:к3мл0,1моль/лраствораK
2Cr2O7
до-
бавьте1млводы).Дляопытавозьмите2млводы.
• Повторите кинетические опыты с концентрацией
0,075моль/л,затем0,05моль/л(разбавление: к2 мл0,1 моль/л
раствора K
2Cr2O7
ление:к 1мл 0,1 моль/лраствораK
Принизких концентрацияхK
добавьте 2 мл воды) и 0,025 моль/л (разбав-
добавьте3мл воды).
2Cr2O7
2Cr2O7
реакцияидет медленно,по-
этомуинтервалывремениможноувеличитьдо1минуты.
48
• Наодномграфике постройтечетыре кинетические зави-
симости V
— время. Определите средние скорости реакции,
tO
2
выбравдлярасчеталинейныеобластикривых,следующиезаначальныминелинейными.
• Постройтезависимостьопределенныхскоростейреакции
отконцентрациикатализатора.Сделайтевыводо порядкереакциипокатализатору.
Вопросы для самоконтроля:
1.Дайтеопределениескорости,константыскоростиипоряд-
кареакции.
–
2.ПриведитеструктурнуюформулуHCrO
.
6
3.Чемобусловленакоричневаяокраскараствора,содержаще-
гоодновременноперекисьводородаибихроматкалия?
4.Объяснитеналичиенелинейныхзависимостейнаначальном
иконечномучасткахэкспериментальныхкинетическихкривых.
5.ПрикакихусловияхпорядокреакциипоН2О2будетнуле-
вым?вторым?
49
1. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Физическая химия: учебник
длявузов.М.:Химия,2000.
2. ИпполитовЕ.Г.,АртемовА.В.,БатраковВ.В.Физическая
химия: учебник для вузов. Педагогические специальности. М.:
Academia,2005.
3. РомановскийБ.В.Основыхимическойкинетики:учебник
длявузов.М.:Экзамен.2006.
4. СтромбергА.Г.,СемченкоД.П.Физическаяхимия:учебникдляхим.-техн.спец.вузов.М.:Высшаяшкола,1998.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]