Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Методические указания
.pdf
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие связи называют силоксановыми? Силанольными?
2. Какое строение имеют безводный и гидратированный кремнезем?
3. Каким образом можно получить силикагель?
4. Каким образом раствор кремниевой кислоты переходит в коллоидное
состояние?
5. От каких параметров зависит устойчивость золя кремниевой кислоты?
6. Что такое силикоксерогель?
7. Почему силикагель способен адсорбировать воду и другие вещества?
8. Почему силикагель находит широкое применение в промышленности
и лаборатории?
71
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ
ИНВЕРСИИ САХАРОЗЫ
Целью настоящей работы является ознакомление студентов с методами определения порядка реакции и константы скорости реакции.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Скоростью химической реакции называется изменение концентрации любого из участвующих в реакции веществ в единицу времени.
, (1)
где υ – скорость химической реакции моль/л·с;
с – концентрация вещества, моль/л;
t – время, с.
Скорость реакции зависит от условий ее протекания. Можно выделить следующие факторы, влияющие на скорость реакции:
1. Природа реагирующих веществ.
2. Концентрация реагирующих веществ. При увеличении концен-
трации веществ скорость реакции увеличивается.
3. Температура. При нагревании скорость реакции увеличивается.
4. Добавление катализатора.
Влияние концентрации веществ на скорость протекания реакции
Согласно кинетической теории и закону действия масс, скорость
реакции пропорциональна частоте столкновений молекул и, следовательно, скорость реакции увеличивается при увеличении концентрации веществ. Количественно зависимость скорости реакции от концентрации описывается законом действующих масс [6].
72
Закон действующих масс:
Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их
стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Для реакции
аА+вВ = сС,
где а, в, с – коэффициенты в уравнении реакции, зависимость скоро-
сти реакции от концентрации можно записать как
, (2)
где CА и CВ – концентрации веществ А и В, моль/л;
k – коэффициент пропорциональности, называемый константой
скорости реакции.
Константа скорости реакции зависит только от природы веществ и температуры и не зависит от концентрации веществ.
Хотя скорость реакции и пропорциональна частоте столкновений
между молекулами, однако не каждое из них ведет к реакции, а только соударение так называемых активных молекул. Энергия активных молекул превышает среднюю энергию молекул веществ, участвующих в реакции. При столкновении активных молекул старые связи разрываются, и образуются новые молекулы, т. е. столкновение активных молекул ведет к протеканию реакции. При столкновении неактивных молекул не происходит образования новых частиц. Энергия, которую необходимо сообщить молекуле, чтобы перевести ее в
активное состояние, называется энергией активации. Энергию активации можно рассматривать как потенциальный барьер, без преодоления которого реакция не произойдет [9]. Влияние энергии активации на скорость реакции выражается в зависимости константы скорости реакции от энергии активации.
, (3)
где А – постоянная величина, зависящая от размера молекул;
Е
– энергия активации;
А
R – универсальная газовая постоянная.
73
Кроме того, как уже было сказано ранее, константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ. Благодаря этому
константа скорости реакции является характерной величиной для
различных химических реакций. Константы скорости реакций вычисляются на основе опытных данных для разных химических процессов.
Реакции различаются по молекулярности, зависящей от их истинного механизма, и по порядку реакции, определяемому соответствующим кинетическим уравнением.
Молекулярность реакции зависит от числа молекул, участвующих в химическом превращении. Существуют моно-, би- и тримолекулярные реакции. Если в реакции участвует лишь одна молекула, то
такая реакция называется мономолекулярной. Для нее закон действия
мacc записывается следующим образом:
. (4)
Если в реакции участвуют две молекулы, то она называется бимолекулярной. Для нее уравнение реакции выглядит следующим образом:
. (5)
Если реакция протекает при столкновении трех молекул, то она
называется тримолекулярной и описывается уравнением
. (6)
Порядок реакции определяется по более формальному признаку,
чем молекулярность, по виду кинетического уравнения. Порядок ре-
акции равен сумме показателей степеней концентраций в уравнении закона действующих масс. По этому признаку химические
реакции разделяются на реакции первого, второго и третьего порядков [10].
К реакциям первого порядка относятся реакции, в которых зависимость скорости от концентрации подчиняется уравнению (4), а = 1;
к реакциям второго порядка – реакции, описывающиеся уравнением
(5), где а+в = 2 и т.д.
74
Порядок реакции может совпадает с ее молекулярностью в простых случаях. Однако если реакция протекает по стадиям, идущих
последовательно и с разной скоростью то порядок реакции и ее молекулярность не совпадают.
Если реакция первого порядка, то выражения для расчета константы скорости реакции можно записать в следующем виде
, (7)
где С0 – начальная концентрация вещества (в начальный момент
времени t = 0);
С – концентрация вещества в данный момент времени.
Часто используют другую форму этого уравнения. Если обозначить С–С0 через х, то уравнение примет вид:
. (8)
В данной лабораторной работе изучается процесс превращения
сахарозы в глюкозу и фруктозу. Эта реакция называется инверсией и
протекает по схеме
С12Н22О11+Н2О С6Н12О6+ С6Н12О6.
сахароза фруктоза глюкоза
Если свет, колебания которого лежат в одной плоскости (такой
свет называется поляризованным), пропускать через раствор сахарозы, глюкозы или фруктозы, то указанные растворы будут поворачивать плоскость поляризованного луча на определенный угол, который называется углом вращения плоскости поляризованного
света (α) [10].
Угол вращения прямо пропорционален концентрация раствора:
α = β∙l∙c, (9)
где α – угол вращения плоскости поляризованного света, градусы;
β – удельное вращение поляризованного луча;
с – концентрация раствора, моль/л;
l – толщина раствора (длина кюветы), см.
75
Величина β используется для сравнительной оценки оптической
1
t
активности различных веществ и равна углу вращения слоя раствора
толщиной 10 см, содержащего 1 г вещества при температуре 20 °С и
длине волны света 589 нм. Определив прибором угол вращения α
легко рассчитать концентрацию раствора.
Сахароза поворачивает плоскость поляризованного луча вправо
на 66,55°, а смесь глюкозы и фруктозы поворачивает плоскость поляризованного луча влево. Поэтому, по мере протекания инверсии сахарозы, угол вращения падает до нуля, а затем становится отрицательным. Окончанию реакции соответствует предельно отрицатель-
ное значение угла α. Таким образом, скорость превращения сахарозы в глюкозу и фруктозу можно легко измерить, определяя угол вращения плоскости поляризованного луча.
Вместо концентрации в уравнение (8) можно подставить значение угла вращения плоскости поляризованного луча, тогда уравнение
(8) принимает вид
, (10)
где α0 – угол вращения плоскости поляризованного луча в начальный
момент времени;
αt – угол вращения в данный момент времени;
α – угол вращения после окончания реакции.
Если в уравнение (10) подставить значение t и значения α0, αt и
α, соответствующие этому времени, и в результате расчетов будет
получено постоянное значение k, то это означает, что реакция инверсии сахарозы подчиняется закономерностям реакций первого порядка. Если построить график, откладывая по оси ординат значение
2,303∙
, а по оси абсцисс –
, то мы получим прямую линию.
Если график, построенный по экспериментальным точкам, не является прямой, значит, эта реакция не является реакцией первого порядка.
76
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
8 7 1 6 2 3 4 5 9 10
Приборы и реактивы
1. Прибор-поляриметр СМ-I.
2. Технические весы.
3. Две колбы объемом 50 мл.
4. Мерный цилиндр объемом 50 мл.
5. Сушильный шкаф.
6. Раствор серной кислоты (4н.).
7. Сахароза.
8. Дистиллированная вода.
Аппаратура
Для измерения угла вращения поляризованного луча используют
прибор-поляриметр CM-I (рис. 1). Диапазон измерений угла вращения
плоскости поляризации от 0° до 360°. В поляриметре СМ-1 применен
принцип уравнивания яркостей разделенного на три части поля.
Рис. 1. Оптическая схема поляриметра CM-1:
1 – поляризатор; 2 – анализатор; 3 – указатель; 4 – лимб; 5 – окуляр;
6 – поляриметрическая трубка; 7 – светофильтр; 8 – источник света; 9 – лупа; 10 – зеркало
Луч света натриевой лампы накаливания через светофильтр поступает в поляризатор, где обычный свет превращается в поляризованный. Потом луч направляется в поляриметрическую трубку с раствором, затем в анализатор, где отражается от зеркала и попадает в
окуляр наблюдателя через линзу. Угол вращения отсчитывается по
лимбу и нониусу. Анализатор позволяет определить направление
вращения плоскости поляризованного луча.
77
Уравнение яркостей частей поля зрения осуществляется поворотом маховичка, установленного на анализаторе. Если между раствором и анализатором ввести кювету с оптически активным раствором,
то равенство яркостей частей поля нарушается. Равенство яркостей
может быть восстановлено поворотом маховичка анализатора на
угол, равный углу поворота плоскости поляризации жидкости. Следовательно, разность двух отсчетов (с оптически активной жидкостью и без нее) и является углом вращения плоскости поляризации.
Этот угол отсчитывают по лимбу и нониусу.
На лимбе имеется градусная шкала от 0° до ± 360°. Внутри лимба
на подвижной втулке, связанной с анализатором, нанесены два нониуса, расположенные диаметрально. Нониусы имеют по десять делений. Цена одного деления 0,05.
Порядок выполнения работы
Изучение кинетики инверсии сахарозы проводят следующим образом:
1. Определить нулевой отсчет прибора с кюветой, заполненной
дистиллированной водой.
2. Определить углы вращения плоскости поляризации с кюветой,
заполненной раствором сахарозы, в различные промежутки времени.
3. Определить константу скорости реакции расчетным методом.
Определение нулевого отсчета прибора
Измерения проводить с кюветой, наполненной дистиллированной
водой. Перед началом работы кювету необходимо тщательно промыть дистиллированной водой и высушить. Заполнение кюветы водой или раствором ведется до тех пор, пока на ее верхнем конце не
появится выпуклый мениск, который сдвигается в сторону при наложении на него покровного стекла. Затем на покровное стекло помещается резиновая прокладка, и кювета завертывается пластмассовой
втулкой. Заполненная кювета не должна течь, и в ней не должно быть
воздушных пузырей.
78
Для определения нулевого отсчета кювету с дистиллированной
водой вставить в кюветное отделение прибора, закрыть шторкой и, не
включая прибора, поворотом маховика совместить нулевое деление
шкалы на нониусе с нулем на лимбе. Включить прибор, прогреть
3–5 минут и поворотом маховичка добиться такого положения, чтобы
все три части поля зрения в окуляре были резко разделены (рис. 2).
Рис. 2. Вид поля зрения в окуляре
При этом отчетливо должна быть видна средняя полоса поля, окрашенная в темный цвет. Затем поворотом маховичка добиться такого положения, чтобы темная полоса исчезла. При этом все поле окрашивается в желто–оранжевый цвет. В таком положении и сделать
нулевой отсчет угла поляризации
.
Если нулевой штрих нониуса оказался относительно нулевого
штриха лимба смещенным по часовой стрелке, то отсчету приписать
знак «+», если против часовой стрелки – знак «–».
Нулевой отсчет прибора с кюветой, заполненной дистиллированной водой, как правило, не должен превышать значения 0,3
(
<0,3).
Определение угла вращения плоскости поляризации раствора сахарозы
Для проведения измерений необходимо приготовить 20-процентный раствор сахарозы. Для этого нужно взвесить на технических
весах 10 г сахарозы, перенести в колбочку емкостью 50 мл и добавить
40 мл воды.
79
После растворения сахарозы необходимо отмерить мензуркой
35 мл приготовленного раствора и 15 мл 4 н. раствора Н2SО4, тщательно перемешать в отдельной колбе, быстро заполнить кювету этим
раствором и, поместив в поляриметр, сделать первый отсчет α0. Колбу с оставшейся смесью поместить в сушильный шкаф с температурой 35–40° на 2 часа.
Необходимо записать в тетради время смешения растворов
сахарозы и серной кислоты. Это время считается началом реакции
инверсии сахарозы, все дальнейшие отсчеты времени нужно проводить, начиная от времени смешения растворов.
Для отсчета угла вращения включить прибор и совместить поворотом маховичка нулевые положения на лимбе и нониусе. Затем, поворачивая маховичок, добиться положения, при котором поле зрения
будет разделено на три части, а средняя полоса окрашена в темный
цвет. Дальнейшим поворотом маховичок установить в такое положение, при котором все три части поля окрасятся в оранжевый или желто-оранжевый цвет. В этом положении и сделать отсчет угла враще-
ния плоскости поляризованного луча. Значение угла вращения должно быть положительным. Найденное значение αt соответствует времени t.
Из полученного значения αt нужно вычесть значение нулевого
отсчета α0, учитывая знак нулевого отсчета. Например, при определении нулевого отсчета по дистиллированной воде прибор показал
, а после ввода кюветы с раствором сахарозы – +3,65°.
Угол вращения плоскости поляризации равен
αt = +3,65 – (+0,1) = 3,55°.
После сделанного отсчета нули на лимбе и нониусе совместить,
прибор выключить. Через 10 минут прибор вновь включить и сделать
следующий отсчет. Всего нужно сделать девять отсчетов через 10, 20,
30, 40, 50, 75, 100 и 150 минут. После каждого отсчета совмещать нули на лимбе и нониусе и выключать прибор. После последнего отсчета вынуть кювету из прибора, промыть дистиллированной водой и
высушить.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]