Работа 5. Кинетика химических реакций.

Цель работы - изучение скорости химической реакции и ее зависи­мости от различных факторов: природы реагирующих веществ, концентрации, температуры.

Учение о скорости химической реакции называется химической кинетикой. Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующего вещества в единицу времени.

Скорость реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от условий протекания процесса (концентрации реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора и др.).

Зависимость скорости химической реакции от концентрации выражается законом действия масс: при постоянной температуре скорость хими­ческой реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реаги­рующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффици­ентам. Например, для уравнения реакции записанной в общем виде:

закон действия масс может быть записан:

Для конкретной реакции закон действия масс может быть записан:

где - скорость химической реакции;- константа скорости;- концентрации реагирующих веществ.

Система является гомогенной.

Особенность гетерогенных процессов заключается в том, что они, протекают на границе раздела фаз, т.е. на поверхности раздела между фазами. Поэтому скорость химических реакций в гетерогенных системах при постоянной температуре зависит не только от концентрации вещества, но и от площади поверхности раздела.

Так для реакции:

закон действия масс имеет вид:

где - константа скорости;- концентрация кислорода;- площадь поверхности раздела между фазами.

С ростом температуры скорость химической реакции резко возрастает. Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа:

где - скорости реакций прии;- температурный коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10°С.

Очевидно, для того чтобы произошло химическое взаимодействие, не обходимо, чтобы молекулы столкнулись. Однако лишь определенная часть общего числа соударений приводит к химическому взаимодействию. Эти ее ударения называются эффективными. Число соударений резко увеличивается с ростом температуры. Соударение будет эффективным в том случае, если суммарная энергия сталкивающихся молекул будет превышать некоторую определённую для данной системы величину.

Минимальное значение избыточной энергий, которой должны обладать молекулы, для того чтобы их соударение привело к химическому взаимодействию, называется энергией активации химической реакции. Промежуточное состояние системы, отвечающее максимуму потенциальной энергии, называется активированным комплексом.

Одним из методов ускорения химической реакции является катализ, который, осуществляется при помощи веществ (катализаторов) увеличивающих скорость химической реакции, но не расходующихся в результате ее протекания.

Механизм действия катализатора сводится к уменьшению энергии активации, т.е. к уменьшению разности между средней энергией активных молекул (активного комплекса) и средней энергией молекул исходных веществ. Скорость химической реакции при этом увеличивается.

Экспериментальная часть.

ОПЫТ 1 Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ изучают на примере взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой.

Признаком реакции является помутнение раствора вследствие выделе­ния серы.

Заполните три бюретки: первую - 1н раствором, вторую – 0,05н раствором, третью - водой. Приведите бюретки в рабочее положение. Налейте в три пробирки из бюретки по 5 мл.

В три конические колбы из бюреток налейте: в первую 5 мл раствора и 10 мл воды; во вторую - 10 мли 5 мл воды; в третью -15 мл раствора.

Заметив время, в первую колбу прилейте из пробирки 5 мл отмеренного раствора серной кислоты и быстро перемешайте полученную смесь. Отметьте время помутнения раствора.

Проделайте тоже самое с двумя оставшимися колбами. Результаты опыта внесите в таблицу:

Номер колбы	Объем, мл			Общий объем мл	Относительная концентрация	Температура опыта	Время появления помутнения	Относительная скорость реакции
1	5	5	10	20	1			1
2	5	10	5	20	2			2
3	5	15		20	3			3

На миллиметровой бумаге постройте кривую зависимости от концентрации (в относительных единицах). Отметьте по графику значениеполученные при вычислениях.

ОПЫТ 2. Зависимость скорости реакции от температуры.

Зависимость скорости реакции от температуры изучают на примере реакции:

По правилу Вант - Гоффа (при = 1.8)

получаем, что при повышении температуры на 10° скорость реакции увеличивается в 1.8 раза на 20° в 3.24 раза, на 30° в 5.832 раза и т.д.

Приведите бюретки с растворами в рабочее положение.

Налейте в три пробирки по 5 мл тиосульфата натрия, а в другие три - по 5 мл раствора серной кислоты. Сгруппируйте пробирки в три пары (кислота-тиосульфат). Пользуйтесь 0.01н растворами тиосульфата и кис­лоты, так как реакция при повышении температуры идет быстро.

Поместите первую пару пробирок и термометр в стакан с водой ком­натной температуры и через 3-5 мин., когда температура в пробирках вы­ровняется, запишите показания термометра. Слейте содержимое пробирок и встряхните ее несколько раз. Запишите время от начала реакции до появ­ления слабой опалесценции.

Вторую пару пробирок поместите в стакан с водой и нагрейте воду до температуры на 10° выше той, при которой находилась первая пара пробирок, затем проделайте тот же самый опыт.

Точно так же поступите с третьей парой пробирок, повысив темпера­туру воды еще на 10°.

Результаты опыта запишите в таблицу:

Номер колбы	Объем, мл		Общий объем мл	Температура опыта	Время появления помутнения	Относительная скорость реакции
1	5	5	10			1
2	5	5	10			1,8
3	5	5	10			3,24

На миллиметровой бумаге постройте кривую зависимости от температуры. На этом же графике отметьте рассчитанные заранее значение.

ОПЫТ 3. Скорость реакции в гетерогенных процессах.

Поместите на одну чашу весов маленький кусочек мрамора весом при­мерно 0,5г и уравновесьте его порошком мрамора. Налейте в две пробирки до 5 мл 10% соляной кислоты и поместите в них одновременно обе навески мрамора. Для этого заметьте время, которое потребовалось для полного растворения мрамора. Вычислите для обоих случаев относительную скорость () и определите, в каком случае скорость реакции больше и во сколько раз.

ОПЫТ 4. Каталитическое действие двуокиси марганца. Налейте в пробирку 2-3 мл 3% раствора перекиси водорода и введите туда же на кончике шпателя несколько крупинок двуокиси марган­ца. С помощью тлеющей лучины убедитесь в выделении кислорода.

Контрольные вопросы:

1. Что называется скоростью химической реакции? От каких факторов она зависит?

2. Сформулируйте закон действия масс. Напишите математическое вы­ражение этого закона для реакций:

   1. 

   2. 

   3. 

      3. Как и почему изменяется скорость химической реакции при изменении температуры?

      4. Что называется энергией активации?

      5. От каких факторов зависит скорость химических реакций в гетерогенных системах?

      6. Что называется катализатором? Какое влияние и почему оказывает, катализатор на скорость химической реакции?