Вопросы к защите работы.
1.Какие реакции представляют собой реакцию нейтрализации? Что такое теплота нейтрализации? Какими факторами определяется величина теплового эффекта реакции нейтрализации?
2.Написать в молекулярном и ионном виде следующие реакции:
•HNO3 + KOH →
•HCl + NaOH →
•CH3COOH + KOH →
•HCl + NH4OH →
Будут ли одинаковы тепловые эффекты этих реакций?
3.Что такое теплоемкость? Теплоемкость истинная, средняя, удельная, молярная.
4.Как экспериментально определить тепловой эффект реакции? Привести формулу расчета.
5.В чем заключается метод графического определения истиной величины
t?
Программа коллоквиума
1.Теплоемкость вещества (средняя, истинная, удельная, молярная).
Единицы измерения. Теплоемкость при постоянном объеме Сv и давлении Ср. Связь между ними.
2.Первое начало термодинамики. Применение его к химическим процессам.
3.Тепловой эффект растворения. Тепловой эффект реакции нейтрализации. Единицы измерения. Теплота разрушения кристаллической решетки и теплота сольватации (гидратации).
4.Теплота сгорания. Теплота образования.
5.Интегральная и дифференциальная теплота растворения. Закон Гесса.
6.Устройство калориметра. Постоянная калориметра.
Литература
1.Мушкамбаров Н.Н. Физическая и коллоидная химия. М., ГЭОТАР-
МЕД, 2001г., с.13-23.
2.Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия. М., Высшая школа, 1988г., с.60-75.
3.Киреев В.А. Краткий курс физической химии. М., «Химия», 1969г.,
с.190-199.
13
Лабораторная работа №2
КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Кинетика – это учение о скоростях химических реакций.
На скорость химической реакции могут влиять все условия ее протекания: природа реагирующих веществ, их фазовое состояние, концентрация исходных и конечных продуктов, присутствие посторонних веществ, температура, давление, радиация и т.д. Скорость реакции меняется с течением времени, поэтому лучше определять ее как производную от концентрации реагирующих веществ по времени.
V = − ddcτ ,
где с – концентрация одного из исходных веществ, которая по мере протекания реакции уменьшается
По закону действия масс скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в данный момент времени. Для мономолекулярной реакции
V = −ddcτ = kC ,
где k – константа скорости, равная скорости реакции, когдп концентрация реагирующего вещества равна 1.
Следовательно, константа скорости не зависит от концентрации реагирующих веществ, но зависит от всех других факторов, влияющих на скорость, в частности константа скорости зависит от температуры. Количественно влияние температуры на скорость оценивается величиной температурного коэффициента (правило Вант-Гоффа). Значительно более строгим является уравнение Аррениуса, устанавливающее, что логарифм константы скорости находится в линейной зависимости от обратной температуры.
14
Лабораторная работа №2.1
Определение энергии активации каталитического разложения пероксида водорода
Цель работы. Экспериментальное определение энергии активации каталитического разложения пероксида водорода.
Оборудование.
1.Установка для газометрического определения скорости химической реакции.
2.Мерный цилиндр или стакан.
3.Секундомер.
4.Пипетка на 1 мл.
Реактивы.
1.Раствор дихромата калия.
2.Раствор пероксида водорода (30%).
Суть работы. Пероксид водорода в водных растворах самопроизвольно медленно разлагается по уравнению:
Н2О2=Н2О+1/2О2
Разложение Н2О2 ускоряется в присутствии катализаторов. По закону действия масс
V=kCH2O2 , |
(1) |
где k – константа скорости химической реакции.
Это реакция первого порядка, поэтому
k = |
2,3 |
lg |
C0 |
, |
|
1 |
|
||||||
|
τ |
|
C |
|
|
мин |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
или |
|
|
|
|
|||
k = |
|
2,3 |
lg |
|
|
V |
|
, |
(2) |
||||
|
|
V |
−V |
||||||||||
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
где τ – время от начала опыта (мин); С0 – начальная концентрация Н2О2;
Сτ - концентрация Н2О2 к моменту времени τ ;
V - объем кислорода, выделяющегося после полного разложения Н2О2 (определяется теоретически и для 1 мл 30% раствора равен 120 мл О2);
Vτ – объем О2 , выделяющийся от начала реакции ко времени τ.
15
Скорость реакции, а значит и константа скорости, сильно возрастает с повышением температуры. Зависимость k от температуры определяется уравнением Аррениуса:
d ln k |
= |
E |
, |
(3) |
|
dT |
RT 2 |
||||
|
|
|
где k – константа скорости; Т – температура, К;
R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль град); Е – энергия активации, Дж/моль.
Интегрирование уравнения (3) в пределах от Т1 до Т2 дает уравнение:
|
kT2 |
|
E |
1 |
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
2,3lg k |
|
= |
|
|
− T |
|||||
T1 |
R T |
|
||||||||
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
||
Зависимость скорости реакции от температуры также может быть описана уравнением
V |
|
=V γ |
t2 −t1 |
, |
(5) |
2 |
10 |
||||
|
1 |
|
|
|
где V1 – скорость реакции при температуре t1, 0С; V2 – скорость реакции при температуре t2, 0С;
γ – температурный коэффициент реакции, показывающий во сколько раз изменяется константа скорости при повышении температуры на 10о.
Тогда при одинаковой исходной концентрации пероксида водорода
V |
|
|
kt |
|
|
|
t |
(6) |
||
|
|
2 |
= |
|
|
2 |
|
=γ 10 |
||
|
V |
k |
t |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
Если t = 100, то |
|
|
|
kt2 |
|
|
|
|||
|
|
|
γ = |
|
|
(7) |
||||
|
|
|
kt |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
Наблюдение за скоростью разложения производится газометрически по объему выделяющегося кислорода. Прибор состоит из реакционной колбы (1), бюретки (2), где собирается О2, уравнительного сосуда (3), водяного термостата с подогревом (4), контактного термометра (5) и реле (6). Контактный термометр, соединенный с реле, дает возможность поддерживать в термостате заданную температуру.
16
Рис.1. Схема установки
Выполнение работы.
Первый опыт провести при комнатной температуре.
В реакционную колбу налить до метки раствор дихромата калия (K2Cr2O7), являющегося катализатором для данной реакции. При этом надо следить, чтобы жидкость не попала в отросток колбы и в резиновый шланг.
С помощью уравнительного сосуда установить уровень воды в бюретке на ноль. Налить пипеткой в колбу 1мл 30%-ного раствора Н2О2, после чего необходимо как можно быстрее закрыть колбу пробкой и включить секундомер.
Выделяющийся в результате реакции кислород собирается в бюретке и вытесняет из нее воду. Уравнительный сосуд в это время необходимо опускать так, чтобы уровень воды в нем совпадал с уровнем воды в бюретке.
Не выключая секундомера в течение 5-7 минут, через каждую минуту следует замерять объем выделившегося кислорода, строго совмещая уровни в бюретке и сосуде. Результаты сразу же записать в таблицу.
Таблица 1
Объем выделившегося кислорода при разложении Н2О2 при температуре…
τмин |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Vмл |
|
|
|
|
|
|
|
Второй опыт провести при более высокой температуре. Для этого в реакционной колбе заменить раствор дихромата калия, сполоснув предварительно колбу свежим раствором K2Cr2O7. Установить на второй шкале контактного термометра температуру на 10 градусов выше первой. Нагреть раствор до заданной температуры. Для этого включить в сеть трасформа-
17
тор, кипятильник и реле. После достижения заданной температуры раствор в колбе выдержать в термостате в течение 20 минут. Затем так же, как в первом опыте, залить в колбу 1мл Н2О2 и замерить через каждую минуту (в течение 5 минут) объем выделившегося кислорода. Полученные результаты записать в таблицу.
Таблица 2
Объем выделившегося кислорода при разложении Н2О2 при температуре…
τмин |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Vмл |
|
|
|
|
|
|
|
Обработка результатов эксперимента.
По уравнению (2) рассчитать константу скорости химической реакции в каждый момент времени при разных температурах.
Усреднить данные с целью получения наиболее точного среднего значения константы скорости реакции k1 и k2 для каждой температуры
( KсрТ1 и КсрТ2 ).
Результаты расчетов занести в таблицу 3:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
t0 |
τ |
Vτ |
V-Vτ |
|
V |
|
lg |
V |
|
2 ,3 |
|
k |
k |
|
опыта |
мин |
|
|
V −Vτ |
|
V −Vτ |
|
|
|
|
|
среднее |
||
|
|
|
|
τ |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Затем следует вычислить энергию активации Е в кДж/моль по уравнению (4) и температурный коэффициент γ по уравнению (7).
Вопросы к защите работы
1.Почему необходимо уровень воды в уравнительном сосуде поддерживать одинаковым с уровнем воды в бюретке?
2.Для чего служит контактный термометр и как он работает?
3.Почему нельзя начинать опыт сразу после достижения заданной температуры воды в термостате?
4.Что называется молекулярностью реакции? Чему она равна для реакции разложения пероксида водорода?
5.Какие из следующих факторов влияют на константу скорости химической реакции: природа реагирующих веществ, концентрация реагирующих веществ, катализатор, растворитель, температура?
6.Имеет ли константа скорости реакции размерность и какую?
7.Во сколько раз увеличилась скорость реакции при изменении температуры на 10о?
8.Почему отработанный раствор можно использовать повторно?
18