Лабораторная работа № 2. Скорость химической реакции
Скоростью химической реакции в гомогенной системе называется изменение концентрации вещества, вступающего в реакцию или образующегося в реакции, за единицу времени.
Скорость химических реакций зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры, а также других факторов. При постоянной температуре для простых химических реакций скорость пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Если уравнение реакции имеет вид
aA +bB = cC,
то для этой реакции выражение скорости определяется уравнением
v = k[A]a∙ [B]b, (2.1)
где v — скорость реакции; a и b — стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции; k — константа скорости реакции; [A] и [B] — молярные концентрации веществ A и B соответственно. Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ и температуры, но не зависит от концентрации реагирующих веществ.
Зависимость скорости реакции от температуры приблизительно может быть выражена согласно правилу Вант-Гоффа, согласно которому при увеличении температуры на каждые 10 0С скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза. Если известна скорость химической реакции v1 при температуре t1, то скорость этой реакции v2 при температуре t2 может быть вычислена по формуле
v2
= v1
γ (
t 2-t1)
/ 10
(2.2),
где γ — температурный коэффициент скорости данной химической реакции.
-
Опыт 1. Определение зависимости скорости гомогенной реакции от концентрации реагирующих веществ
Изучение зависимости скорости гомогенной реакции от концентрации реагирующих веществ проводится на примере реакции взаимодействия тиосульфата натрия (Na2S2O3) и серной кислоты (H2SO4)
Na2S2O3 + H2SO4 = S↓ + H2SO3 + Na2SO4.
Образующаяся в реакции нерастворимая в воде сера (S) вызывает помутнение раствора.
Для определения скорости реакции необходимо измерить секундомером или метрономом время от момента сливания растворов тиосульфата натрия и серной кислоты до появления первых признаков выделяющейся серы (слабое помутнение раствора). Зная время протекания реакции, можно определить скорость реакции в условных единицах как величину, обратную времени: v = 100/τ.
Экспериментальная часть
Пронумеруйте 8 пробирок. В первые четыре пробирки налейте из бюреток указанное в таблице количество миллилитров раствора тиосульфата натрия и воды (H2O). Таким образом, будут приготовлены четыре раствора тиосульфата натрия различной концентрации. В оставшиеся 4 пробирки, помеченные карандашом 1а, 2а, 3а, 4а из бюретки влейте по 3 мл раствора серной кислоты. (Результаты опыта зависят от точности отмеривания растворов!) Составьте таблицу по образцу.
|
№ про- би-рок |
Объем, см3 |
Относительная концентрация Na2S2O3 a/(a+b) |
Время протекания реакции, τ |
Скорость реакции ·100, v = 100/ τ |
|
|
Раствора Na2S2O3 (а) |
H2O
(b) |
||||
|
1a |
1 |
2 |
1/3 |
|
|
|
2a |
1,5 |
1,5 |
½ |
|
|
|
3a |
2 |
1 |
2/3 |
|
|
|
4a |
3 |
0 |
1 |
|
|
Влейте содержимое пробирки 1а в пробирку 1, перемешайте растворы, закрыв отверстие пробирки пробкой и, опрокидывая ее дном кверху и обратно, тотчас же включите секундомер или начните отсчет ударов метронома. Как только заметите слабое помутнение раствора, выключите секундомер или прекратите счет ударов метронома. Запишите данные в таблицу.
Проделайте аналогичные опыты с остальными растворами. Рассчитайте скорость реакции и постройте на миллиметровой бумаге график зависимости скорости реакции (ось ординат) от концентрации раствора (ось абсцисс). График вклейте в журнал.
Какой линией выражается найденная зависимость? Должна ли эта линия выходить из начала координат?
-
Опыт 2. Определение зависимости скорости гомогенной реакции от температуры
В три пронумерованные пробирки налейте из бюретки по 3 мл раствора серной кислоты, а в другие три — по 1 мл раствора тиосульфата натрия и 2 мл воды. Слейте содержимое пробирок 1 и 1а (не забудьте перемешать растворы!) и отметьте время по секундомеру или метроному от момента сливания растворов до появления едва заметного помутнения. Время протекания реакции при комнатной температуре запишите в таблицу, составленную по образцу
|
№ пробирок |
Температура опыта, t 0C |
Время по секундомеру или метроному |
Скорость реакции·100, v = 100/τ |
|
1а |
комнатная |
|
|
|
2а |
30 |
|
|
|
3а |
40 |
|
|
Примечание: комнатная температура соответствует фактической температуре в аудитории.
Пробирки 2 и 2а поместите в термостат с температурой 300С, пробирки 3 и 3а — в термостат с температурой 400C. После пятиминутного прогрева растворов до температуры опыта выньте пробирки 2 и 2а из термостата и быстро слейте растворы. Определите время протекания реакции при температуре 300С. Аналогично проведите опыты с пробирками 3 и 3а при 400C.
Результаты опытов запишите в таблицу и рассчитайте скорости реакции при различных температурах. На миллиметровой бумаге постройте график зависимости скорости реакции от температуры, откладывая по оси абсцисс температуру, а по оси ординат – скорость реакции. График вклейте в журнал.
Рассчитайте температурный коэффициент реакции в интервале температур 30-400C. Определите, во сколько раз увеличится скорость реакции, если температура повысится от 40 до 800C.