Экспериментальная часть

Опыт 1. Определение порядка реакции по веществу

Как отмечалось выше, для этого необходимо исследовать зависимость скорости реакции от концентрации данного вещества в исходной системе. В качестве примера будем проводить эксперименты по взаимодействию тиосульфата натрия с серной кислотой, которое протекает по реакции:

Na₂S₂O_3(р) + H₂SO_4(р) → Na₂SO_4(р) + SO_2(г) + H₂O_(р) + S_(т)

Признаком протекания реакции является помутнение раствора вследствие выделения элементарной серы.

Заполните три конические колбы раствором тиосульфата натрия и дистиллированной водой, исходя из указанного в таблице 5.1 соотношения этих компонентов для каждого из опытов. В первую колбу быстро прилейте 5 мл отмеренного заранее раствора серной кислоты и перемешайте полученную смесь легким встряхиванием колбы. Момент добавления серной кислоты отметьте включением секундомера. Наблюдайте процесс помутнения раствора в колбе, периодически его помешивая встряхиванием колбы. Отметьте время достижения раствором определенной степени мутности и занесите его в таблицу 5.1.

Таблица 5.1.

Влияние концентрации Na₂S₂O₃ на скорость реакции

Номер колбы	Объем реагента, мл			Общий объем	Относительная концентрация Na2S2O3	Температура опыта, оС	Время помутнения, с	Относительная скорость реакции
	Na2S2O3	H2O	H2SO4
1	5	10	5	20	1			1
2	10	5	5	20	2			2
3	15	-	5	20	3			3

Повторите данный эксперимент с колбами 2 и 3, обращая особое внимание на фиксировании продолжительности каждого опыта до определенной степени мутности раствора, соответствующей окончанию первого эксперимента.

Для обработки полученных опытных данных следует рассчитать скорость реакции по уравнению:

(5.6)

где - время до достижения раствором определенной степени мутности, с;

- изменение концентрации Na₂S₂O₃ в растворе при достижении определенной степени мутности, т.е. при образовании определенного количества выделившейся серы.

Чтобы не усложнять анализ кинетических данных определением количества выделившейся элементарной серы, можно воспользоваться условными относительными концентрациями Na₂S₂O₃ в растворе и условной относительной скоростью реакции, разделив соответствующие данные для опытов 2 и 3 на концентрацию и скорость реакции для первого опыта. Тогда относительные концентрации тиосульфата натрия будет равны 1, 2 и 3, а относительные скорости:

(5.7)

Постройте график 1 в координатах , откладывая относительные значения в одном масштабе. Определите угол наклона полученной прямой линии. Тангенс угла наклона экспериментальной прямой равен порядку реакции по тиосульфату натрия, вычислите его.

Опыт 2. Зависимость скорости реакции от температуры

Для проведения этих опытов воспользуйтесь термостатом с регулируемой температурой. Целесообразно провести эксперименты для реакции взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой хотя бы при трех температурах, при 20^оС, 30^оС и 40^оС.

Снова заполните три конические колбы раствором тиосульфата натрия и дистиллированной водой, исходя из указанного в таблице 5.2 соотношения этих компонентов, которое для всех трех опытов должно быть одинаковым. Поместите первую колбу в термостат и дайте ей возможность прогреться до температуры опыта. Затем прилейте в колбу 5 мл заранее отмеренного раствора серной кислоты и перемешайте раствор. В момент добавления серной кислоты включите секундомер. Наблюдайте процесс помутнения раствора в колбе, периодически встряхивая ее. Отметьте время достижения определенной степени мутности раствора и запишите его в таблице 5.2.

Переключите регулятор температуры воды в термостате на 10^оС выше и после достижения температурного равновесия повторите опыт с колбой 2. В момент добавления серной кислоты во вторую колбу снова включите секундомер и определите время достижения заданной степени мутности раствора уже при новой температуре. Полученный результат занесите в таблицу 5.2. Далее переключите температурный регулятор термостата еще на 10^оС выше и по описанной выше схеме проведите опыт 3.

Таблица 5.2.

Влияние температуры на скорость реакции

Номер колбы	Объем реагента, мл			Общий объем	Температура опыта, К	Время помутнения, с	Относительная скорость реакции
	Na2S2O3	H2O	H2SO4
1	5	10	5	20			1
2	5	10	5	20			1,8
3	5	10	5	20			3,24

Обработку полученных опытных данных по влиянию температуры следует провести таким же образом, как это было сделано в опытах по определению порядка реакции.

Для заполнения в таблице 5.2 столбца с относительной теоретической скоростью реакции следует воспользоваться эмпирическим уравнением Вант-Гоффа (5.4). Рассчитайте во сколько раз изменится скорость реакции при повышении температуры опыта на 10^оС и на 20^оС, если температурный коэффициент реакции в интервале температур от 0^оС до 100^оС составляет в среднем 1,8.

Для определения энергии активации анализируемой реакции необходимо построить график 2 в координатах . При аккуратно выполненных опытах экспериментальные точки для разных температур должны ложиться на прямую линию, тангенс угла наклона которой даст возможность найти Е_акт. Поскольку все параметры проведенных опытов были одинаковы (за исключением температуры) можно заменить величины в уравнении Аррениуса на соответствующие им значения . Тогда

(5.8)

или

(5.9)

Опыт 3. Скорость реакции в гетерогенном процессе

Существенное влияние на скорость гетерогенной реакции оказывает величина межфазной поверхности. Исследуем влияние размера твердых частиц реагента на скорость реакции:

CaCO_3(т) + 2HCl_(р) → CaCl_2(р) + H₂O_(р) + CO_2(г)

Взвесьте на технических весах маленький кусочек мела массой 0,5-1,0 грамм и подготовьте такую же по массе навеску измельченного мела. Налейте в две пробирки по 4 мл 10%-ной соляной кислоты и поместите в одну из них кусочек мела, а в другую одновременно порошок мела. Заметьте время, которое потребовалось для полного растворения мела в каждой из пробирок. Вычислите для обоих опытов условную относительную скорость:

(5.10)

Объясните, в каком случае скорость реакции больше и почему.

Опыт 4. Влияние катализатора на скорость реакции

Разложение пероксида водорода, протекающее по реакции

H₂O_2(ж) → H₂O_(ж) + 1/2O_2(г)

идет очень медленно. Убедитесь в этом, налив в пробирку 3-4 мл 3%-ного раствора пероксида водорода. Добавьте в пробирку на кончике шпателя несколько крупинок диоксида марганца. Запишите в отчете, что при этом происходит. С помощью тлеющей лучины подтвердите, что идет активное выделение кислорода.