Лабораторна робота № 10 кінетика гетерогенних процесів

Мета роботи. Дослідити кінетику гетерогенного процесу розчинення твердої бензойної кислоти у воді та визначити його порядок.

Основні теоретичні відомості

Гетерогенним називається процес, учасники якого перебувають у різних фазах. Такими процесами є розчинення, кристалізація, випаровування, розклад твердих сполук, хімічна взаємодія між речовинами, які перебувають в різних агрегатних станах.

Гетерогенні процеси складаються з декількох послідовних стадій. Швидкість всього процесу визначається швидкістю найповільнішої (лімітуючої) стадії. Такою стадією зазвичай є або підвід реагентів до поверхні розділу фаз, або відведення продуктів від цієї поверхні внаслідок дифузії.

Дифузія – це процес самочинного вирівнювання концентрацій. За першим законом Фіка:

,

(10.1)

де dn – кількість молів перенесеної дифузією речовини через переріз S за час d при градієнті концентрації ; D – коефіцієнт дифузії, який чисельно дорівнює кількості речовини, що дифундує за одиницю часу через одиницю перерізу при градієнті концентрації, рівному одиниці. Коефіцієнт дифузії має розмірність . У напрямку дифузії  0, тому в рівнянні (10.1) стоїть знак мінус.

Розглянемо процес розчинення твердої речовини у розчині з концентрацією С. Його швидкість можна виразити збільшенням концентрації розчиненої речовини за одиницю часу:

,

(10.2)

де V – об’єм розчину.

Якщо процес лімітується дифузією, то безпосередньо біля поверхні твердої речовини розчин буде практично насиченим (рис. 10).

Дифузія відбуватиметься в нерухомому, так званому дифузійному шарі, який розташований поблизу поверхні. Якщо товщина дифузійного шару становить δ, то градієнт концентрації дорівнює:

(10.3)

і згідно з (10.1):

.

(10.4)

Т оді швидкість процесу розчинення буде виражатися рівнянням:

(10.5)

де – константа швидкості процесу розчинення твердої речовини. З рівняння (10.5) випливає, що процес розчинення в умовах стаціонарної дифузії, за якої концентрація змінюється вздовж напрямку дифузії лінійно (тобто тільки з відстанню від поверхні х, а від часу не залежить), має перший порядок.

Якщо рівняння (10.5) проінтегрувати, розділивши змінні, то отримуємо формулу для розрахунку константи швидкості процесу розчинення:

.

(10.6)

Хід виконання роботи

На столик магнітної мішалки ставлять стакан ємністю 500 мл, наливають в нього мірним циліндром 400 мл дистильованої води і кладуть якір магнітної мішалки. Включають мішалку і встановлюють таку швидкість обертання якоря, при якій вода добре перемішується.

Скляну паличку з наплавленим циліндром бензойної кислоти (С₇Н₆О₂) закріплюють у штативі над поверхнею води по центру стакану. Далі одночасно з включенням секундоміра занурюють циліндр у воду. Через 5, 10, 15, 20, 25 хвилин від початку досліду (не припиняючи перемішування) обережно відбирають зі стакану піпеткою 10 мл розчину і титрують його 0,01 н розчином лугу з індикатором фенолфталеїном до появи рожевого забарвлення, яке при збовтуванні колби не зникає. Дані експерименту записують у таблицю 10.1.

Таблиця 10.1 – Залежність об’єму лугу, витраченого на титрування розчину бензойної кислоти, від часу; константи швидкості процесу

Час з початку досліду , хв	Об’єм лугу V, мл		k, хв -1
0	0
5
10
15
20
25
kсер.=

Для розрахунків константи k необхідно знати концентрацію насиченого розчину кислоти або V_max – об’єм лугу, який витрачається на титрування насиченого розчину. Для цього відбирають 10 мл насиченого розчину бензойної кислоти і титрують розчином лугу за наявності індикатора. Титрування проводять двічі або тричі. Записують результати титрування насиченого розчину: = ____ мл

= ____ мл

______________

середнє V_max = ____ мл