Лабораторная работа № 5 кинетика химических реакций

Цель работы: изучение скорости химической реакции и ее зависимость от различных факторов (природы реагирующих веществ, концентрации, температуры).

Скорость химической реакции называют изменения концентрации реагирующих веществ 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 реакции от концентрации выражается законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции:

2NO + O₂  2NO₂

Закон действия масс может быть записан:

,

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

Реакция в гетерогенной системе (например,) осуществляется на поверхности раздела между фаз. Поэтому скорость гетерогенных реакций при постоянной температуре зависит не только от концентрации реагирующих веществ, но и от площади поверхности раздела. Так, для реакции:

С_(к) + О_2(г)  СО_2(г)

закон действия масс имеет вид:

,

где: к – константа скорости; - концентрация кислорода; S – площадь поверхности раздела между фазами.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Ван-Гоффа:

где: - скорости реакции при Т₁ и Т₂;

j- температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10⁰ С.

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

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

Опыт 1. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ.

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

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + SO₂ + H₂O + S

Признаком реакции является помутнение раствора вследствии выделения серы.

Налейте в три пробирки из бюретки по 5 мл серной кислоты. В следующие три пробирки налейте из бюреток раствор тиосульфата натрия Na₂S₂O₃и воду следующим образом:

в пробирку № 1 – 5 мл раствора Na₂S₂O₃ + 10 мл воды;

в пробирку № 2 – 10 мл раствора Na₂S₂O₃+ 5 мл воды;

в пробирку № 3 – 15 мл раствора Na₂S₂O₃.

Заметив время, в пробирку № 1 прилейте 5 мл отмеренного раствора серной кислоты и быстро перемешайте полученную смесь. Отметьте время помутнения раствора. Проделайте то же самое с пробирками № 2 и № 3.

Результаты опыта внесите в таблицу:

№ п/п	Объем в мл			Общий объем в мл	Относительная концентрация	Температура опыта,	Время появления мути. с	Относительная скорость реакции
								теоретическая	практическая
1	5	5	10	20	1			1
2	5	10	5	20	2			2
3	5	15	-	20	3			3

Рассчитайте для второго и третьего случаев, учитывая, что скорость реакции и время протекания реакции до начала помутнения раствора обратно пропорциональны.

Следовательно, ,

где: - скорость реакции в первом случае ( ); - скорость реакции во втором, третьем случае; - время протекания реакции до начала помутнения раствора в первом случае, С; - время протекания реакции до начала помутнения раствора во втором (третьем) случае, С.

На миллиметровой бумаге постройте кривую зависимости от концентрации Na₂S₂O₃ (в относительных единицах).

Масштаб: 2 см на единицу измерения концентрации и скорости.

На этом же графике отметьте точками значения, полученные при вычислениях.

Напишите уравнения реакции и сделайте вывод о зависимости скорости реакции от концентрации Na₂S₂O₃ при данных условиях.

Опыт 2. Зависимость скорости реакции от температуры

Зависимость скорости реакции от температуры изучают на примере реакции:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + SO₂ + H₂O + S

По правилу Ван-Гоффа (при j = 1,8)

Получаем, что при повышении температуры на 10⁰С выше реакции увеличивается в 1,8 раза, на 20⁰С – в 3,24 раза, на 30⁰С – в 5,832 раза и т.д.

В две пробирки налейте из бюретки по 5 мл серной кислоты. В следующие две пробирки налейте по 5 мл раствора тиосульфата натрия + 10 мл воды.

По одной пробирке с серной кислотой и раствором тиосульфата Na₂S₂O₃ поместите в термостат с температурой на 10⁰С выше комнатной. Через 5-7 мин., когда растворы нагреются до нужной температуры, смешайте их и определите время помутнения раствора, как в опыте 1.

Другую пару пробирок поместите в термостат с температурой на 20 ⁰С выше комнатной. Через 5 – 7 минут смешайте растворы и определите время появления мути.

Результаты опыта занесите в таблицу (экспериментальные данные для комнатной температуры возьмите из опыта № 1 пробирка № 1).

№ п/п	Объем в мл			Общий объем в мл	Относительная концентрация	Температура опыта,	Время появления мути. с	Относительная скорость реакции
								теоретическая	практическая
1	5	5	10	20	1			1
2	5	5	10	20	2			1,8
3	5	5	10	20	3			01.03.24

Рассчитайте для второго и третьего случаев (методика расчета в опыте № 1).

На миллиметровой бумаге постройте кривую зависимость от температуры. На этом же графике отметьте заранее рассчитанные значения.

Рассчитайте значение температурного коэффициента, исходя из опытных данных.

Сделайте вывод о зависимости скорости реакции от температуры.