Опыт 1. Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции

Для реакции, протекающей по уравнению a A + b B = продукты скорость реакции зависит от концентрации взаимодействующих веществ согласно уравнению:

V= kC_Aⁿ C_B^m

в котором k-константа скорости реакции; СA, и СB молярные концентрации реагирующих веществ А и В; nи m-показатели степени (частные порядки реакции по веществам А и В; сумма (n+m)- общий кинетический порядок реакции. Для простых реакций (протекают в одну стадию) частные порядкисовпадают с коэффициентами перед реагентами в химическом уравнении реакции (a и b), а общий порядок равен сумме коэффициентов в левой части уравнения реакции. Для сложных реакций (протекают в несколько стадий с образованием промежуточных продуктов) кинетические порядки могут не совпадать с коэффициентами перед реагентами. В этом случае порядок реакции определяется порядком самой медленной из всех протекающих реакций (лимитирующая стадия). Для сложных реакций порядок может быть не только целым, но и дробным числом. Кинетический порядок реакции определяют экспериментально исследуя зависимость скорости реакции от концентрации каждого реагента.

Ход работы:

Необходимо определить частный порядок реакции

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + SO₂↑ + S↓+ H₂O

по тиосульфату натрия Na₂S₂O₃. О скорости этой реакции можно судить по образованию серы, которая первоначально образует коллоидный раствор, рассеивающий свет (опалесценция), а далее выпадает в осадок. Скорость реакции обратно пропорциональна времени протекания реакции (τ), т. е. времени от начала реакции (смещивание реагентов) до момента появления заметной опалесценции. Скорость реакции (в относительных единицах) может быть выражена как V=1/τ.

1. Приготовьте три раствора с различной концентрацией Na₂S₂O₃, для чего внесите в три пробирке указанное число капель Na₂S₂O₃ и воды согласно таблице.

2. Добавьте в первый раствор одну каплю раствора H₂SO₄ и определите с помощью секундомера время протекания реакции. Занесите данные в таблицу.

3. Проделайте то же самое с двумя другими растворами.

4. Рассчитайте скорость реакции и постройте график зависимости скорости реакции от концентрации Na₂S₂O₃. Определите порядок реакции по Na₂S₂O₃, напишите кинетическое уравнение.

5. Сделайте выводы по проделанной работе.

Опыт 2. Влияние температуры на скорость

Химической реакции

При повышении температуры скорость химических реакций возрастает, т.к. увеличивается число активных столкновений между реагирующими частицами. Согласно эмпирическому правилу Вант-Гоффа*, при увеличении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции увеличивается в два- четыре раза:

V(t₂)/V(t₁)= γ ^(t2-t1)/10

γ- температурный коэффициент реакции (γ= 2- 4). Правило Вант-Гоффа соблюдается для реакций с энергией активации 60-120 кДж/моль в температурном диапазоне 10-400^oC. В общем случае температурную зависимость скорости реакции более корректно описывается уравнением Аррениуса.

*Якоб Хендрик Вант-Гофф - голландский химик, первый лауреат Нобелевской премии по химии (1901г.) «В знак признания огромной важности открытия законов химической динамики и осмотического давления в растворах».

Ход работы:

1. Поместите пробирку с раствором 1 в термостат (химический стакан, заполненный водой с погруженным в него термометром), выдержите 3-5 минут пока температура раствора не примет температуру воды в термостате.

2. Не вынимая пробирку из термостата, капните в раствор одну каплю раствора H₂SO₄ и определите с помощью секундомера время протекания реакции. Занесите данные в таблицу.

3. Повысьте температуру термостата на 10-20^оС (добавлением горячей воды) и повторите опыт.

4. Рассчитайте температурный коэффициент скорости.

5. Сделайте вывод о том, соблюдается ли правило Вант-Гоффа для исследуемой реакции.

Задачи для домашнего решения:

1. Реакция между веществами А и В протекает по схеме А+2В=С. Начальные концентрации веществ А и В соответственно равны 0,6 и 0,8 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,2 л²/моль²⋅с. Вычислите начальную скорость реакции и скорость реакции в момент времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,1 моль/л.

2. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,5. При температуре 20^оС эта реакция заканчивается за 10 мин. За сколько минут закончится реакция при температуре 35^оС? При температуре 5^оС?

3. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3,5. На сколько градусов надо изменить температуру, чтобы скорость реакции увеличилась в 50 раз?

Лабораторная работа

«Приготовление растворов»

Цель работы: научиться готовить растворы с заданной массовой долей растворенного вещества (на примере растворов уксусной кислоты).

Уксусная кислота CH₃COOH представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом; она гигроскопична и неограниченно растворима в воде. Абсолютная 100% уксусная кислота называется ледяной, т.к. при замерзании образует льдовидную массу. 70-80 % водный раствор уксусной кислоты называют уксусной эссенцией, а 3-6 %- уксусом. Водные растворы уксусной кислоты широко используются в пищевой промышленности (пищевая добавка E260) и бытовой кулинарии, а также в консервировании. Концентрированная уксусная кислота способна вызывать химические ожоги. Опасными считаются растворы, в которых концентрация кислоты превышает 30 %. Пары уксусной кислоты раздражают слизистые оболочки верхних дыхательных путей. ПДК в атмосферном воздухе составляет 0,06 мг/м³, в воздухе рабочих помещений — 5 мг/м³.

Ход работы:

1. Измерьте плотность уксусной эссенции с помощью ареометра и определите массовую долю CH₃COOH в уксусе, пользуясь таблицей и графиком (ниже). Ареометр-это прибор для измерения плотности жидкостей, принцип работы которого основан на законе Архимеда. Он представляет собой запаянную стеклянную трубку с грузом (дробь). В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности раствора. Шкала градуирована в единицах плотности (кг/м³ или г/л). Когда ареометр погружен в жидкость, то уровень её поверхности совпадает с тем делением на шкале, которое указывает плотность этой жидкости. Зная плотность раствора, можно в справочной литературе найти массовую долю растворенного вещества.

2. Приготовьте 200 г уксуса, содержащего 5% CH₃COOH из уксусной эссенции. Для этого рассчитайте необходимую массу уксуса и его объем.

3. Отмерьте с помощью мерного цилиндра рассчитанные объемы уксусной эссенции и воды, слейте их в коническую колбу, перемешайте.

4. Измерьте плотность полученного уксуса и определите его концентрацию с помощью таблицы.

5. Рассчитайте молярную концентрацию (в моль/л) полученного раствора по формуле: С= ωρ/М (ω-массовая доля; ρ-плотность раствора, г/л; М -молярная масса, г/моль).

6. Сделайте выводы по проделанной работе.

Задачи для домашнего решения:

1. Какой объем 98% серной кислоты (плотность 1,841 г/см³) необходимо взять, чтобы приготовить 5л раствора с молярной концентрацией серной кислоты 0,05моль/л?

2. Какой объем воды надо добавить к 10кг 5% раствора хлорида натрия, чтобы получить 2% раствор?

3. Используя справочные данные, определите массовую долю азотной кислоты в водном растворе, имеющем плотность 1,320 г/cм3 (при 20^оС). Вычислите молярность этого раствора.