ВИВЧЕННЯ КІНЕТИКИ ГОМОГЕННОЇ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ

Хімічна кінетика вивчає швидкість хімічних процесів та залежність такої швидкості від різних факторів.

Швидкістю хімічної реакції називається зміна концентрації будь-якої речовини, що бере участь у реакції, за одиницю часу. Швидкість реакції на даний момент дорівнює:

Ця похідна береться зі знаком „-”, якщо С – концентрація вихідної речовини, і зі знаком „+”, якщо С - концентрація продукту реакції.

За законом діючих мас швидкість реакції пропорційна до добутку концентрації реагентів.

Для реакції аА + bB = eE + fF швидкість реакції

У загальному випадку , тобто показники степеня при концентраціях не обов’язково дорівнюють стехіометричним коефіцієнтам.

Рівняння для швидкості реакції називається кінетичним рівнянням реакції. Стала k називається константою швидкості реакції. Вона дорівнює швидкості реакції при концентраціях реагентів, що дорівнюють одиниці.

Розрізняють молекулярність і порядок реакції. Молекулярність реакції визначається кількістю частинок, які беруть участь у кожному елементарному акті реакції. Існують моно-, бі-, тримолекулярні реакції. Схематично їх можна подати рівняннями:

А = В + С – мономолекулярна реакція;

А + В = С + Е або 2А = В + С – бімолекулярна реакція.

Порядком реакції називають суму показників степенів при концентраціях компонентів у кінетичному рівнянні реакції.

Для наведеної реакції порядок дорівнює m + n. Порядок реакції може бути цілим, дробовим або нульовим. Молекулярність і порядок реакції часто не збігаються внаслідок того, що реакція, як правило, складається з низки послідовних стадій, які мають різну швидкість. При цьому швидкість реакції визначається швидкістю найповільнішої стадії.

На підставі закону діючих мас для реакцій різних порядків виводяться рівняння для розрахунку константи швидкості реакції.

Для реакції першого порядку:

звідки константа швидкості реакції:

де С₀ і С – початкова концентрація і концентрація на момент часу τ відповідно.

В іншій формі:

де а – початкова концентрація вихідної речовини; (а-х) – концентрація на момент часу τ.

Час, за який концентрація вихідної речовини зменшується вдвічі, називається часом півперетворення (піврозпаду). Для реакцій першого порядку час півперетворення пов’язаний з константою швидкості реакції співвідношенням:

З підвищенням температури швидкість і константа швидкості реакції збільшуються. За рівнянням Арреніуса логарифм константи швидкості реакції є лінійною функцією оберненого значення абсолютної температури:

або

де Е_А – енергія активації реакції, постійна для даної реакції величина; k₁ і  k₂ – константи швидкості реакції при температурі відповідно Т₁ і Т₂.

Згідно з наближеним правилом Вант-Гоффа, підвищення температури на 10 К збільшує швидкість реакції у 2-4 рази:

де γ – температурний коефіцієнт швидкості реакції, постійний у невеликому інтервалі температур.

У загальному випадку температурний коефіцієнт швидкості реакції можна розраховувати за константами швидкості для двох будь-яких температур:

де n – будь-яке ціле або дрібне число.

Порядок реакції можна встановити лише експериментально, вивчаючи зміну концентрації реагентів у часі. Здобуті дані підставляють у формули констант швидкості реакції першого, другого, третього порядку. Рівняння, яке дає постійне значення константи, відповідає порядку реакції.

Порядок однієї й тієї самої реакції може бути різним залежно від співвідношення концентрацій компонентів. Так, швидкість реакції:

подається рівнянням V = kC_AC_B (другий порядок).

Але якщо одну з речовин (наприклад, В) взяти у великому надлишку, то концентрація її практично не буде змінюватися, тому концентрацію С_В можна включити в константу, і тоді швидкість реакції V = kC_A (перший порядок).

У роботі досліджується реакція окиснення калій йодиду калій персульфатом:

Якщо калій йодид КІ взято у великому надлишку, то концентрація його під час реакції залишається практично сталою і реакція відбувається за першим порядком.

 

Мета роботи. Визначення порядку, константи швидкості та енергії активації реакції окиснення калій йодиду гіпосульфітом натрію.

 

Прилади і реактиви. Термостат, конічні колби місткістю 200 мл – 8 од., бюретка на 25 мл, піпетки на 50 і 10 мл, мірний циліндр на 100 мл, 0,04 н розчин калій персульфат К₂S₂О₈, 0,4 н розчин калій йодиду КІ, 0,01 н розчин натрій гіпосульфіту Na₂S₂O₃, розчин крохмалю, вода дистильована, лід.

 

Методика виконання роботи

В одну колбу за допомогою піпетки вносять 50 мл 0,04 н розчину K₂S₂О₈, у другу – 50 мл 0,4 н розчин КІ. Колби витримують у термостаті 10-15 хв. при температурі, зазначеній викладачем, потім зливають розчини, фіксують момент зливання (початку реакції) і залишають колбу з реакційною сумішшю в термостаті.

Готують конічні колби місткістю 200 мл для титрування, вливають у кожну колбу 100 мл холодної води і ставлять їх охолоджуватися на лід.

Періодично (наприклад, через 3, 7, 10, 15, 20, 30, 40, 60, 90 хв. від початку реакції) з колби з реакційною сумішшю відбирають піпеткою 10 мл проби, вливають її в колбу для титрування і титрують йод, що виділився в результаті реакції, 0,01 н розчином натрій гіпосульфіту до блідо-рожевого забарвлення розчину, потім додають кілька крапель розчину крохмалю і продовжують титрування до зникнення синього забарвлення.

При вливанні в холодну воду проба охолоджується і розбавляється, реакція при цьому майже припиняється, тому часом відбору проби вважається момент вливання проби у воду. Титрування потрібно проводити швидко, оскільки в розведеній пробі з невеликою швидкістю реакція все ж таки відбувається.

Аналогічно проводять дослід при вищій температурі (за вказівкою викладача); відбір проб у цьому досліді слід проводити частіше, оскільки за таких умов реакція закінчиться швидше.

 

Обробка експериментальних даних

Константу швидкості реакції розраховують за формулою:

У формулу входить концентрація вихідної речовини (калій персульфату), а при титруванні визначається концентрація продукту реакції (йоду). Проте кількість йоду, що виділився, еквівалентна кількості калій персульфату, який зреагував, і кінцева концентрація йоду дорівнює початковій концентрації калій персульфату. Тому замість х у формулу підставляють кількість мілілітрів натрій гіпосульфіту, яка пішла на титрування проби у відповідні моменти часу, а замість а – кількість мілілітрів натрій гіпосульфіту, яка пішла на останнє титрування (наприкінці реакції).

Для розрахунку константи швидкості реакції попередньо будують графік залежності x=f(τ); для точок, які внаслідок можливих помилок експерименту не потрапляють на плавну криву, константу швидкості не розраховують.

За середнім значенням констант швидкості реакції для двох температур розраховують енергію активації Е_А. Якщо константи визначено для трьох і більше температур, то Е_А визначають графічним способом за тангенсом кута нахилу прямої в координатах:

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: