Методические указания для выполнения лабораторной работы "Скорость химической реакции"

МИНИСТЕРСТВо образования и науки РФ

КУРСКИЙ ИНСТИТУТ СОЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

(филиал)

российского ГОСУДАРСТВЕННОГО СОЦИАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Кафедра Безопасность жизнедеятельности в техносфере

Методические указания для выполнения лабораторной работы № 6

«Скорость химических реакций и её зависимость от различных факторов»

для степени (квалификации) 280200.62

«Защита окружающей среды»

очная форма обучения

бакалавр

Курск 2010

Лабораторная работа № 6

«Скорость химической реакции и ее зависимость

от различных факторов»

Тема 5: «Химическая термодинамика и кинетика»

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

Задачи: 1) образовательная: сформировать представление о законе действия масс вытекающих из него следствиях, дать понятие механизма реакции, рассмотреть зависимость скорости от различных факторов;

2) развивающая: развивать у студентов представление о взаимосвязи химического процесса и внешних факторов, развивать умение использовать теоретические знания на практике, развивать логическое мышление умение анализировать, обобщать и делать выводы;

3) воспитательная: формировать научное мировоззрение.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующего вещества 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 действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции Н₂(г)+2I(г=2НI(г) Закон действующих масс может быть записан:

где v -скорость химической реакции; k-константа скорости; C_H2 и C_I2 - концентрации реагирующих веществ

Реакции в гетерогенной системе, например С(к)+О₂(г)=СО₂(г), осуществляется на поверхности раздела между фазами. Поэтому скорость гетерогенных реакций при постоянной температуре зависит не только от концентрации веществ, не и от площади поверхности раздела. Так, для реакции:

С(к)+О₂(г)=СО₂(г)

зависимость скорости от концентрации описывается кинетическим уравнением реакции:

Где k- константа скорости; С_О2 - концентрация кислорода; S- площадь поверхности раздела между фазами.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом

Вант-Гоффа:

Где v_T1 и v_T2 - скорость реакции при Т₂ и T₁; γ -температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10°C. Если температура изменилась на ТС, уравнение принимает вид

= γ^ΔТ/10

Одностадийные реакции, протекают, как правило, через образование активированного комплекса. Для одностадийных реакций порядок реакций совпадает с молекулярностью реакции, т.е. мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции являются соответственно реакциями первого, второго и третьего порядка.

Кинетическое уравнение одностадийной химической реакции совпадает с законом действующих масс.

Сложные реакции. К сложным относятся реакции, протекающие последовательно через несколько стадий, или параллельно. Большинство реакций являются многостадийными.

Например, реакция 2А + 3В = А₂В₃

может идти через стадии: А + В = АВ (1)

А + АВ = А₂В (2)

А₂В + 2В = А₂В₃ (3)

2А + 3В = А₂В₃ (4)

Если одна из этих стадий протекает значительно медленнее других, то эта стадия будет определять скорость всего процесса, и ее называют лимитирующей (скоростьопределяющей) стадией. Скорость всей реакции будет определяться скоростью лимитирующей стадии. Например, если лимитирующей будет стадия (1), то скорость этой стадии и соответственно всей реакции будет равна

В данном случае 1+1=2 , т.е. порядок реакции меньше суммы стехиометрических коэффициентов (Σ=5). Обычно лимитирующая стадия записывается как необратимая реакция, а другие стадии - как обратимые реакции.

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

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

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ 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, так как выделяется сера.

Возьмите 3 бюретки: налейте в первую 1 нормальный раствор, серной кислоты, во вторую 0,05 нормальный раствор Nа₂S₂О₃, третью водой.

В три пробирки налить из бюретки по 5 мл серной кислоты. В три химических стакана налить из бюреток: в первый - 5 мл раствора Na₂S₂O₃ и 10 мл воды; во второй 10 мл раствора Na₂S₂O₃ и 5 мл воды, в третий 15 мл раствора Na₂S₂O₃. Заметив время, в первый стакан налить из пробирки 5 мл отмеренного раствора серной кислоты, быстро перемешать полученную смесь. Отметить помутнение раствора. Проделать то же самое с оставшимися стаканами.

Результат внесите в таблицу.

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

где v₁ скорость реакции, v₂ - скорость реакции во втором случае; τ₁ -время протекания реакции до начала помутнения раствора в первом случае; τ₂ - время протекания реакции во втором случае. Напишите уравнение реакций, сделайте вывод.

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ (по правилу Вант - Гоффа при у = 1,8)

Возьмем три бюретки с растворами серной кислоты, Na₂S₂O₃. воды. В две пробирки из бюретки подольем по 5 мл серной кислоты. В две конические колбы из бюреток прильем по 5 мл раствора Na₂S₂O₃, и 10 мл воды.

Одну колбу и пробирку поместить в термостат с температурой воды на 10°С выше комнатной. Через 5-7 минут, когда растворы нагреются смешать компоненты и отметить время помутнения. Аналогичную операцию проделать и со второй колбой и второй пробиркой, но температура должна быть выше комнатной на 20°С.

Результаты внесите в таблицу:

Сделайте вывод о зависимости скорости реакции от температуры.

Контрольные задания:

1.Что называют скоростью химической реакции? От каких факторов она зависит?

2.Как и почему изменяется скорость химической реакции при изменении температуры?

3. От каких факторов зависит скорость химической реакции в гетерогенных системах?

4.Что называют порядком реакции? Запишите кинетическое уравнение для реакции первого порядка.

Основная литература:

1. Коровин Н.В. Химия. М: Высшая школа. 2001.с.71-81

2. Коровин Н.В., Мингулина Э.М., Рыжова Н.Г. Лабораторные работы по химии. М.: Высшая школа. 1998.

3. Романцева Л.М., Лещинская З.Л., Суханова В.А. Сборник задач и упражнений по общей химии. М.: Высшая школа. 1999.с.44-48.

4. Химия (лабораторный практикум) Учебно-методическое пособие для студентов инженерных специальностей. Курск.КИСО (филиал) РГСУ,2007

Дополнительная литература:

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа.
   1988.с.96-101

2. Васильева З.Г., Грановская А.А., Таперова А.А., Макарычева Е.П., Фриденберг Е. Э. Лабораторный практикум по общей химии. Полумикрометод. М., Химия, 1965.

3. Глинка Н.Л. Общая химия. Л. : Химия, 1983.

4. Лучинский Г. П. Курс химии. М.: Высшая школа,1985.с. 129-135

5. Фролов В.В. Химия. М. Высшая школа, 1986. с. 85-90

6. Зайцев О. С. Задачи и вопросы по химии. М.: Химия, 1985.

7. Романцева Л. М., Лещинская З. Л., Суханова В.А. Сборник задач и упражнений по общей химии. М.: Высшая школа,1980.с.152-166