Кинетика физико-химических процессов

Лабораторная работа Кинетика физико-химических процессов

Название опыта: Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ Ход и данные опыта Условие проведения опыта: Используем реакцию взаимодействия раствора иодата калия с раствором сульфита натрия в присутствии серной кислоты и крахмала (индикатора на свободный иод). Процесс взаимодействия протекает в несколько стадий. Суммарное уравнение реакции имеет вид

или в ионной форме

.

Считая началом реакции момент сливания растворов реагентов, а концом — момент выделения свободного иода (появление синей окраски), можно установить время реакции (ф) по секундомеру и определить относительную скорость реакции как 1/ф. Изменяя концентрацию раствора одного из реагентов, установили зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ при постоянной температуре.

Для выполнения опыта использовали растворы: раствор, А (0,002 н раствор иодата калия), раствор Б (0,02 н раствор сульфита натрия, содержащий в 500 мл 0,02 н раствора 50 мл 2 н раствора серной кислоты и 50 млного раствора крахмала). Реакция проводится при постоянной температуре (комнатной), постоянной концентрации иодата калия (раствор А) и переменной концентрации сульфита натрия (табл.1, раствор Б).

Порядок выполнения опыта: Используем мерный цилиндр и пронумерованные химические стаканы, раствор Б пяти различных концентраций согласно табл.1.

Взяли 2 пробирки, в одну из них внес пипеткой 20 капель раствора А, в другую из стакана № 1 — 20 капель раствора Б (первый вариант концентрации). Быстро слил растворы и одновременно включил секундомер (в процессе опыта пробирку не встряхивал). В момент появления синего окрашивания выключил секундомер. Данные внес в табл.1. Затем в том же порядке выполнил 2, 3, 4 и 5-й варианты опыта. Для каждого варианта рассчитал относительную скорость процесса (1/ф, с-1) и занес в табл.1.

Таблица 1

Расчет и анализ данных, или анализ результатов наблюдений Рассчитаем относительную скорость реакции во всех вариантах опыта по формуле. Данные внесем в таблицу 1.

Построим график зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

В химической кинетике исходят из того, что реагируют только не частицы, которые сталкиваются. В любой системе число столкновений пропорционально числу имеющихся частиц, следовательно, скорость химической реакции должна быть пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ и с увеличением концентрации веществ должна увеличиваться. Что подтверждается ЗДМ:

Вывод В соответствии с ЗДМ и по результатом опыта установили, что изменение скорости химической реакции прямо-пропорционально изменению концентрации реагирующих веществ. Т. е. с увеличением/уменьшением концентрации увеличивается/уменьшается скорость химической реакции.

Название опыта: Зависимость скорости реакции от температуры Ход и данные опыта Условие проведения опыта: Воспользуемся реакцией окисления щавелевой кислоты (H2C2O4) перманганатом калия (KMnO4) в присутствии серной кислоты. Уравнение реакции имеет вид или в ионной форме

.

В кислой среде ион восстанавливается в ион, в результате цвет раствора изменяется: от красно-фиолетового цвета (цвет иона) до бледно-розового (цвет иона при большой концентрации) или бесцветного (при малой концентрации). Реакция проводится при постоянной концентрации реагирующих веществ и переменной температуре (табл.2).

Порядок выполнения опыта: Взяли 8 пробирок и поместили в 4 из них по 20 капель 0,1 н раствора H2C2O4. В остальные 4 пробирки внесите в каждую 20 капель KMnO4 и 20 капель концентрированной серной кислоты H2SO4 (строго соблюдали указанную последовательность сливания растворов). Охладили полученные смеси на воздухе (или под струей холодной воды) до комнатной температуры.

Поместили пробирку с H2C2O4 и пробирку со смесью KMnO4 и H2SO4 в отверстие крышки, которой закрыт химический стакан, заполненный на 2/3 объема подогретой до 30? C водой. Контроль температуры осуществляйте

с помощью спиртового термометра (пробирки и термометр не должны касаться дна стакана). Выдержали пробирки с растворами в течение 1,5 -2 мин, затем перелили содержимое пробирки с подкисленным перманганатом калия в пробирку со щавелевой кислотой, не вынимая последнюю из стакана. Отметили время по секундомеру с момента смешения растворов до полного их обесцвечивания и данные занесли в табл.2.

Таблица 2

Расчет и анализ данных, или анализ результатов наблюдений Рассчитаем относительную скорость реакции во всех вариантах опыта по формуле. Данные внесем в таблицу 2.

химическое равновесие реакция Рассчитаем температурный коэффициент в интервалах: 30 — 40 °С

(), (), ()

По правилу Вант-Гоффа при увеличении температуры на каждые десять градусов скорость большинства химических реакции возрастает в 2−4 раза.

В соответствии с результатами проводимого опыта мы рассчитали температурные коэффициенты для интервалов 30−40?С, 40−50?С, 50−60?С и получили значение находящиеся в диапазоне от 2−4. Следовательно, для исследуемой реакции правила Вант-Гоффа выполняется.

Температурный коэффициент скорости химической реакции л зависит от природы реагирующих веществ и катализатора.

Построим, графи зависимости реакции от температуры.

При увеличении температуры увеличивается скорость реакции. Это обусловлена тем, что при расти температуры увеличивается число активных частиц, запас энергии которых равен или превышает энергию активации (min дополнительная энергия, которую необходимо сообщить средней энергии частиц, чтобы произошло взаимодействие), и как следствие увеличивается число активных соударений что и объясняет рост скорости химической реакции.

Вывод В ходе проведения опыта и по расчетным данным установили, что с роста температуры увеличивается скорость температуру реакции.

Название опыта: Зависимость скорости гетерогенной реакции от величины поверхности реагирующих веществ Ход и данные опыта Порядок выполнения опыта: В две пробирки поместили одинаковое количество (по одному полному микрошпателю) мела и мрамора. По возможности одновременно долили в пробирки одинаковые объемы (2 — 3мл) 10%_ного раствора соляной кислоты. Наблюдали выделение газа в обеих пробирках. Отметили, в какой из пробирок выделение газа закончится раньше.

Расчет и анализ данных, или анализ результатов наблюдений Выделение газа закончилось быстрее в пробирке с мелом.

Запишем уравнение реакции взаимодействия мела и мрамора с соленой кислотой, учитывая, что мел и мрамор имеют одинаковую химическую формулу:

Запишем выражение ЗДМ для каждой реакции:

Т.к. в реакции с мелом поверхность соприкосновения больше (мелпористое вещество) то вероятность соударения частиц больше, т. е. реакционная способность мела в данном случае выше =>

Вывод В течение времени проведения опыта убедились, что реакция проходит быстрее между теми веществами, S поверхность соприкосновения которых больше.

Название опыта: Влияние концентрации реагирующих веществ на состояние равновесия Ход и данные опыта Условие проведения опыта: Исследуем при постоянной температуре на примере реакции взаимодействия хлорного железа (FeCl3) с роданидом калия (KCNS):

.

Красное окрашивание роданида железа Fe (CNS)3 позволяет следить за сдвигом химического равновесия при изменении концентрации реагирующих веществ.

Порядок выполнения опыта: Нальём в химический стакан 5 мл 0,01 н раствора FeCl3 и добавьте 5 мл 0,01 н раствора KCNS (или NH4CNS). Полученный раствор разольём на 4 пробирки. В первую пробирку добавим 3−5 капель концентрированного раствора FeCl3, во вторую — 2−3 капли концентрированного раствора KCNS, в третью поместите немного твердого KCl (или NH4Cl), встряхнем пробирку, чтобы ускорить растворение соли. Сравним интенсивность окраски полученных растворов с цветом раствора в контрольной пробирке. Результаты наблюдений запишите в табл. 3

Таблица 3

Расчет и анализ данных, или анализ результатов наблюдений Запишем кинетическое условие равновесия:

Отсюда выведем выражение константы равновесия (Kc)

Константа равновесия зависит от природы реагирующих веществ и температуры, но не зависит от концентрации, давления и наличия катализатора.

Смещение химического равновесия объясняется неодинаковым изменением и вследствие изменения одного из условий (C, P, t°), при этом:

если, то равновесие смещается «> «

если, то равновесие смещается «< «

В ходе опыта в первых двух случаях мы увеличивали концентрацию исходных веществ, и равновесие смещалось в сторону продуктов реакцию В третьем случае мы увеличили концентрацию одного из продуктов реакции (KCL), и равновесие смещалось в сторону исходных веществ.

Результаты опыта подтверждают принцип Ле Шателье: большое количество исходных веществ/продуктов реакции сместило равновесие в сторону продуктов реакции/исходных веществ, чем уменьшило воздействие большего количества исходных веществ/продуктов реакции.

Название опыта: Влияние температуры на состояние равновесия Ход и данные опыта Условие проведения опыта: При взаимодействии иода с крахмалом образуется вещество сложного состава — иодокрахмал, синего цвета. Реакцию можно представить в виде

.

Изменение интенсивности синего окрашивания иодокрахмала позволяет следить за сдвигом химического равновесия при изменении температуры.

Порядок выполнения опыта: В пробирку нальем 4 -5 мл раствора крахмала и добавим несколько капель 0,1 н раствора I2 до появления синего окрашивания. Разделим содержимое пробирки на две. Нагрейте одну пробирку с раствором, поместив её в стакан с горячей водой. Затем охладите её до комнатной температуры (под проточной водой), наблюдая в обоих случаях за изменением окраски растворов и сравнивая её с контрольной.

Расчет и анализ данных, или анализ результатов наблюдений При повышении температуры цвет раствора в пробирке светлеет, а при уменьшении становиться ярко-синий (голубой) относительно контрольной пробирке.

При изменении температуры изменяется как прямая, так и обратная реакция, но в разной степени.

Для определения направления смещения равновесия необходимо определить тепловой эффект процесса.

Если энергия активации прямой реакции больше энергии активации обратной, что характерна для эндотермической реакции (), то с увеличением температуры скорость прямой реакции увеличивается больше чем скорость обратной (следствие из уравнение Аррениуса). Следовательно, повышение температуры увеличивает константу равновесия эндотермической реакции, т.к. увеличивается отношение .

В нашем случае энергия активации прямой реакции, меньше энергии активации обратной, т. е. реакция экзотермическая (). С увеличением температуры скорость обратной реакции увеличивается больше, чем скорость прямой (). Следовательно повышение температуры уменьшает константу равновесия экзотермической реакции, т.к. отношение .

Вывод При равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (), а при в сторону экзотермической ()