Краткие сведения из теории

А.П. КИСЕЛЕВ, В.Н. ЛЕБЕДЕВ,

А.А. ФАТИНА

 

 

Кинетика

Химических реакций

 

Лабораторный практикум

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Балтийский государственный технический университет «Военмех»

 

 

А.П. КИСЕЛЕВ, В.Н. ЛЕБЕДЕВ,

А.А. ФАТИНА

 

Кинетика

химических реакций

 

Лабораторный практикум

 

Санкт-Петербург

2016

УДК 544.4(076)

К44

К44

К44

УДК 544.4(076)

 

 

Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, проф. каф. «Двигатели и энергоустановки летательных аппаратов» БГТУ Л.П. Юнаков

 

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

 

 

ã БГТУ, 2016

ã Авторы, 2016

Правила Техники безопасности

 

К лабораторной работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности, что оформляется записью в специальном журнале и закрепляется подписями студентов и лиц, проводивших инструктаж.

Правила поведения в химической лаборатории. В химическую лабораторию не разрешается входить в верхней одежде, в помещении лаборатории запрещается принимать пищу, пить, жевать жевательную резинку, хранить продукты и напитки.

При выполнении работы точно соблюдать последовательность операций, приведенную в руководстве по работе, и указания преподавателя. Запрещается проводить в лаборатории работы, не связанные непосредственно с выполнением учебного задания.

При работе соблюдать тишину, экономить реактивы, бережно относиться к оборудованию, мебели, посуде.

По окончании работы обязательно вымыть химическую посуду, привести рабочее место в порядок, перед уходом – вымыть руки.

Правила работы с реактивами. Соблюдать осторожность при работе с химическими реактивами. Избегать попадания их на кожу, одежду, глаза и слизистые оболочки. 

Неизрасходованные реактивы не выливать обратно в склянки для хранения.

Действия при попадании реактивов на кожу или одежду.
При попадании на кожу или одежду разбавленных растворов со-
лей, кислот, щелочей смыть реактивы сильной струей холодной
воды.

При химических ожогах глаз многократно промыть их струей воды. В случае необходимости открыть глаза чистыми руками. Не применять никаких нейтрализующих жидкостей! При поражении глаз химическими веществами после тщательного промывания немедленно обратиться к врачу.

 

 

Краткие сведения из теории

 

Химическая кинетика – учение о механизме химических реакций и закономерностях их развития во времени в зависимости от условий протекания. Знание химической кинетики позволяет определить эффективные факторы воздействия на химическую реакцию и на оптимальные условия ее протекания (влияние температуры, давления, концентрации реагирующих веществ, катализаторов и ингибиторов, свойств среды, в которой протекает реакция, и др.).

Химические реакции делятся на простые (элементарные, одностадийные) и сложные, состоящие из нескольких последовательных и параллельных реакций. Механизмом сложной реакции называют набор последовательных и параллельных стадий.

Скорость химической реакции – количество химических превращений в единицу времени. При протекании химической реакции количество исходных веществ уменьшается, а количество продуктов реакции увеличивается. При постоянном реакционном объеме это приводит к уменьшению концентрации исходных веществ и увеличению концентрации продуктов. Скорость изменения концентрации химического компонента за счет протекания реакции называется скоростью реакции по компоненту.

Для измерения скорости реакции необходимо регистрировать изменение концентрации хотя бы одного из компонентов во времени.
В данной работе мы будем исследовать кинетику реакции тиосульфата натрия с серной кислотой:

 

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

 

Мерой изменения концентрации Δ С будет появление осадка серы (помутнение раствора). В этом случае скорость реакции обратно пропорциональна времени протекания реакции (t).

 

v = ~  (с^–1),

 

t (с) – время протекания реакции – время между моментом сливания растворов и моментом визуальной регистрации образования осадка серы (помутнение раствора). Измеряется секундомером с точностью ± 0,5 с.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Число частиц, участвующих в элементарном химическом акте, называется молекулярностью реакции (моно-, би- или тримолекулярные реакции). Элементарная химическая реакция протекает в одну стадию при непосредственном взаимодействии молекул исходных веществ друг с другом. Она представляет собой совокупность элементарных химических актов, каждый из которых есть процесс превращения одной или нескольких находящихся в контакте частиц исходных веществ в частицы продуктов.

Скорость элементарной химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции. Это положение было сформулировано Гульдбергом и Вааге и получило название закона действующих масс. Реакция aA + bB ® dD:

 

v = k (T) C_А^аC_В^b,

 

k (T) – константа скорости реакции, a, b – стехиометрические коэффициенты реакции, C_А, C_В – концентрации реагентов. Такое уравнение называется кинетическим уравнением реакции.

Большинство гомогенных реакций имеют сложный механизм и протекают через ряд стадий, каждая из которых представляет собой моно-, би- или тримолекулярную элементарную реакцию. Общая скорость реакции будет определяться скоростью самой медленной стадии (лимитирующая стадия сложной химической реакции). В этом случае зависимость скорости сложной реакции от концентрации реагирующих веществ может быть описана законом действующих масс. Такие сложные реакции называются формально простыми. Но показатели степени в общем случае не равны стехиометрическим коэффициентам. Так, для формально простой гомогенной реакции aA + bB ® → dD зависимость скорости реакции от концентрации реагентов определяется уравнением

 

v = k (T) C_А^xC_В^y        x ¹ a; y ¹ b.

 

Показатели степени концентраций называются порядком реакции по соответствующему компоненту (x – по компоненту А, y – по компоненту В), сумма всех показателей (x + y) – кинетическим порядком реакции. Порядок реакций определяется экспериментально.

Для исследуемой реакции кинетическое уравнение имеет вид

 

v = k (T) C _к ^xC _c ^y,

 

где C _к – концентрация кислоты H₂SO₄ (моль/л), C_c – концентрация соли Na₂S₂O₃ (моль/л), x – кинетический порядок реакции по кислоте, y – кинетический порядок реакции по соли.

Зависимость константы скорости реакции от температуры. Скорость протекания химической реакции зависит от средней частоты столкновений молекул исходных веществ и доли столкновений, которые завершились химическим превращением. Зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса:

 

где k (T) − константа скорости реакции при температуре Т, К; k ₀ − предэкспонента − частота всех (активных и неактивных) столкновений исходных молекул; − экспонента − доля активных столкновений, т.е. завершившихся химическим превращением; Е_а, Дж/моль – энергия активации реакции. Энергия активации (Е_а) – энергия, которой должны обладать встретившиеся частицы, для того чтобы произошла химическая реакция. Она необходима молекулам при столкновении для преодоления сил отталкивания, разрыва старых связей и образования новых; Т, К – температура; R = 8,314 (Дж/моль · К) –
универсальная газовая постоянная. Для исследуемой реакции, если
С _к – const; С _с – const, .

Другой формой описания зависимости скорости реакции от температуры является температурный коэффициент реакции Вант-Гоффа, показывающий, во сколько раз возрастает скорость реакции при увеличении температуры на 10º:

 

® .

 

Для реакций, имеющих при температурах, не сильно отличающихся от 300 К, заметное протекание во времени (не слишком быстрых, но и не слишком медленных), энергия активации величину порядка 50…100 кДж/моль. В этих условиях температурный коэффициент g» 2…4.

 

 

Лабораторная работа

 

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

 

Цель работы:

1. Исследовать зависимость скорости реакции (v) от концентрации соли (C _c) при постоянной температуре. Определить порядок реакции по соли (y).

2. Исследовать зависимость скорости реакции (v) от температуры (T) при постоянной концентрации реагентов (C_i). Определить температурный коэффициент (γ) в заданном интервале температур. Рассчитать энергию активации (E_a) исследуемой реакции.