Изучение кинетики реакции разложения мочевины в водных растворах методом электропроводности

     Цель: Определить величину константы скорости и энергию активации реакции разложения мочевины в водном растворе.

     Задачи

1. Снять зависимость электропроводности раствора от времени протекания реакции при заданной температуре;

2. Определить величину константы скорости реакции разложения мочевины в водном растворе при заданной температуре.

3. рассчитать энергию активации данной реакции, воспользовавшись значениями константы скорости разложения при других температурах, полученными другими исследователями.

Приборы и реактивы

1. Учебно-лабораторный комплекс «Химия» в следующей комплектации:

— центральный контроллер;

— модуль «Термостат» в комплекте со стаканчиком (только на 150 см³), мешалкой и датчиком температуры;

2. мочевина, дистиллированная вода.

 

      Методика выполнения работы и ее обоснование.

       Результаты многочисленных исследований этой реакции указывают на то, что первым этапом разложения мочевины в водных растворах является ее изомеризация — превращение в цианат аммония с последующим переходом из цианата в карбонат и далее — в аммиак и углекислоту:

CO(NH₂)₂ →NH₄CNO

NH₄CNO →(NH₄)CO₃ → 2NH₃ + CO₂ + H₂O

       Реакция превращения цианата в карбонат протекает практически необратимо. Такого рода разложение с заметной скоростью происходит лишь в водных растворах и при повышенных температурах (50°С и более), причем протекает по мономолекулярному механизму. В ходе реакции водный раствор органического вещества CO(NH₂)₂ с ковалентными связями превращается в раствор, диссоциирующей на ионы соли NH₄CNO, поэтому электропроводность его со временем растет. Это дает возможность измерять скорость реакции, так как приращение электропроводности можно считать пропорциональным концентрации конечного продукта. Влиянием присутствия переменного количества мочевины можно пренебречь.

         Как уже указывалось, исследуемая реакция является реакцией первого порядка, поэтому расчет константы скорости реакции ведется по уравнению

где c₀ — начальная концентрация мочевины; х - концентрация мочевины, прореагировавшей к данному моменту времени; c₀ - x — концентрация мочевины, не прореагировавшей к данному моменту времени; t — время данного замера от начала реакции.

        Принимаем, что увеличение электропроводности во времени пропорционально количеству образовавшегося карбоната или количеству прореагировавшей мочевины.

        Обозначим:

L₀ — электропроводность раствора в момент начала реакции;    

L_t — электропроводность в данный момент времени t;

L_∞ — электропроводность, соответствующая последнему измерению, когда процесс разложения мочевины полностью закончен.

         Тогда, c₀ = const(L _∞ - L₀), (c₀ - x) = const(L_∞ -L0) - const(L_t -L₀)

Таким образом, расчеты можно проводить по уравнению

         Величину L₀ непосредственно экспериментально определить не удается, т. к. от начала реакции до первого измерения проходит некоторое время. Поэтому, величину L₀ находят экстраполяцией, для чего строят график в координатах ln(L_∞ - L_t) и затем вычисляют L₀.

          Вычислив константу скорости реакции для каждого момента времени, определяют ее среднее значение и сравнивают с величиной k, полученной графическим путем по тангенсу угла наклона прямой к оси t на графике

Рис. 1. Определение константы скорости реакции графическим путем

 

ln(L_∞- L_t) -t.

          По двум константам скорости, при двух температурах, по уравнению Аррениуса рассчитывают величину энергии активации для данной реакции.

           Вторую константу скорости берут у экспериментаторов, которые провели аналогичный опыт при другой температуре.