Скорость химических реакций

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

Работу выполнил___________________ Работу принял________________________

Дата выполнения___________________ Отметка о зачёте______________________

Основные понятия.

Скорости и механизмы протекания химических реакций изучает химическая кинетика.

Скорость реакции (v) определяется числом молей вещества (n), превращённого за единицу времени (t) в единице объёма ( V ) :

v ( 1 )

При постоянном объёме системы выражение ( 1 ) переходит в : v=∆C/∆t,

где С – молярная концентрация вещества [ моль/л ] .

При химической реакции концентрации исходных веществ убывают(∆Cисх.<0), а продуктов реакции – возрастают (∆Cпрод.>0), поэтому для величины v можно записать два равноценных выражения: v= -∆Cисх./∆t = +∆Cпрод./∆t.

Однородная часть системы ( жидкая, твердая, газообразная ) называется фазой.

Реакция, протекающая в системе, состоящей из одной фазы, называется гомогенной реакцией. Реакция, в которой участвует несколько фаз, называется гетерогенной.

Скорость реакций зависит от следующих основных факторов: природы реагентов, концентрации реагирующих веществ, температуры и присутствия катализаторов.

Влияние концентрации реагирующих веществ.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется законом действия масс (ЗДМ):

скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концен-

траций реагирующих веществ в степени их стехиометрических коэффициен-

тов, если уравнение реакции соответствует механизму проходящей реакции.

В общем виде для гомогенной реакции: аА+bB Y продукты

скорость равна:

v=k∙ ∙,

где k – константа скорости реакции.

Для реакции с участием газообразных веществ принято использовать выражение ЗДМ через парциальные давления веществ PA и PB[Па]: v k∙ ∙

Константа скорости реакции равна скорости реакции при концентрации всех реагентов, равных единице. Константа скорости зависит от природы веществ и температуры, но не зависит от концентрации.

Сумма показателей степени концентраций (а+b) в кинетическом уравнении ( 2 ) называется теоретическим порядком реакции.

ПРИМЕР 1. Химическая реакция H2(1) +I2(1) 2HI(1) идет в одну стадию и в прямом и в обратном направлении, и её механизм соответствует стехиометрическому уравнению. Как изменится скорость реакции при увеличении давления в системе в 2 раза?

Согласно ЗДМ, скорость прямой реакции: v=kпр∙CH2∙CI2 (порядок реакции = 2), скорость обратной реакции: v=kобр∙CHI(порядок реакции = 2).

При увеличении давления в 2 раза концентрации (парциальные давления) всех газообразных веществ увеличиваются в 2 раза. Т. о. отношение скорости реакции после повышения давления к исходной равно: v2/v1=( kпр∙2CH2∙CI2)/( kпр∙CH2∙CI2)=4

Стехиометрическое уравнение реакции отображает лишь количественное соотношение между реагирующими веществами и не показывает механизма протекающего процесса. Реальный процесс обычно значительно сложнее, чем это отображено в стехиометрическом уравнении. Если химическая реакция протекает через несколько промежуточных стадий, то суммарная скорость реакции определяется наиболее медленной (лимитирующей) стадией.

ПРИМЕР 2. Реакция 2 NO(r) + 2H2(r) = 2H2O(r)+ N2(r) идет в две стадии:

NO + H2 = N2 + H2O2 (медленная)

( 2 ) H2O2 + H2 = 2Н2О (быстрая)

Первая стадия, являясь более медленной, определяет кинетическое уравнение всей реакции: v = k∙CNO∙CH (а не v = k∙CNO∙CH ), порядок реакции = 3 (а не 4).

В гетерогенной системе с участием конденсированной (твердой или жидкой ) фазы химическая реакция идет на границе раздела фаз. Поверхностная концентрация молекул твердого (жидкого) вещества постоянна, поэтому скорость гетерогенной реакции зависит только от концентрации газообразных веществ. В связи с этим концентрации веществ, находящихся в конденсированной фазе, в кинетическое уравнение не входят.

ПРИМЕР 3. В гетерогенной реакции СаО(к) + СО2(r) = СаСО3(к) скорость определяется кинетическим уравнением v = k∙CCO.

Влияние температуры на скорость реакции.

С повышением температуры скорости химических реакций сильно возрастают.

Существует эмпирическое правило Вант-Гоффа:

при повышении температуры на 10 °C скорость реакции (константа

скорости) увеличивается в 2 -4 раза.

Математически правило Вант-Гоффа можно записать следующим образом:

, ( 3 )

где - температурный коэффициент реакции,

v1и v2 (k1и k2)-скорости (константы скорости) реакции

при температурах Т1 и Т2 соответственно, DТ = Т2 – Т1.

ПРИМЕР 4. Как изменится скорость реакции при увеличении температуры на 30 °C, если температурный коэффициент скорости реакции ?

DТ = 30, то скорость реакции увеличится в раз.

Правило Вант-Гоффа приближённое. Более точно температурная зависимость скорости реакции выражается уравнением Аррениуса: ln k = ln k0 – Eакт/(RT)

где k0 – предэкспоненциальный множитель,

Еакт – энергия активации,

R – универсальная газовая постоянная.

Энергия активации - минимальная избыточная энергия взаимодействующих частиц, необходимая для протекания реакции (рис. 1, а).

Зная температурный коэффициент реакции () в интервале температур от Т1 до

Т2 = Т1+10, можно оценить величину энергии активации по уравнению:

Еакт 0,1 ∙ R ∙ T1 ∙ T2 ∙ ln ( 4 )

Катализ.

Многие химические реакции, вполне возможные с точки зрения термодинамики, протекают с малой скоростью. В присутствии некоторых веществ скорость реакции резко возрастает, хотя в стехиометрическом уравнении реакции эти вещества отсутствуют.

Подобные вещества, оказывают влияние на скорость процесса, но формально в нём не участвующие, называются катализаторами. (Вещества, уменьшающие скорость реакции, называются ингибиторами).

Если катализатор находится в одной фазе с реагентами, говорят о гомогенном катализе, если реагенты и катализатор находятся в разных фазах – о гетерогенном катализе.

Скорость реакции в присутствии катализатора возрастает за счёт снижения энергии ак-тивации (рис. 1, б). Это приводит к увеличению скоростей как прямой, так и обратной реакций. При этом не происходит изменения направления реакции и смещения состояния химического равновесия, увеличивается лишь скорость его установления.

В гомогенном катализе влияние катализатора сводится к образованию промежуточных соединений на первой стадии и конечного продукта с выделением катализатора – на второй.

ПРИМЕР 5. Реакция разложения пероксида водорода Н2О2 в присутствии бихромата калия K2Cr2O7 идёт в две стадии:

( 1 ) Cr2O72- + H2O2 = Cr2O92- + 2 H2O

( 2 ) Cr2O92- = Cr2O72- + O2

суммарно: 2 Н2О2 = 2 Н2О + О2

таким образом катализатор (ионы Cr2O72-), вступая в реакцию на первой стадии, полностью выделяются на второй (в результате реакции не расходуется).

При гетерогенном катализе ускорение реакции происходит за счет активирования молекул при их адсорбции на поверхности катализатора. Теория гетерогенного анализа не нашла ещё своего завершения, поэтому разработка катализаторов для того или иного процесса является результатом длительных экспериментов.

Катализаторы характеризуются избирательностью (селективностью), т. е. ускоряют одни процессы, мало влияя на другие. В присутствии различных катализаторов превращение одного и того же вещества может идти в различных направлениях.

ПРИМЕР 6. Разложение этилового спирта может идти по трем различным направлениям. В зависимости от природы катализатора происходит ускорение (преимущественное протекание) соответствующей реакции:

Экспериментальная часть.

ОПЫТ 1. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагентов.

В опыте исследуется реакция между растворами тиосульфата натрия и серной кислоты:

Na2S2O3 + 2 H2SO4 = 2 NaHSO4 + H2SO3 + S↓

Реакция протекает в две стадии:

(1) Na2S2O3 + 2 H2SO4 = 2 NaHSO4 + H2S2O3 (быстрая)

(2) H2S2O3 = H2SO3 + S↓ (медленная)

Сера, образующаяся в результате реакции, вызывает опалесценцию и дальнейшее помутнение раствора, поэтому о скорости протекания реакции можно судить, визуально фиксируя момент потери прозрачности раствора.

Выполнение опыта: в трех пробирках приготовить растворы тиосульфата натрия различной концентрации, для этого внесите в пробирку №1 – 4 капли раствора тиосульфата натрия и 8 капель воды, в пробирку №2- 8 капли раствора тиосульфата натрия и 4 капли воды, в пробирку №3 – 12 капель раствора тиосульфата натрия. Пробирки слегка встряхните. Таким образом, при одинаковых объемах растворов концентрация тиосульфата натрия в пробирках будет в отношении 1 : 2 : 3.

В пробирку №1 добавьте одну каплю раствора серной кислоты и одновременно включите секундомер. Пробирку встряхните для перемешивания раствора. Измерьте время от момента добавления кислоты до появления опалесценции.

Опыт повторите с пробирками №2 и №3, добавляя по одной капли кислоты и определяя время протекания реакции до одинаковой степени помутнения раствора.

Данные опыта занесите в таблицу:

№ про- бирки	Объём Na2S2O3	Объём H2O	Объём H2SO4	Относит. конц-ия H2S2O3	Время протекания реакции t, с	Условная скорость v = 100/t
1	4	8	1	1
2	8	4	1	2
3	12	-	1	3

Постройте график зависимости условной скорости реакции ( v ) от относительной концентрации раствора тиосерной кислоты.

Напишите кинетическое уравнение реакции.

Сделайте вывод о соответствии полученной графической зависимости кинетическому уравнению:

ОПЫТ 2. Влияние температуры на скорость реакции.

В опыте используется реакция между растворами тиосульфата натрия и серной кислоты (см. опыт 1).

Выполнение опыта: в три пробирки налейте по 1 мл раствора тиосульфата натрия, в другие три пробирки – по 1 мл раствора серной кислоты. Каждую пару пробирок (тиосульфат – кислота) поместите в водяные бани: первую – при комнатной температуре, вторую – при температуре на 10°С выше комнатной, третью – при температуре на 20°С выше комнатной.

Через 5 – 10 минут слейте содержимое каждой пары пробирок и по секундомеру определите время протекания реакции до появления опалесценции.

Результаты опыта занесите в таблицу:

№ опыта	Температура, °C	Время реакции, с	v=100/t		Eакт, кДж/моль
1
2
3

Запишите выражение правила Вант-Гоффа.

По полученным данным рассчитайте два значения температурного коэффициента реакции и его среднее значение.

Для каждого значения температурного коэффициента рассчитайте энергию активации реакции, а так же ее среднее значение.

Все данные занесите в таблицу.

Сделайте вывод о влиянии температуры на скорость реакции.

ОПЫТ 3. Влияние катализаторов на скорость реакции.

В опыте исследуется реакция разложения пероксида водорода в присутствии катализаторов – раствора хромата калия K2CrО4 и твердого диоксида марганца MnO2. Скорость реакции оценивается по интенсивности выделения кислорода, который обнаруживается с помощью тлеющей лучинки.

Выполнение опыта: и две пробирки налейте по 10 капель раствора Н2О2. К отверстию одной из них поднесите тлеющую лучинку. Происходит ли выделение кислорода?

Повторите опыт, добавив в первую пробирку несколько капель раствора хромата калия, а в другую – несколько кристаллов диоксида марганца. Отметьте признаки протекания реакции.

Напишите уравнение реакции разложения пероксида водорода:

Сделайте выводы:

- как влияют хромат калия и диоксид марганца на скорость рассматриваемой реакции:

- в каком случае катализ является гомогенным, в каком – гетерогенным:

- почему в одном случае в ходе реакции изменяется окраска раствора:

- на основе каких наблюдений можно сделать вывод о том, что катализатор в процессе реакции не расходуется:

- как изменяется энергия активации реакции в присутствии катализатора:

ОПЫТ 4. Влияние величины межфазной поверхности на скорость гетерогенной реакции.

В опыте используется реакция CaCO3(т) + 2 HCl(р) = CaCl2(р) + H2O(ж) + CO2(г), протекающая на поверхности твёрдого карбоната кальция, взятого в компактном и измельчённом виде.

Выполнение опыта: возьмите два небольших кусочка мела ( г ). Один из кусочков поместите в пробирку, другой разотрите в ступке и получившийся порошок поместите в другую пробирку. В обе пробирки одновременно внесите по 5 мл соляной кислоты. Отметьте время растворения мела в каждом случае:

Напишите кинетическое уравнение реакции:

Сделайте вывод о влиянии степени измельчения твёрдых веществ ( величины межфазной поверхности) на скорость гетерогенной реакции.

Вариант теста ( правильные ответы выделены ).

I.  Скорость химической реакции: 3H2(Г) + N2(Г) = 2NH3(Г) выражается уравнением:

1) v = k C3H2 CN2 2) v = k CH2 CN2 3) v = k CNH 3 4) v = k C2H2 C2N2

см. ЗДМ, уравнение 2

II.  Скорость химической реакции: ZnO(K) + CO(Г) = Zn(K) + CO2(Г) выражается уравнением:

1) v = k CZnO CCO 2) v = k CCO 3) v = k CZnO C2CO 4) v = k CCO

см. ЗДМ, для гетерогенных реакций, пример 3

III.  Чему равен порядок реакции ( см. п. I ):

1 4

см. определение, стр. 1

IV.  Укажите размерность величин, которые используются в вычислениях по закону действия масс:

1) моль/л 2) Па 3) % 4) атм.

% и атм. Не системные единицы СИ

V.  Скорость гетерогенной реакции зависит от:

1) Концентрации газообразных веществ 3) Концентрации твердых веществ

2) массы твердых веществ 4) давления

См. ЗДМ для гетерогенных реакций, пример 3

VI.  Константа скорости химической реакции зависит от:

1) энергии активации реакции 3) температуры

2) концентрации реагентов 4) присутствия катализатора

Константа скорости от концентраций не зависит

VII.  Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры на 20°С, если температурный коэффициент реакции равен 3:4) 9

см. уравнение (3) и ПРИМЕР 4

VIII.  Влияние катализатора проявляется в: 1) увеличении скорости реакции 3) изменении направления реакции

2) смещении равновесия 4) снижении энергии активации

см. стр. 3 - катализ

IX.  Какие стадии химической реакции определяют ее скорость?

1) медленная стадия 3) быстрая стадия

2) все стадии 4) промежуточная стадия

см. определение стр.3 и ПРИМЕР 2

X.  Во сколько раз увеличится скорость реакции ( см. п.1), если общее давление в системе увеличить в 2 раза?

1) в 2 раза16

увеличение давления приводит к эквивалентному увеличению концентраций всех реагентов, ПРИМЕР 1

Слушатели, не сдавшие по предложенному тесту, должны выполнить контрольное задание и представить отчет о выполненной работе ведущему преподавателю (см. стр. 7)

_____________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы

I.  Напишите кинетическое уравнение реакции:

1)  P2O5(т) + 3H2O(ж) = 2H3PO4(p)2

2)  Fe(т) + H2O(г) = FeO(т) + H2(г)

3)  WO3(т) + 3H2(г) = W + 3H2O(г)

4)  Fe(т) + CO2(г) = FeO(т) + CO(г)

5)  2CuS(т) + 3O2(г) = 2CuO(г) + 2SO2(г)

II.  Реакция протекает в гомогенной смеси газов согласно уравнению 2А + В = А2В.

Определите изменение скорости реакции, если:

1)  увеличить давление в 2 раза

2)  уменьшить объем в 3 раза

3)  увеличить СА в 2 раза

4)  уменьшить СА в 2 раза

5)  увеличить СВ в 2 раза

III.  Определите изменение скорости реакции, если температурный коэффициент и изменение температуры соответственно равны:

1) 2 и -30°С 2) 3 и 30°С 3) 3 и -20°С 4) 2 и 20°С 5) 2 и 30°С

Рассчитайте энергию активации, если начальная температура равна 40°С.

Варианты заданий для защиты лабораторных работ.

2-ая цифра шифра 1-ая цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	111	135	253	234	352	333	451	425	555	524
1	112	131	211	235	353	334	452	433	551	525
2	113	144	212	231	311	335	453	434	552	533
3	114	145	213	244	312	331	411	435	553	534
4	122	141	214	245	313	344	412	431	511	535
5	123	142	222	241	314	345	413	444	512	531
6	124	155	223	242	322	341	414	445	513	544
7	125	151	224	255	323	342	422	441	514	545
8	133	152	225	251	324	355	423	442	522	541
9	134	153	233	252	325	351	424	455	523	542

Первая цифра – вариант вопроса I.

Вторая цифра – вариант вопроса II.

Третья цифра – вариант вопроса III.

ПРИМЕР. Студенческий билет № 00043 Вариант № 43

Соответствующий вариант задания – 245 (выделен), т. е. должны быть выполнены задачи I-2,

II-4, II-5.

Сохраните или запомните Вашу комбинацию для выполнения заданий по следующим лабораторным работам!