Исследование влияния концентрации на скорость химической реакции

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НА СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Представляемая работа обсуждалась на 10-ой областной научной конференции школьников «Математическое и физическое моделирование задач естествознания» 1 – 2 ноября 2007г. (ТГУ) и на девятой региональной конференции-конкурсе исследовательских работ старшеклассников «Юные исследователи – российской науке и технике» (ТПУ) 28-29 марта 2008г

Содержание

Введение

1.Понятие о скорости химической реакции

2. Опытно-экспериментальная работа

2.1. Методика проведения опытов

2.2. Опытные данные 2.3.Взаимодействие растворов иодида калия и

пероксида водорода в кислой среде

2.4. Взаимодействие азотной кислоты с металлами

Заключение

Литература

Введение

В разных темах школьного курса химии мы изучаем химические реакции. Наибольшую трудность вызывает изучение скорости реакции. Проводимых на уроках опытов и изучаемого теоретического материала недостаточно для изучения этого трудного вопроса. В связи с этим возникает проблема исследования: подобрать опыты, позволяющие демонстрировать зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ. Отсюда вытекает тема исследования: «Исследование влияния концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции».

Объект исследования: химические реакции

Предмет исследования: скорость химических реакций, ее зависимость от концентрации реагирующих веществ

Цель исследования: изучить теоретические основы химической кинетики, провести серию опытов по демонстрации влияния концентрации на скорость реакции.

Гипотеза исследования связана с предложением о том, что можно через проведение несложных опытов дать более полное понимание о скорости химической реакции, а именно о влиянии на нее концентрации реагирующих веществ. Предлагаемые опыты позволяют выйти за рамки школьного курса химии, позволят углубить знания о химической кинетике.

Задачи исследования:

1.  Изучить учебно-научную литературу о химической кинетике.

2.  Изучить методику проведения опытов.

3.  Провести эксперименты и сделать выводы.

4.  Математически обработать результаты.

Элемент новизны нашей работы заключается в том, что мы провели лабораторные опыты, наглядно подтверждающие зависимость скорости химической реакции от концентрации веществ.

Методы исследования:

1.  Метод анализ и синтеза учебно-научной литературы по этой теме.

2.  Эмпирические методы: наблюдение за ходом реакций, приготовление растворов.

3.  Метод математического моделирования.

Этапы исследования:

1.  Сентябрь, октябрь 2007 г. Изучение и анализ литературы.

2.  Ноябрь, декабрь 2007 г. Проведение эксперимента, систематизация работы.

3. Январь, февраль 2008 г. Написание работы.

Теоретико-экспериментальное исследование проходило в Итатской средней школе № 2 с. Томское Томского района Томской области. Было проведено более 20 опытов.

1.  Понятие о скорости химической реакции

Скорость химической реакции измеряется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующего в результате реакции в единицу времени в единице объема системы ( для гомогенной реакции) или на единице поверхности раздела фаз ( для гетерогенной реакции).

Химические реакции протекают с разными скоростями. Быстро, но мгновенно горит сера в соляной кислоте, этилен обеспечивает бромную воду. Медленно образуется ржавчина на железных предметах и бронзовых изделиях, гниет листва, разрушаются зубы.

Предсказание скорости химической реакции, а также выяснение её зависимости от условий проведения процесса – задача химической кинетики – наука о закономерностях протекания химических реакций во времени.

Если химические реакции происходят в однородной среде, например в растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всём объеме. Такие реакции называют гомогенными.

Скорость гомогенной реакции (V гомог) определяется как изменение количества вещества в единицу времени в единице объёма:

V гомог= n / t*v,

где n – изменение числа молей одного из веществ (чаще всего исходного, но может быть и продукта реакции); t – интервал времени (с, мин); V – объём газа или раствора (л).

Поскольку отношение количества веществ к объёму представляет собой молярную концентрацию С, то

n/V = C.

Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:

Vгомог = С(моль)/ t (л*с),

если объём системы не меняется.

2. Опытно-экспериментальная работа

2.1. Методика проведения опытов по взаимодействию тиосульфата натрия и серной кислоты

Мы проводили реакцию взаимодействия растворов тиосульфата натрия и серной кислоты:

Na2S2O3 + Н2SO4 = Н2S2O3 + Na 2SO4

S+2 + 2e - = S0 2 1

S+2 – 2e - = S+4 2 1

Н2S2O3 = SO2 +S+ Н2O

Тиосерная кислота сразу же разлагается с выделением оксида серы и серы, которая находится сначала в коллоидном состоянии, а затем коагулирует. По внешнему эффекту легко заметить окончание реакции. О скорости реакции судим по скорости коагуляции серы, которая зависит от концентрации исходных веществ. Наблюдения за скоростью течения данной реакции проводим по косвенному признаку – времени, за которое произошла реакция. Понятно, что чем меньше время течения реакции, тем больше скорость.

Для проведения каждой серии опытов мы брали по 6 пробирок. В первой серии опытов при постоянной концентрации серной кислоты меняли концентрацию тиосульфата натрия по схеме: 6 капель тиосульфата и 0 капель воды; 5 и 1 капель; 4 и 2; 3 и 3; 2 и 4; 1 и 5. В пробирки добавляли 6 капель серной кислоты, отмечали время окончания реакции.

2.2. Опытные данные

Опыт 1.1. Изменение концентрации тиосульфата натрия Na2S2O3 при постоянной концентрации серной кислоты H2SO4 .

Число капель Na2S2O3	Число капель Н2О	Число капель H2SO4	Время протекания реакции/сек	Условная скорость, 1/ сек
6	0	6	8	0,152
5	1	6	12	0,083
4	2	6	16	0,063
3	3	6	22	0,045
2	4	6	30	0,033
1	5	6	60	0,017

Опыт 1.2. Изменение концентрации тиосульфата натрия Na2S2O3 при постоянной концентрации серной кислоты H2SO4 . Исходную концентрацию тиосульфата уменьшили разбавлением в три раза.

Число тиосульфата	Капли воды	Постоянная концентрация H2SO4	Время/сек.	Условная скорость, 1/ сек
6	0	6	25	0,040
5	1	6	34	0,029
4	2	6	42	0,024
3	3	6	54	0,019
2	4	6	75	0,013
1	5	6	136	0,007

Скорость реакции измеряется в моль/л*сек, но в наших опытах установить точную концентрацию веществ достаточно сложно, поэтому мы высчитали условную скорость, разделив единицу на полученные секунды, получив секунду в минус первой степени. При анализе полученных результатов убедились, что скорость химической реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ. По полученным данным построили графики, где наглядно видна эта зависимость.

График 1.

График 2.

2.3.Взаимодействие растворов иодида калия и пероксида водорода в

кислой среде ()

Для опыта необходимо 0,001 н. раствор иодида калия, 0,0001 н. раствор серной кислоты, свежеприготовленный однопроцентный раствор крахмального клейстера, пероксид водорода, приготовленный разбавлением пергидроля (1: 10), два цилиндра и две мензурки.

Заранее в один из цилиндров наливают 10 мл раствора иодида калия, 10 мл раствора серной кислоты, 20 мл воды и 5 мл крахмального клейстера. Во второй цилиндр наливают 20 мл раствора иодида калия, 20 мл раствора серной кислоты И 5 мл крахмального клейстера. В каждый из цилиндров добавляют одновременно при помешивании по 5 мл пероксида водорода (1: 10).

Голубое окрашивание появляется раньше во втором цилиндре, где раствор иодида калия был более высокой концентрации. Отсчёт времени ведут по секундомеру.

2KI-1+ H2SO4 + H2O2 -1 = I20 + K2SO4 + 2H2O-2

2I – 2e - = I20 2 1

2O + 2e - = 2O -2 2 1

При проведении опытов в сосуде с большей концентрацией растворов синее окрашивание появилось практически сразу же при смешивании растворов. Во втором сосуде, где концентрация растворов была меньше в 2 раза, синее окрашивание появилось в течение 20 минут.

2.4. Взаимодействие азотной кислоты с металлами

()

В три пробирки наливали равные объёмы (не более половины) 32-, 16- и 8-процентных растворов азотной кислоты и опускали одинаковые кусочки очищенной медной проволоки. Голубая окраска нитрата меди появляется раньше в пробирке с большей концентрацией раствора. В остальных-позднее.

3Cu0 + 8H+1N+5O3- = 3Cu +2(NO3)2 + 4H2O + 2N+2O-2

Cu – 2e - = Cu+2 2 3

N + 3e - = N+2 3

В первой пробирке синее окрашивание появилось в течение 2-х минут, во второй - через день. В третьей – через 3 дня.

Заключение

Проведенное исследование было познавательным и интересным, позволило:

- выйти за рамки школьного курса химии,

- углубить знания о химической кинетике,

-совершенствовать навыки проведения химического эксперимента,

- составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Полученные экспериментальные данные подтвердили, что скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, данная закономерность отражается на графиках, построенных по результатам опытов.

Практическая значимость работы заключается в том, что она может быть использована на элективных курсах и на уроках химии при изучении скорости химической реакции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  , Смирнов химического эксперимента, Т. II, М.: Просвещение, 1975, с.219-222

2.  Габриелян -- 11.М.: ДРОФА 2005, стр. 50-51

3.  Давайте похимичим! М.: Детская литература, 2002, с.164-165

4.  Химия и жизнь. Солтерсовская химия. Часть III практикум. М.: РХТУ им. 1997, стр.218-219

5.  Химия. Под редакцией М.: Химия 1989, стр 131-135