Общая и физическая химия (стр. 2 )

2 Na2S2O3 + J2 = Na2S4O6 + 2 NaI

Эта реакция протекает мгновенно, поэтому скорость нейтрализации тиосульфата будет определяться только скоростью накапливания йода в растворе, т. е. скоростью исследуемой реакции окисления йодида персульфатом. В тот момент, когда тиосульфат натрия будет полностью нейтрализован, в растворе появится свободный йод, который в присутствии крахмала сообщит раствору синюю окраску. Таким образом, количество грамм-эквивалентов тиосульфата натрия, добавленного к реакционной смеси, равно числу грамм-эквивалентов йода, образовавшегося к моменту появления синей окраски раствора, а следовательно, равно и числу грамм-эквивалентов йодида и персульфата, прореагировавших к этому моменту.

Реакция окисления йодида персульфатом, протекает в водном растворе по механизму реакции второго порядка. Кинетическое уравнение реакции второго порядка, если реагирующие вещества берутся в одинаковых количествах, в интегральной форме имеет вид

= kt.

Для определения константы скорости из опыта необходимо найти время от начала реакции t, за которое в реакцию вступает определенное количество реагирующих веществ х.

Величину х задают добавлением к реакционной смеси определенного количества тиосульфата натрия. Тогда время от начала реакции до момента появления синей окраски в присутствии крахмала даст нам величину t, за которую по реакции образуется количество йода, равное (в г-экв) количеству тиосульфата, введенному в реакционную смесь. Одновременно точно такое же количество йодида и персульфата вступит в химическое взаимодействие (х).

1.2. Экспериментальная часть

Необходимое оборудование:

1. 6 колб на 250 см3.

2.Пипетки на 25 и 50 см3.

3.Мензурка на 100 см3.

4.Бюретка на 25 см3 (для тиосульфата натрия).

Необходимые реактивы:

1.Раствор йодистого калия (или натрия, или лития или аммония) 0,1 н.

2 Раствор персульфата калия (или натрия) 0,05 н.

3. Раствор тиосульфата натрия 0,01 н.

Методика

B 6 колб с помощью пипетки вводят по 50 см3 персульфата. Затем из бюретки добавляют 2,5, 8, 11, 14 и 17 см3 тиосульфата натрия. С помощью мензурки разбавляют содержание колб дистиллированной водой, добавляя в них соответственно 98, 95, 92, 89, 86 и 83 см3 воды (таким образом, объем раствора во всех колбах будет одинаковым). Далее прибавляют к каждому раствору несколько капель крахмала. С помощью пипетки вводят в каждую колбу 25 см3 раствора йодида и в этот момент отмечают время начала реакции в минутах и секундах. Второй отсчет времени делают в момент появления синей окраски раствора.

Обработка экспериментальных данных

Для каждой реакционной смеси рассчитывают величину x /(a - x).

Начальное количество реагентов, например йодида, равно:

a = = 25´10-4 г-экв

Количество йодида, прореагировавшее к моменту окрашивания раствора, х (в г-экв), равно количеству тиосульфата натрия в реакционной смеси:

x = Vтио 0,01/1000

где Vтио - объем раствора тиосульфата натрия, см3.

Далее строят график, откладывая по оси абсцисс время реакции, а по оси ординат—величину у = х /a(а—х). Как видно из кинетического уравнения реакции, зависимость между этими переменными должна выражаться прямой линией. Из наклона можно найти константу скорости реакции k = Dy/Dt, где Dy и Dt - численные значения размеров катетов треугольника. Следует помнить, что полученное значение константы скорости относится к той величине объема реакционной смеси, которая использовалась для нахождения кинетических характеристик реакции (175 см3). Если необходимо вычислить константу скорости, не зависящую от объема (которая стоит в кинетическом уравнении, выраженном через концентрации), необходимо полученную константу скорости умножить на объем реакционной смеси.

РАБОТА № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ПО НАЧАЛЬНОМУ УЧАСТКУ КИНЕТИЧЕСКОЙ КРИВОЙ

2.1. Общие сведения

Цель работы заключается в экспериментальном исследовании зависимости количества продукта реакции от времени ее протекания. Если из опыта найти количество образовавшегося продукта реакции х для разных моментов времени t, то график зависимости отношения х/t от времени для начального периода реакции должен быть прямой линией. Пересечение этой прямой с осью ординат дает отрезок, равный скорости реакции в начальный момент. Зная начальную скорость и начальные количества реагирующих веществ, по кинетическому уравнению реакции рассчитывают константу скорости реакции.

Если объектом исследования служит реакция окисления йодида персульфатом, то о количестве продукта реакции (например, йода) судят по количеству тиосульфата натрия, введенного в реакционную смесь. Момент окрашивания раствора в присутствии крахмала указывает на то, что в ходе реакции образовалось количество продукта, равное (в г-экв) количеству тиосульфата натрия, добавленного к реакционной смеси.

2.1. Экспериментальная часть.

Необходимое оборудование:

1. Колба на 250 или 500 см3.

2. Мензурка на 100 см3.

3. Пипетки на 2, 25 и 50 см3.

4. Часы с секундной стрелкой.

Необходимые реактивы:

1. Растворы йодистого калия (или натрия) 0,5 н.

2. Раствор персульфата калия (или натрия) 0,25 н.

3. Раствор тиосульфата натрия 0,1 н.

Методика

В коническую колбу пипеткой вводят 50 см3 раствора персульфата и мензуркой добавляют 100 см3 дистиллированной воды. Пипеткой на 2 см3 вводят первую порцию тиосульфата и добавляют к раствору несколько капель крахмала. Последним вводят 25 см3 раствора йодида и в этот момент замечают время начала реакции. Для удобства последующих вычислений начинают реакцию в тот момент, когда секундная стрелка подходит к нулю.

Начав реакцию, внимательно наблюдают за цветом раствора. В момент появления окраски фиксируют время в минутах и секундах. Записав время, сразу же добавляют в колбу еще 2 см3 раствора тиосульфата и вновь наблюдают за цветом раствора.

Для получения правильных результатов необходимо точно определять момент окрашивания раствора. Чтобы повысить точность измерения времени, концентрируют свое внимание на отрезке времени, непосредственно предшествующем моменту очередного окрашивания. Для этого ко времени предыдущего окрашивания прибавляют интервал между двумя последними их моментами окрашивания и, начиная с этого времени, особенно пристально следят за окраской раствора.

Обработка экспериментальных данных

Прежде всего графическим способом определяют скорость реакции в начальный момент. Для этого рассчитывают количество продукта x, образовавшееся к моменту времени t (момент окрашивания раствора). В нашем опыте оно равно количеству тиосульфата натрия (в г-экв), введенного в реакционную смесь:

x = Vтио 0,1/1000

После этого рассчитывают отношение x/t. Как время t от начала реакции до момента окрашивания раствора, так и отношение x/t: рассчитывают с точностью до третьего знака после запятой. Данные, полученные из опыта, и вычисленные величины сводят в таблицу.

Объем тиосульфата, см3	x´104, г-экв	Время окрашивания, мин и с	t, мин	x/t´104, г-экв/мин
0	0
2	2
4	4
6	6
8	8
10	10
12	12
14	14
16	16

По данным последней таблицы строят график, откладывая по оси абсцисс время, а по оси ординат - отношение x/t. Полученная прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный скорости реакции в начальный момент vo.

Поскольку исследуемая реакция относится к реакциям второго порядка, ее кинетическое уравнение

v = dx /dt = k(a -x)(b -x)

для начального момента (x ® 0) принимает вид

vo = k ab.

Начальные количества реагентов рассчитывают из концентраций исходных растворов. Для йодида

a= 25´0,5/1000 = 12,5´10-3 г-экв,

для персульфата

b= 50´0,25/1000 = 12,5´10-3 г-экв.

Зная начальную скорость и начальные количества реагирующих веществ, рассчитывают константу скорости реакции.

Необходимо помнить, что полученное значение константы скорости относится к той величине объема реакционной смеси, которая использовалась для нахождения этой кинетической характеристики реакции (175 см3). Если необходимо вычислить константу скорости, не зависящую от объема (которая стоит в кинетическом уравнении, выраженном через концентрации), необходимо полученную константу скорости умножить на объем реакционной смеси.

2. ПОРЯДОК ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Как уже отмечалось, порядком реакции называют сумму показателей степеней при концентрациях реагентов в кинетическом уравнении реакции.

Если стехиометрическое уравнение реакции отражает её механизм, т. е. реакция идет в одну стадию, то показатели степени nA и nB совпадают со стехиометрическими коэффициентами веществ:

nA = nA и nB = nB

Однако большинство реакций протекает более сложным путем через ряд последовательных стадий, при этом скорость реакции в целом определяется скоростью самой медленной (лимитирующей) стадии. В этом случае порядок реакции по данному веществу не совпадает с его стехиометрическим коэффициентом. Он может выражаться как целым, так и дробным числом. Суммарный порядок реакции обычно лежит в пределах от 0 до 3, причем самыми распространенными являются реакции второго порядка.