Лабораторная работа. Задачей является изучение зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ

Химическая кинетика

Задачей является изучение зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, температуры, присутствия катализатора на примере реакции

Na₂S₂О₃+Н₂S0₄® S¯ +Na₂S0₄+H₂0+S0₂

Оборудование и ревы:

Бюретки, 3 шт. Воронки для бюреток, 3 шт. Штатив с пробирками.Химические стаканы емкостью 100 мл - 2 шт. Секундомер. Бумага миллиметровая. Мерный цилиндр. Шаблон с вертикальной цветной полосой. Термометр с точностью измерения не хуже ± 1^oС.

Реактивы: 0, 2 М Na₂S₂O₃; 0, 2 М H₂SO₄; 0, 5 М НС1; 0, 5 М CuSO₄ (в капельнице с микропипеткой).

Описание изучаемой химической реакции

Уравнение химической реакции является суммарным уравнением сложного взаимодействия, протекающего последовательно по стадиям:

Na₂S₂О_з+Н₂SО₄®Н₂S₂Оз+Nа₂SO₄ (1)

Н₂S₂O_з®SO₂+Н₂O+S¯ (2)

Первая реакция идет практически мгновенно, поэтому скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) реакции разложения тиосерной кислоты. Таким образом, изучая скорость протекания реакции, мы, по сути дела, изучаем скорость разложения Н₂S₂О_з.

Постановка опыта основывается на следующем. Как следует из уравнения (1), количество образующейся тиосерной кислоты эквивалентно количеству взятого для реакции тиосульфата натрия. Поскольку скорость протекания реакции (2) много больше скорости протекания реакции (1), то с достаточно хорошей точностью можно считать начальную концентрацию тиосерной кислоты равной начальной концентрации тиосульфата натрия. В свою очередь, разложение Н₂S₂О_з сопровождается выделением эквивалентного количества коллоидной серы, вызывающей помутнение раствора. Поэтому по степени помутнения раствора можно судить о количестве разложившейся тиосерной кислоты.

Если проводить опыты в пробирке, к задней стенке которой приложен шаблон с вертикальной цветной полоской, то в начале опыта эта полоска четко просматривается через прозрачный раствор. После добавления Н₂SО₄ и начала образования коллоидной S раствор становится мутным и при определенной плотности суспензии (всегда одинаковой во всех опытах) цветная полоска бумаги станет почти невидимой. Отмечая время с момента сливания растворов тиосульфата натрия и серной кислоты (начало реакции) до появления первых признаков мути или до начала видимого исчезновения цветной полоски, можно судить о времени, в течение которого в растворе образуется одно и то же количество коллоидной серы, эквивалентное количеству разложившейся Н₂S₂О_з.

Поскольку реакция разложения тиосерной кислоты является реакцией первого порядка, то, согласно закону действующих масс, скорость реакции пропорциональна концентрации Н₂S₂О_з. Выражение для средней скорости реакции можно записать как

V = -D[ Н₂S₂Оз ]/Dt = k × [ Н₂S₂Оз ], (3)

где D[ Н₂S₂Оз ] - изменение концентрации тиосерной кислоты за время Dt; k -константа скорости реакции.

Принимая во внимание, что во всех опытах D[Н₂S₂О_з] одинаково, скорость реакции можно определить как величину, обратно пропорциональную найденному времени:

V’ = 1 / Dt = k*× [Н₂S₂О_з],

где k*= k / D [ Н₂S₂О_з]; V = V’× D [ Н₂S₂О_з].

Опыт 1. (Ознакомительный)

Для предварительного ознакомления с характером изучаемой реакции к 3-5 мл раствора тиосульфата натрия прилить столько же раствора серной кислоты и наблюдать за помутнением раствора. Отметить момент начала появления мути и момент начала видимого исчезновения цветной полоски.

Опыт 2. Влияние концентрации веществ на скорость реакции

1). Наполнить одну мерную бюретку дистиллированной водой, другую - 0.2 М раствором тиосульфата натрия и третью - 0.2 М раствором серной кислоты.

2). С помощью этих бюреток в одной пробирке следует приготовить раствор тиосульфата натрия, соответствующий одному из вариантов, указанных в таблице, т.е. смешайте воду и исходный раствор тиосульфата натрия.

3). В другую пробирку отмерить 6 мл раствора серной кислоты.

4). Слить растворы, быстро перемешать стеклянной палочкой и отметить по секундомеру отрезок времени Dt между началом реакции (момент сливания растворов) и временем начала видимого исчезновения цветной полоски.

5). Рассчитать значение начальной концентрации тиосерной кислоты, приняв ее равной начальной концентрации тиосульфата натрия в реакционном объеме, а значение скорости реакции - как величину V’ = 1/Dt.

Опыт с одной и той же концентрацией раствора Na₂S₂O₃ повторить 3 раза, взяв для расчета скорости среднее из трех измеренных значений Dt. Аналогичным образом получить данные для других концентраций Na₂S₂O₃, приведенных в таблице.

Результаты эксперимента занести в таблицу.

Зависимость между изменением концентрации Н₂S₂Оз и скоростью реакции изобразить графически.

На основании полученных данных:

1) установить, какой линией выражается найденная зависимость, проходит ли она через начало координат;

2) показать независимость константы скорости реакции от концентрации;

3) сделать вывод о применимости закона действующих масс к реакции разложения тиосерной кислот