Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что изучает электрохимия?

2. Дайте определение понятию окислительно-восстановительная реакция.

3. Что такое степень окисления элемента? Как она меняется при окислении и восстановлении?

4. Приведите примеры окислительно-восстановительных реакций, различных окислителей и восстановителей.

5. Что такое гальванический элемент? Из каких частей он состоит?

6. Какие виды электродов вы знаете?

7. Какой процесс происходит в гальваническом элементе на аноде, какой – на катоде?

8. Что такое ЭДС гальванического элемента? Как она зависит от внешних условий?

9. Как ЭДС связана с константой равновесия? Всегда ли равновесное состояние достигается на практике?

10. За счет чего может протекать электрический ток в гальваническом элементе, составленном из одинаковых электродов?

11. Что такое электролиз? Для чего он применяется на практике?

12. Законы электролиза. Как при помощи электролиза определить молярную массу металла?

13. Потенциал медного электрода, помещенного в раствор его же соли, при температуре 298 К составил 0,32 В. Вычислить концентрацию ионов Cu²⁺ в растворе.

14. Рассчитать ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 К протекает реакция Zn + Cu²⁺  Zn²⁺ + Cu при концентрациях C(Zn²⁺) = 10^-3 M, C(Cu²⁺) = 0,1 M.

15. Через раствор сульфата цинка ZnSO₄ пропускали ток 25 А в течение часа. На катоде выделилось 24,5 г металла. Рассчитать выход по току.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА И ИРГЗ № 6

КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

0. Знакомство с компьютерной моделью, описывающей протекание химических реакций во времени.

1. Экспериментальное определение кинетических параметров реакции: константы скорости, порядка реакции по компоненту.

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике: Глинка, Общая химия, гл. 6. §6.2.

Запустите программу «Открытая химия». Выберите модель 5.1. «Скорости химических реакций». Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

1. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА изучает закономерности протекания химических процессов во времени.

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ определяется изменением количества молей веществ (реагентов или продуктов) в единицу времени. Для гомогенной реакции, протекающей при постоянном объеме, n(A)A + n(B)B  n(P)P + n(Q)Q, скорость реакции определяется значением производной:

, (1)

где С – молярная концентрация данного вещества. Единица измерения скорости реакции – моль/л·с.

КИНЕТИЧЕСКАЯ КРИВАЯ – графическая зависимость концентрации участвующих в реакции веществ от времени (рис. 1.)

Если провести касательную к кинетической кривой в выбранной точке, то значение тангенса угла наклона этой касательной будет численно равно скорости реакции в данный момент времени.

Рис. 1. Кинетические кривые для реагентов (1) и продуктов реакции (2).

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС: скорость элементарной химической реакции, протекающей при постоянной температуре в гомогенной среде, пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении этой реакции. Математическим выражением этого закона является кинетическое уравнение:

, (2).

ПОРЯДОК РЕАКЦИИ ПО ДАННОМУ РЕАГЕНТУ – показатель степени при концентрации данного реагента в кинетическом уравнении. Сумма порядков реакции по всем компонентам называется ПОРЯДКОМ РЕАКЦИИ. Выделяют реакции первого, второго и третьего порядков.

КОНСТАНТА СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ k – величина, постоянная для данной реакции, ее значение не меняется с изменением концентраций реагентов, но зависит от температуры. Эта зависимость описывается уравнением Аррениуса:

, (3)

где R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура, Е_А – энергия активации – минимальная энергия, которой должны обладать частицы, чтобы произошла реакция, А – аррениусовский множитель.

Реакция первого порядка АР. Для нее кинетическое уравнение записывается в виде: v = -dC(A)/dt = k·С(А). Решением этого уравнения является экспоненциальная зависимость концентрации реагента от времени: С(А) = С₀(А)·е ^–kt, где С₀(А) – начальная концентрация вещества А. Из уравнения материального баланса получается выражение для концентрации продукта реакции: С(Р) = С(А)₀ (1 – е ^–kt). Часто для реакций первого порядка используется другая количественная характеристика − период полупревращения вещества t_1/2 – время, за которое концентрация вещества уменьшается в 2 раза по сравнению с исходной. С константой скорости реакции период полупревращения связан соотношением: t_1/2 = (ln2) / k. Размерность константы скорости первого порядка – с^-1.

Реакция второго порядка 2АР. Для нее кинетическое уравнение записывается в виде: v = -dC(A)/dt = 2k·С²(А). Решением этого уравнения является зависимость вида: 1 / С (А) = 2kt + 1 / С₀(А).

2. ГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

Чтобы определить порядок химической реакции по данному компоненту, нужно измерить зависимость текущей скорости реакции от концентрации этого вещества в данный момент времени. Действительно, логарифмируя кинетическое уравнение, получим: ln v = ln k + n(A)ln C(A) + n(B)ln C(B). Если концентрации других веществ взяты в большом избытке по сравнению с концентрацией исследуемого компонента, то их изменением в ходе процесса можно пренебречь. Следовательно, ln v = const + n(A)ln C(A). Из тангенса угла наклона зависимости логарифма скорости от логарифма концентрации вещества определяется порядок реакции по компоненту n(A).

Для определения константы скорости реакции первого порядка AВ нужно построить график зависимости логарифма концентрации реагента ln C(A) от времени t. Модуль тангенса угла наклона полученной прямой равен значению k.

Для реакции второго порядка 2AВ нужно построить график зависимости обратной концентрации реагента 1/C(A) от времени t. Модуль тангенса угла наклона полученной прямой дает значение 2k.

Для расчета энергии активации нужно определить константу скорости реакции при разных температурах и построить график зависимости логарифма константы скорости ln k от обратной температуры 1/T. Тогда по значению тангенса угла наклона полученной зависимости определяется отношение Е_А/R. Также можно производить расчет по двум измерениям по формуле:

(4).

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Внимательно рассмотрите рисунок 2. С помощью мыши в данной работе можно выбирать вид химической реакции и задавать исходные концентрации веществ. При этом справа высвечивается кинетическое уравнение реакции (“Закон скорости”), значение константы скорости и текущие значения скорости реакции и концентрации реагента. При нажатии кнопки “Старт” точка на графике зависимости концентрации исходного вещества от времени начинает перемещаться, синхронно с ней изменяются показания в правом окне. В данной модели реакцию можно останавливать в любой точке кинетической кривой, нажимая кнопку “Стоп”, и снова запускать кнопкой “Старт”.

Рис. 2.

ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

ЭКСПЕРИМЕНТ 1. Исследование кинетики реакций первого порядка.

1. Выберите нужную реакцию из списка, задайте начальную концентрацию исходного вещества. Задания для каждого варианта приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. (не перерисовывать)

Значения начальной концентрации

Номер компьютера/ Номер в списке группы	1, 15	2	3	4	5	6	7
Реакция	С2Н6  2 СН3 (ЕА = 354 кДж/моль)
С0, моль/л	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Т, К	600	700	800	900	1000	1100	1200
Номер компьютера/ Номер в списке группы	8	9	10	11	12	13	14
Реакция	циклопропан  пропен (ЕА = 272 кДж/моль)
С0, моль/л	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Т, К	400	500	600	700	800	900	1000

2. Нажмите кнопку “Старт” и через некоторое время после начала процесса нажмите кнопку “Стоп”. Запишите в таблицу 2 значение текущей концентрации исходного вещества (в правом окне) и времени (определяется по положению точки на графике). Повторяя эту процедуру 5-6 раз, заполните табл. 2.

ТАБЛИЦА 2. Результаты измерений и расчетов.

Изменение концентрации от времени для реакции при температуре К.

t, с	0
С(t), моль/л
ln C

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА:

1. Вычислите и запишите в таблицу 2 все указанные значения.

2. По данным табл. 2. постройте графики экспериментальных зависимостей ln C = f(t). По наклону полученной прямой определите значение константы скорости данной реакции. Также константу скорости можно найти по данным табл. 2 по формуле: . Сравните полученное значение со значением, которое приводится в окне модели.

3. Используя полученное значение константы скорости и справочные данные об энергии активации исследуемой реакции (см. табл. 1), определите по формуле 4 значение константы скорости этой реакции при другой температуре, указанной для данного варианта.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2. Определение порядка химической реакции по компоненту (2 способа).

Задания для каждого варианта приведены в таблице 3.

ТАБЛИЦА 3 (не перерисовывать).

Значения начальной концентрации.

Номер компьютера/ Номер в списке группы	1, 15	2	3	4	5	6	7
Реакция	2НI  Н2 + I2
С0, моль/л	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Номер компьютера/ Номер в списке группы	8	9	10	11	12	13	14
Реакция	2NO2  2NO + O2
С0, моль/л	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Номер компьютера/ Номер в списке группы	1, 8, 15	2, 9	3, 10	4, 11	5, 12	6, 13	7, 14
Реакция	2N2O  2N2 + O2
С0, моль/л	1; 2; 4; 5	1,5; 2,5; 3,5; 4,5	1,5; 2,5; 4; 5	1; 2; 3,5 4,5	1; 2,5; 3,5; 5	1,5; 2,5; 3; 4	1,5; 2; 3,5; 4

1 способ. Выберите реакцию 2НI  Н₂ + I₂ или 2NO₂  2NO + O₂ в зависимости от номера компьютера и установите требуемую начальную концентрацию. Нажмите кнопку “Старт” и через некоторое время после начала процесса нажмите кнопку “Стоп”. Запишите в таблицу 4 значения текущей концентрации исходного вещества и скорости реакции (в правом окне). Повторяя эту процедуру несколько раз, заполните таблицу 4.

ТАБЛИЦА 4. Результаты измерений и расчетов.

Изменение скорости разложения и концентрации исходного вещества при температуре К от времени.

t, c	0
С(t), моль/л
ln C
v(t), моль / л ·с
ln v

2 способ. Выберите реакцию 2N₂O  2N₂ + O_2.. Последовательно задавайте указанные в таблице 3 начальные концентрации исходного вещества. Запишите в таблицу 5 значения начальной концентрации исходного оксида азота и значения начальной скорости (в правом окне).

ТАБЛИЦА 5. Результаты измерений и расчетов.

Изменение скорости разложения оксида азота от его начальной концентрации при температуре К.

С0, моль/л
ln C0
v0, моль / л ·с
ln v0

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. Вычислите и запишите в таблицы все указанные значения.

2. По данным табл. 4. постройте графики экспериментальных зависимостей ln v(t) от ln C(t). По тангенсу угла наклона прямой определите порядок реакции по исходному веществу. Расчет можно производить и по данным табл. 4. по формуле .

3. По данным табл. 5. постройте графики зависимостей ln v₀ от ln C₀. По тангенсу угла наклона прямой рассчитайте порядок реакции. Расчет можно производить и по данным табл. 5. по формуле .

4. Сделайте вывод, всегда ли значение порядка реакции можно определить, исходя из записанного уравнения реакции.