metodichka2-vsya-isp-1-format70kh108-16

уравнение (5.39). Из найденных произведений, зная концентрацию катализатора, найти величины K1 и k2 .

Таблица 5.2.4

CHo 2O2 = ………………. VH2O2 = ……………….

K1 = …………….

k2 = ……………

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ 5.2

Перед выполнением работы:

1.Расскажите последовательность подготовки системы к работе и порядок проведения опыта.

2.Какие концентрации рабочих растворов H2O2 и растворов катализатора

следует приготовить для работы?

3.Как проверить установку на герметичность?

4.Как рассчитать максимально возможный объём кислорода, который может выделиться в результате разложения H2O2 ?

5.Запишите реакции, протекающие в системе при разложении перекиси водорода раствором бихромата калия.

6.Как определить текущую концентрацию H2O2 ?

8. Как определить константу скорости и константу равновесия реакции разложения перекиси из экспериментальных данных?

К защите работы:

1. Дайте определение скорости реакции, порядка реакции. Поясните физический смысл константы скорости реакции.

2. Запишите кинетические уравнения необратимых реакций нулевого и второго порядка.

123

3.Запишите механизм разложения перекиси водорода в присутствии ионов

Cr2O72− .

4.Каковы условия проведения реакции разложения H2O2 в присутствии

бихромата калия по а) нулевому, б) второму порядку?

5.Перечислите известные вам виды катализа. В чем состоит особенность каталитических процессов?

6.Отразится ли на константе скорости реакции замена одного катализатора другим?

7.Как катализатор влияет на энергию активации данной реакции? Как графически моно определить энергию активации?

8.Объясните последовательность выполненных Вами расчетов.

Работа 5.3. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ИНВЕРСИИ САХАРОЗЫ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ – определение константы скорости и периода полупревращения реакции инверсии сахарозы по измерению меняющегося со временем угла вращения плоскости поляризации раствора.

Оборудование: поляриметр (сахариметр), аналитические весы, секундомер, колбы 100 мл, стаканы 50 мл, фильтровальная бумага.

Реактивы: сахароза, 6 моль/л (или 10 %) раствор HCL, дистиллированная вода.

Процесс инверсии сахарозы представляет собой гидролитическое расщепление биозы C12H22O11 на две монозы – глюкозу и фруктозу:

C12H22O11 + H2O → C6H12 O6 + C6H12O6 .

Эта реакция практически необратима и по своему механизму является бимолекулярной. Поскольку инверсия протекает в водном растворе при большом избытке воды, концентрация ее в ходе реакции меняется незначительно и скорость инверсии зависит только от концентрации сахарозы, т.е. эта реакция протекает как реакция первого порядка. В нейтральной среде скорость инверсии сахарозы очень мала, она значительно возрастает в присутствии ионов водорода как катализатора.

Сахароза и продукты ее расщепления, обладая асимметричным атомом углерода, являются оптически активными веществами. Поэтому, если через раствор сахарозы пропускать поляризованный свет, то наблюдается смещение плоскости колебания поляризованного луча. Угол смещения плоскости колебания поляризованного луча называется углом вращения плоскости поляризации (α) и зависит от природы и концентрации вещества, толщины

124

слоя раствора и температуры. Он связан с концентрацией вещества С и толщиной слоя раствора l соотношением

и «–» отвечают соответственно правому и левому вращению. У тростникового сахара [α] = +66,55о, у глюкозы [α] = +52,56о, у фруктозы [α] = - 91,9о. Для смеси оптически активных веществ угол вращения представляет

смесь продуктов инверсии – влево. Поэтому, по мере течения реакции, угол вращения уменьшается, падает до нуля и затем становится отрицательным. Окончанию реакции соответствует предельное отрицательное значение угла вращения (α∞).

Пусть в момент τ осталась непроинвертированной доля сахарозы y. Угол вращения определяется этой долей непрореагировавшего сахара и равен yαо, где αо – угол вращения исходной смеси растворов сахарозы и кислоты в самом начале реакции при τ = 0 и y = 1. С другой стороны, в ходе реакции доля продуктов инверсии составляет (1-y). В конце реакции угол вращения этих продуктов был бы равен α∞, а в момент τ он равен α∞(1- y). α∞ - угол вращения продуктов полного гидролиза сахарозы.

Очевидно, концентрация непроинвертированной сахарозы в любой момент от

125

где [α гл ], [αф ], [αс ] - удельные углы вращения глюкозы, фруктозы и

сахарозы, а Мгл, Мф, Мс молекулярные веса тех же веществ. Подставляя в формулу 5.46 числовые значения, получаем:

α∞ = -0,311 α0.

Методика измерения угла вращения на поляриметре (сахариметре)

Для измерения угла вращения раствора используют специальные оптические приборы – поляриметры (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема поляриметра: 1 – источник света, 2 – светофильтр, 3 и 4 – поляризаторы, 5 – трубка с раствором, 6 – анализатор, 7 – шкала, 8 – окуляр

Основными частями поляриметра являются поляризаторы и анализатор. Поляризаторы представляют собой призмы Николя, меньшая из которых прикрывает часть поля зрения. Плоскости поляризации этих призм находятся под некоторым углом друг к другу, поэтому поле зрения в окуляре разделено на две части, отличающиеся по яркости освещения. Призма анализатора (также Николь) может вращаться вокруг оптической оси прибора, при этом изменяется освещенность поля зрения (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Поле зрения в поляриметре.

Вращением анализатора можно найти такое положение, при котором призмы оказываются скрещенными, и проходящий свет гасится. В этот момент все поле зрения равномерно затемнено, что соответствует «нулевому» положению прибора (рис. 5.9, б).

При наличии между поляризатором и анализатором трубки с раствором оптически активного вещества, вращающимся на угол α, появляется полутень

126

(рис. 5.9, а; в). Чтобы вернуться к «нулевому» положению, следует повернуть анализатор на такой же угол. Этот угол отсчитывают с помощью нониуса с точностью до 0,1о на шкале 7, вращающейся вместе с анализатором. Отчеты производят следующим образом: ноль нониуса указывает на шкале число градусов с точностью до 1о ; десятые доли граду са определяют по делению нониуса, совпадающему с делением основной шкалы. Так, например, положение, изображенное на рис. 5.10, соответствует 20,3о : нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 20 полных делений, и в правой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается третье деление нониуса. При вращении анализатора в противоположную сторону отсчитывают отрицательные углы вращения. Десятые доли градуса определяют по делениям в левой части нониуса.

Рис. 5.10. Пример отсчета по нониусу.

Методика измерения угла вращения на автоматическом поляриметре

1.Вставьте вилку в источник питания 220 В.

2.Включите прибор (1). Подождите 20 минут, чтобы прибор стабилизировался.

3.После предварительного прогрева нажмите выключатель лампы (2,3) Теперь лампа работает в условиях постоянного тока.

4.Включите процесс измерения (3).

5.Нажмите проверочные клавиши (4) на 3 секунды. Числа на экране начинают меняться. Когда Вы отпустите клавишу, экран должен вернуться к первоначальному значению.

127

6.Для достижения нулевого баланса прибора поместите поляриметрическую трубку, наполненную дистиллированной водой, в измерительную камеру

(7).

7.Когда на экране установится постоянное значение, процесс измерения завершён. Нажмите нулевую клавишу (5). Измерительный экран покажет

0.000.

8.Поместите поляриметрическую трубку с жидкостью в измерительную камеру.

9.Прибор немедленно начинает автоматически работать, и показания на экране постоянно меняются. Когда экран стабилизируется, результат измерений можно зафиксировать.

10.Теперь можно измерить следующий образец, поместив его в измерительную камеру.

11.Когда более 5 минут не производятся никакие измерения, выключите процесс измерения выключателем (3).

Рис. 5.11. Внешний вид автоматического поляриметра

128

Таблица 5.3.1. Определение константы скорости реакции инверсии сахарозы. toопыта =……………..

где V – объемная доля сахарозы. Обозначая VC – объем раствора сахарозы и Vk

– объем раствора кислоты, величину V моно определить по формуле:

V = VC VC + VK

8. Определить α∞. Так как для экспериментального нахождения α∞ реакцию необходимо провести до конца, что требует достаточно большого времени, угол вращения продуктов полного гидролиза сахарозы рассчитывают по формуле 5.46. Подставляя в формулу 5.46 числовые значения сахарозы [αс] = +66,55о, глюкозы [αгл] = +52,56о, у фруктозы [αф] = -91,9о. , получаем: α∞ = -0,311 α0.

130

времени значение k1 остается постоянным. Для этого интервала времени рассчитать k1ср.

11.Сравнить полученные графическим и аналитическим методами значения констант.

12.По формуле 5.12 определить период полупревращения сахарозы τ½.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ 5.3

Перед выполнением работы:

1.Расскажите устройство и принцип действия поляриметра.

2.Какие вещества являются оптически активными?

3.Что называется поляризованным светом, удельным углом вращения? Как угол вращения плоскости поляризации связан с концентрацией сахарозы в

реакционной смеси?

4.Как определить начальный α0 и предельный α∞ углы вращения? Поясните физический смысл α0 и α∞.

5.Расскажите последовательность подготовки системы к работе и порядок

проведения опыта.

6.Как определить k1 и τ½. и экспериментальны данных.

К защите работы:

1. Дайте определение скорости реакции, порядка реакции. Поясните физический смысл константы скорости реакции.

2.Какие физические явления используются в устройстве поляриметра?

3.Запишите уравнение реакции. Поясните, как особенности химического строения исходных веществ и продуктов реакции влияют на оптические свойства рассматриваемой системы?

4.Запишите кинетическое уравнение для реакции гидролиза сахарозы. Объясните, почему эта реакция протекает по первому порядку.

5.Выведите формулы для расчета константы скорости реакции первого

основании первых двух-трех измерений, большей частью не принимают во внимание?

131

Работа 5.4. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ ИОДИДИОНОВ ИОНАМИ ТРЁХВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА ФОТОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - Определение порядков реакции по реагентам, исследование влияния ионной силы раствора на константу скорости реакции фотометрическим методом.

Оборудование: Фотометр, секундомер, штатив с бюретками, стаканы 50 мл, кюветы, фильтровальная бумага.

Реактивы: Fe(NO3)3 •4 Н2О, KI, KNO3, дистиллированная вода.

Реакции в растворах и особенно реакции с участием ионов отличаются от газофазных реакций наличием взаимодействия реагирующих частиц с молекулами растворителя и друг с другом. Большое влияние на скорость реакции между ионами оказывает присутствие других электролитов. Состояние (активность) ионов в растворе зависит от зарядов и концентраций всех ионов в растворе. Для количественной характеристики этого фактора используется ионная сила раствора J

здесь Сm,i – моляльная концентрация i-иона, zi – его заряд.

Для смеси электролитов ионная сила рассчитывается как сумма J всех электролитов, например, для раствора состоящего из трех электролитов

Jсмеси = Jl + J2 + J3 .

Ионная сила отдельного электролита зависит от числа катионов и анионов. Используя уравнение 5.48, нетрудно показать, что ионная сила 1-1- электролита равна его моляльности ( Сm) , а 2-2-электролита - 4Сm и т.д.. Например, для 1-2 электролита

132