Глава 3. Химическая кинетика и катализ. Равновесие

3.1. Химическая кинетика и катализ

Изучение данной темы способствует формированию следующих компетенций: ОК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-5.

Теоретическое пояснение: под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации одного из участников реакции в единицу времени при неизменном объёме системы. При этом не важно о каком из участвующих в реакции веществ идет речь, так как все они связаны между собой уравнением реакции, а потому по изменению концентрации одного из веществ можно судить о соответствующих изменениях концентрации всех остальных. Концентрацию (С) выражают в моль/л, а время () в секундах или минутах.

Средняя скорость реакции равна .

Знак минус ставится потому, что, несмотря на убывание концентрации одного из реагирующих веществ А или В и, следовательно, на отрицательное значение разности С₂  С₁, С₂ < С₁, С < О, скорость реакции может быть только положи-тельной величиной. Если же следить за изменением концентрации одного из про-дуктов реакции С или D, то она в ходе реакции будет возрастать С₂ > С₁, С > О, и поэтому в правой части приведенного уравнения надо ставить знак плюс.

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ (закон действующих масс):  = kC(A)C(B), где

С(А) и С(В)  молярные концентрации А и В, k  константа скорости реакции зависит от природы веществ и от температуры.

Для гомогенной реакции общего вида: а А + в В = с С + d D

 = kC^a(A)C^b(B)

Уравнение, связывающее скорость реакции с концентрацией реагирующих веществ, называют кинетическим уравнением реакции.

Для гетерогенной реакции вида: 1) А_(г) + 2В_(тв) = АВ_{2 (ж)}  = k^.С(А)

2) А_(г)+ 2В_(ж) = АВ_{2 (ж)}  = k^.С(А)

3) А_(ж) + 2В_(тв) = АВ_{2 (ж)}  = k^.С (А)

Таким образом, в кинетическое уравнение не входит концентрация твёрдого вещества (всегда), а жидкого  в реакции с газом.

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа, которое математически выражается соотношением: , где

скорость реакции соответственно при начальной и конечной темпе-ратурах;   температурный коэффициент, который показывает во сколько раз увеличилась константа скорости реакции при увеличении температуры на 10⁰.

Правило Вант-Гоффа является приближенным, более точно зависимость скорости от температуры выражается уравнением Аррениуса:

, где

49

A  постоянная, независящая от температуры; e = 2,17828 (основание натураль-ного логарифма); E_акт  энергия активации; R = 8,314 Дж/моль^. K (газовая постоянная); T  абсолютная температура (Т = t + 273).

Лабораторная работа

Скорость химической реакции

Задачи работы: изучить влияние различных факторов на скорость химичесой реакции.

Оборудование и реактивы: штатив, пробирки, водяная баня, термометр, секундомер, бюретки, растворы тиосульфата натрия, серной кислоты, дистиллированная вода, порошок диоксида марганца.

Опыт 1. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Реакция между серной кислотой и тиосульфатом натрия сопровождается выделением серы и раствор мутнеет:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + S + SO₂ + H₂O

Данная реакция состоит из следующих стадий:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂S₂O₃ (I) (очень быстро)

H₂S₂O₃ = H₂SO₃ + S (2) (медленно)

H₂SO₃ = SO₂ + H₂O (3) (быстро)

Скорость суммарного процесса определяется медленной стадией  разложением тиосерной кислоты (2):  = k^.C(H₂S₂O₃)

Время от начала реакции до момента появления мути зависит от скорости этой реакции. Чем меньше концентрация Na₂S₂O₃, тем больше будет этот промежуток времени (меньше скорость реакции). За скорость можно условно принять величину, обратную времени протекания реакции:  _(усл.) = ¹/_.

Выполнение работы: в три пробирки налить по 3 мл раствора серной кислоты. В три другие налить: в первую – 9 мл раствора Na₂S₂O₃, во вторую – 6 мл раствора и 3 мл воды, а в третью – 3 мл раствора Na₂S₂O₃ и 6 мл воды. Затем к каждому из подготовленных растворов прилить по 3 мл раствора серной кислоты, встряхнуть и отметить, через сколько секунд после приливания кислоты появится муть. Результаты записать в журнал по следующей форме:

№ про-бир-ки	V(p-pa H2SO4)мл	V(p-pa Na2S2O3)мл	V(H2O) мл	Объём смеси, мл	Время появ-ления мути,с	с1	Относит. С(Na2S2O3)
1	3	9	0	12	1 =		3C
2	3	6	3	12	2 =		2C
3	3	3	6	12	3=		1C

Порядок оформления работы: выразить относительную скорость в виде десятичной дроби, а результаты эксперимента представить в виде графика зависимости скорости реакции от концентрации. Для этого по горизонтальной

50

оси отметить три точки, отстоящие от начала координат на 1 с, 2 с и 3 с, где с  произвольно выбранный отрезок, соответствующий единице относительной концентрации. Из каждой точки восстановить перпендикуляр, длина которого пропорциональна величине относительной скорости реакции. Линия, соединяющая верхние концы перпендикуляров, будет выражать собой графическую зависимость скорости реакции от концентрации. Сформулировать вывод, характеризующий результат эксперимента.

Опыт 2. Зависимость скорости реакции от температуры.

Выполнение работы: в три пробирки налить по 6 мл раствора Na₂S₂O₃, а в другие три  по 6 мл раствора H₂SO₄ и разделить их на три пары по пробирке с растворами тиосульфата и серной кислоты в каждой паре. Растворы первой пары пробирок слить при комнатной температуре (лучше раствор Na₂S₂O₃ к раствору H₂SO₄), одновременно включить секундомер и отметить время появления мути. Растворы второй пары нагреть на 10⁰С, а третьей пары  на 20⁰С выше комнатной температуры. Для этого поместить соответствующую пару пробирок в водяную баню и нагреть до требуемой температуры. За температурой следите по термометру, опущенному в воду. Сливать по-парно содержимое пробирок и отмечать, через сколько секунд появится муть. Результаты записать в журнал по форме:

№ пробирок	V(р-ра H2SO4), мл	V (р-ра Na2S2O3), мл	t0 С	Время появления мути, с	отн = 1/, с1
1	6	6	ком. t0C		1=
2	6	6	+100		2=
3	6	6	+200		3=

Порядок оформления работы: результаты выразить в виде графика, аналогично опыту 1. По горизонтальной оси отметить три точки, соответствующие трём значениям температур (t⁰_ком., +10⁰, +20⁰). Сделать вывод о зависимости скорости изучаемой реакции от температуры.

Опыт 3. Зависимость скорости реакции от концентрации катализатора.

Выполнение работы: в три пробирки налить из бюретки по 1 мл раствора Na₂S₂O₃, затем в одну из них прибавить 1 мл раствора катализатора (раствор СuSO₄) и 3 мл воды; во вторую  2 мл раствора катализатора и 2 мл воды; в третью  3 мл раствора катализатора и 1 мл воды. Таким образом, во всех трех пробирках будет по 5 мл раствора с одинаковой концентрацией Na₂S₂O₃, но с разной концентрацией СuSO₄.

Рассчитать концентрацию Na₂S₂O₃ и ионов Сu²⁺ в приготовленных растворах.

В три другие пробирки налить по 5 мл раствора H₂SO₄. Затем попарно смешать приготовленные растворы Na₂S₂O₃ и H₂SO₄. По секундомеру отметить время от момента смешивания до помутнения раствора. Полученные результаты записать в журнал по форме:

51

№ пробирок	Концентрация ионов Сu2+, моль/л	Время появления мути, с	отн = 1/, с–1
1
2
3

Порядок оформления работы: рассчитать условную скорость реакции при различных концентрациях Сu²⁺. Построить график зависимости скорости реакции от концентрации катализатора. На основании полученной зависимости сделать вывод о влиянии ионов Сu²⁺ на скорость разложения тиосерной кислоты.