3.2. Лабораторная работа №3. Скорость химических реакций

Цель: доказать что скорость реакции зависит от концентрации ионов и эта зависимость имеет определенный характер; установить экспериментально, что скорость реакции при повышении температуры на каждые 10⁰С изменяется (подчиняется правилу Вант-Гоффа); научиться рассчитывать порядок реакции по экспериментальным данным; изучить кинетику разложения пероксида водорода в водном растворе.

3.2.1. Зависимость скорости разложения тиосульфат-ионов от концентрации реагирующих веществ

При растворении в воде тиосульфата (гипосульфита) натрия соль диссоциирует на ионы натрия и тиосульфат-ионы:

В кислотной среде тиосульфат-ионы переходят в слабую тиосерную кислоту, которая неустойчива и распадается на серу и сульфит-ион. Образовавшиеся атомы серы, объединяются в кристаллические зародыши, из которых постепенно образуется суспензия серы, выпадающая в осадок.

Именно третья реакция – лимитирующая стадия процесса, но скорость этой стадии зависит от концентрации серы в растворе, которая определяется в конечном итоге концентрацией ионов водорода и тиосульфат-ионов. Скорость реакции экспериментально определяют по времени помутнения раствора.

В три пробирки наливают по 2 мл 0,5 н. раствора H₂SO₄, затем в первую добавляют 2 мл 1 н. раствора Na₂S₂O₃ и 4 мл H₂O; во вторую – 4 мл 1 н. раствора Na₂S₂O₃ и 2 мл H₂O; в третью – 6 мл 1 н. Na₂S₂O₃. Объемы измеряют мерной пипеткой. Отсчитывают время по секундомеру с момента сливания до появления мути в каждой пробирке (таблица 3).

Таблица 3

Экспериментальные данные

№ пробирки	V (Na2S2O3), мл	V(H2O), мл	V (H2SO4), мл	Vобщ	отношение исходных концентраций	время	скорость реакции
1	2	4	2	8	1:1
2	4	2	2	8	2:1
3	6	-	2	8	3:1

Построить график зависимости скорости реакции от концентрации, сделать вывод о характере зависимости, приняв скорость реакции ~1/t. Рассчитайте порядок реакции по тиосульфат-иону.

3.2.2. Зависимость скорости реакции от температуры

В три пробирки наливают по 5 мл 0,5 н. раствора серной кислоты, а в три другие – по 5 мл 0,5 н. раствора тиосульфата натрия. Помещают все пробирки в стакан с водой и через 5-7 минут, измерив температуру воды в стакане, сливают вместе содержимое одной пары пробирок с серной кислотой и тиосульфатом натрия и отсчитывают время по секундомеру с момента сливания до начала появления мути (таблица 4).

Стаканчик с оставшимися пробирками ставят на асбестовую сетку, подогревают на 10⁰С и вновь выдерживают растворы при этой температуре 5 минут. Слив содержимое второй пары пробирок с серной кислотой и тиосульфатом натрия, определяют время начала появления мути.

Опыт с последней парой пробирок проводят при температуре на 20⁰С выше первоначальной.

Таблица 4

Экспериментальные данные

температура, 0С	промежуток времени от начала отсчета до помутнения, сек	скорость реакции

Построить графики зависимостей: время реакции – температура, скорости реакции (обратное время) - температура.

3.2.3. Каталитическое разложение пероксида водорода

Пероксид водорода неустойчив и самопроизвольно распадается:

Реакция ускоряется при введении многих веществ, например диоксида марганца, перманганата калия, дихромата калия и др.

К 2 мл перекиси водорода прибавляют небольшое количество оксида марганца (IV) и наблюдают энергичное разложение перекиси водорода с выделением кислорода.

3.3. Контрольные вопросы

1. В соответствии с данными работы 3.3.1. предскажите, как изменится скорость реакции при разбавлении в 2 раза.

2. Зависит ли энергия активации от температуры?

3. Каков механизм влияния катализатора на скорость реакции?

4. РАСТВОРЫ

4.1. Семинар: Коллигативные свойства растворов

1. Способы выражения концентрации (мольная доля, молярность, моляльность массовая доля).

2 Давление насыщенных паров над раствором

3. Закон Рауля и его термодинамическое обоснование. Следствия из закона Рауля. Температура кипения и кристаллизации раствора. Осмотическое давление.

4. Коллигативные свойства растворов электролитов.

5. Изотонический эффект. Степень электролитической диссоциации.

Наиболее часто используемых в химической практике величинах, характеризующих содержание растворенного вещества.

Массовая концентрация, , г/л;

Молярная концентрация, , моль/л;

Моляльная концентрация, моль/кг;

Процентная концентрация, ;

Мольная доля, .

Физико-химические свойства растворов, не зависящие от химической природы растворенных частиц, а зависят только от их концентрации – называются коллигативными.

Основной закон, определяющий коллигативные свойства, - закон Рауля, согласно которому давление пара растворителя р₁ над раствором нелетучего неэлектролита прямо пропорционально мольной доле растворителя N₁:

p⁰ – давление насыщенного пара над чистым растворителем, Па.

Закон Рауля строго соблюдается только для идеальных растворов. Для водных растворов всегда наблюдается отклонение от этого закона, однако в разбавленных растворах неэлектролитов они настолько незначительны, что ими можно пренебречь.

Относительное понижение давления насыщенного пара над разбавленным раствором нелетучего неэлектролита не зависит от природы растворенного вещества и равно его молярной доле в растворе:

p₁- парциальное давление насыщенного пара растворителя над раствором;

N₂ – мольная доля растворенного вещества;

n₁ – количество растворителя;

n₂ – количество растворенного вещества.

Закон Рауля имеет ряд важных следствий:

Понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания растворителя:

Повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения растворителя:

К, Е – криоскопическая и эбулиоскопическая постоянные (таблица 5).

Таблица 5

вещество	Tзам, С	К, К·кг/моль	Tкип, С	E, К·кг/моль
Вода	0,00	1,86	100,0	0,52
Бензол	5,45	5,07	80,2	2,57
Нитробензол	5,85	6,9	211,03	5,27
Циклогексан	6,2	20,2	81,5	2,75
Диоксан	12,34	4,72	100,8	3,2
Диэтиловый спирт	-177,0	1,79	34,6	2,02
Этанол	-114,0		78,0	1,15
Уксусная кислота	16,64	3,9	117,8	3,1

Закон Вант-Гоффа устанавливает зависимость осмотического давления раствора от температуры и концентрации неэлетролита:

Изменение температуры замерзания или температуры кипения растворов электролитов рассчитывают с учетом изотонического коэффициента:

.

Значение изотонического коэффициента для раствора данного электролита увеличивается по мере его разбавления, имея пределом целое число, равное числу ионов, образующихся при диссоциации электролита.

Пример. В 100 г воды содержится 0,58 г хлорида натрия. При какой температуре закипит этот раствор, если кажущаяся степень диссоциации 96%.

Задания для самостоятельной подготовки

1 Рассчитайте давление насыщенных паров воды над 10% раствором мочевины при 20^оС.

2. Навеска вещества массой 24,84 г растворена в 1 л воды при 20 ^оС. Определите его молекулярную массу, если давление пара над раствором 3732,7 Па, а над чистой водой - 3742 Па.

3. Если вынуть кусочек льда из частично закристаллизовавшегося раствора соли и растопить его, будет ли образовавшийся расплав отличаться по составу от исходного раствора? Если да, то каким образом?

4. Почему кривые зависимости давления пара от температуры для чистого растворителя и раствора расходятся с увеличением температуры?

5. Почему водный раствор, в котором массовая доля NaCl составляет 0,86% называют физиологическим? Почему раны предпочтительнее промывать этим раствором, а не водой?

4. Каково должно быть соотношение числа растворенных частиц в двух растворах, если осмотические давления этих растворов относятся друг к другу как 1:150 (Т=const, V1/V2 = 2)?

5. Давление паров H₂O над 0,5 М водным раствором (I) в 1,15 раза выше, чем над раствором (II). На сколько разнятся температуры замерзания этих растворов (К=1.86)?

6. Раствор анилина в воде изотоничен 0,32% раствору метилового спирта (ρ=1 г/см3). При какой температуре будет замерзать этот раствор?

7. Какое количество сахара надо растворить в 1 л воды, чтобы температура кипения увеличилась на 1 ^оС?

8. Определите на какой глубине в море в подводной лодке можно добывать пресную воду используя явление осмоса. Считать состав морской воды в пересчете на NaCl 5,13%, степень диссоциации NaCl =1, а ρ = 1,04 г/см³.

9. Почему при приготовлении варенья из слив, крыжовника или вишни, чтобы не сморщивались плоды, их рекомендуют накалывать? Почему при варке не очень сладкого компота непроколотые свежие ягоды раздуваются и лопаются?

10. Озеро с пресной водой находится недалеко от океана. Представьте себе, что уровни воды в озере и океане одинаковы, температура одна и та же, погода безветренная (все факторы местности одинаковы). Плотности жидкостей в озере и океане примите равными. Предскажите направление переноса воды в атмосфере и в почве.