2.2. Контрольные вопросы и задания

(нужны письменные ответы в тетради для домашних заданий)

(а) На основе уравнения ЗДМ объясните физический смысл константы скорости.

(б) Зависит ли константа скорости от концентраций реагентов? от их природы? от способа выражения концентрации? от температуры?

(в) Что такое молекулярность и порядок реакции, в каких случаях они совпадают?

(г) В термохимии принято записывать уравнения реакций образования веществ в расчёте на один моль продукта. Например: ½ Н₂ + ½ I₂ → HI, а не Н₂ + I₂ → 2HI. Если реакция одностадийная, то любое ли из этих уравнений годится для описания кинетики?

(д) Как изменится скорость газовой реакции 2A+R→2M, если объём сосуда уменьшить в три раза? Какое предположение нужно сделать, чтобы задача имела однозначное решение?

2.3. Лабораторная работа: определение порядка реакции тиосульфата натрия с кислотой в растворе

2.3.1. Постановка задачи

Реакцию можно выразить следующими уравнениями

(а) Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ → S↓ + H₂SO₃ + Na₂SO₄

(б) Na₂S₂O₃ + 2HCl → S↓ + H₂SO₃ + 2 NaCl

(в) S₂O₃^2– + 2H⁺ → S↓ + H₂SO₃

(г) S₂O₃^2– → S↓ + SO₃^2–

Вам предлагается проделать опыты, определить порядок реакции по каждому из реагентов и выбрать наиболее правильный вариант уравнения на основе результатов опытов и известных фактов, что Na₂S₂O₃, H₂SO₄, HCl, Na₂SO₄ и NaCl – сильные электролиты, т.е. в растворе практически полностью распадаются на ионы, а H₂SO₃ – электролит средней силы, т.е. тоже распадается, но в крепких растворах не полностью.

Признаком протекания реакции является образование твёрдой фазы серы, которое фиксируется по появлению помутнения. Конечно, правильнее измерять мгновенные скорости реакции в разные моменты времени, но это требует сложного оборудования и квалификации, а в данной работе мы будем измерять среднюю скорость реакции за время τ от момента смешивания реагентов до первых признаков появления серы.

Для появления заметного помутнения требуется накопить в растворе некоторую неизвестную, но постоянную концентрацию серы С. Тогда средняя скорость реакции – это С/τ, а поскольку С считается константой, то в качестве условной меры скорости можно взять величину 1/τ.

Скорость реакции, вообще говоря, зависит от концентрации каждого реагента, температуры, растворителя, наличия катализаторов и т.д. Поэтому, чтобы наблюдать влияние одного фактора, надо поддерживать все остальные постоянными.

Запишите комнатную температуру и концентрации выданных растворов. Берите каждый реагент всегда из одной и той же банки и отмеряйте его объём одним и тем же мерным цилиндром (своим для каждого реагента!), чтобы исключить влияние возможных различий в концентрациях и в градуировке цилиндров. Если раствора в банке недостаточно, попросите добавки сразу, до начала опытов.

2.3.2. Зависимость скорости реакции от концентрации ионов водорода

Заготовьте в тетради заранее таблицу для записи исходных данных и результатов опытов. Сейчас в неё внесены некоторые предполагаемые объёмы растворов, но эти цифры писать не надо, они даны лишь для примера, а на практике может, например, оказаться, что такие объёмы неудобно смешивать, и надо взять другие – это зависит от объёма пробирок или стаканов, используемых для смешивания. Главное, чтобы концентрация тиосульфата была везде одинаковой, а концентрация кислоты менялась в широких пределах. Чтобы при этом поддерживался одинаковый объём реакционной смеси, нужно заранее добавить расчётный объём воды к одному из реагентов (или часть к одному, часть к другому в первых двух опытах). Этим условиям удовлетворяют строки 1-4, а в остальных строках – наоборот, постоянная концентрация кислоты и переменная – тиосульфата для п. 2.3.3.

Воду для разбавления нужно брать не водопроводную, а дистиллированную. И не только из-за наличия растворённых солей. В данном случае важнее то, что водопроводная вода может иметь температуру, отличную от комнатной, и опыты получатся не при одинаковой температуре.

Зависимость скорости реакции от концентраций реагентов

(укажите комнатную температуру)

№	Исходные объёмы, мл			Исходные концентрации, моль/л		τ, с	1/τ, с–1
	Na2S2O3	кислота	вода	[S2O32–]	[H+]
1	5	1	14
2	5	5	10
3	5	10	5
4	5	15	0
5	10	5	5
6	15	5	0

Концентрации реагентов в момент смешивания нужно вычислить из очевидного условия, что исходное количество вещества n не меняется от разбавления: n = C₁•V₁ = C₂•V₂, где C₁ – концентрация раствора в банке, V₁ – объём взятого из банки раствора, C₂ – исходная концентрация в момент смешивания, V₂ – общий объём раствора. Он, очевидно, равен сумме смешанных объёмов (в таблице – 20 мл). Отсюда

C₂ = C₁•V₁/V₂.

Имея секундомер, опыты может делать один студент, но обычно удобнее вдвоём. Один следит за секундной стрелкой часов или включает-выключает секундомер и записывает результаты, другой быстро и тщательно смешивает растворы и отмечает момент самого легкого помутнения. Его лучше видно на чёрном фоне. Разумеется, если оба реагента отмерять одним цилиндром, то помутнение начнётся уже в цилиндре! Посуду рекомендуется мыть сразу после опыта, пока на стенки не осел толстый налёт серы.

Обратите внимание на стиль оформления таблицы. Единицы измерения нужно указывать обязательно, но не у каждой цифры, а в заголовках колонок. Соблюдайте правила приближённых вычислений: в результате нужно указывать столько значащих цифр, сколько их было в сомножителе (или делителе или делимом) с наименьшим числом значащих цифр (а в промежуточных вычислениях можно оставлять одну дополнительную цифру). Если, например, τ = 21 с, то 1/τ – не 0,05, и не 0,047619, а 0,048 с^–1.

Проделав все опыты, постройте в тетради по клеточкам или на миллиметровой бумаге график зависимости 1/τ от [H⁺]. Оптимальная форма – квадрат со стороной около 10 см. Не забывайте, что начало координат – тоже экспериментальная точка: если кислоту не добавлять, то осадок не образуется (точнее, образуется крайне медленно!). По форме графика оцените порядок реакции: вспомните, что функция нулевого порядка – это константа, её график – прямая, параллельная оси абсцисс; график первого порядка – прямая, проходящая через начало координат; графики второго и третьего порядка – параболы, тоже проходящие через начало координат, т.к. свободного члена в ЗДМ нет. Чтобы отличить квадратичную параболу от кубической, можно построить зависимость не от концентрации, а от её квадрата, или использовать логарифмирование, но в данном опыте в этом нет нужды.

Разумеется, всегда есть случайные погрешности измерений, особенно существенные, когда время помутнения маленькое, поэтому не следует ожидать, что точки будут идеально следовать прямой или параболе. Небольшие отклонения неизбежны, и всё же вывод обычно получается достаточно определённый.