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– + 2H⁺ → S↓ + H₂O + SO₂

(д) 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.

Зависимость скорости реакции от концентраций реагентов

(укажите комнатную температуру)

№	Исходные объёмы растворов, мл			Исходные концентрации, моль/л		τ, с	1/τ, с–1
	Na2S2O3	кислота	вода	[S2O32–]	[H+]
1	5	1	14	0,125	0,05
2	5	5	10	0,125	0,25
3	5	10	5	0,125	0,50
4	5	15	0	0,125	0,75
5	10	5	5	0,25	0,25
6	15	5	0	0,375	0,25

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. По той же причине не берите пробирки за нижнюю часть, контактирующую с раствором, чтобы не нагревать растворы теплом рук.

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.

Сейчас в таблице записаны в качестве примера цифры, вычисленные при условии, что концентрации растворов в банках [S₂O₃^2–] = 0,5 моль/л, [Н⁺] = 1 моль/л. Разумеется, в лаборатории могут быть другие растворы, поэтому эти цифры заносить в свою тетрадь заранее не надо.

Имея секундомер, опыты может делать один студент, но обычно удобнее вдвоём. Один включает-выключает секундомер или следит за секундной стрелкой часов 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. Но концентрации выданных растворов везде одни и те же, поэтому их можно считать точными.

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.