Опыты по теме «Скорость химических реакций»

Опыты по теме

«Скорость химических реакций»

Т.А. Мирошкина

Общественно-политические науки

     Химические реакции осуществляются  во времени с различной скоростью, которая может меняться в очень широких пределах. Некоторые реакции при обычных условиях (например, нейтрализация кислоты щелочью в водном растворе) идут настолько быстро, за их протеканием невозможно проследить невооруженным глазом. Такие реакции, как коррозия металлов и другие, могут идти месяцами и даже годами. Известно также, что одна и та же реакция в зависимости от условий может изменять свою скорость на много порядков.

     Скорость реакции определяется изменением количества данного вещества в единицу времени в единице объема (или на единице поверхности для гетерогенных процессов). Для реакций, идущих в растворах, скорость равна изменению концентрации данного вещества в единицу времени.

     Скорость реакции зависит от очень многих факторов – природу реагирующих веществ, их концентрации, температуры, присутствия катализаторов, величины и состояния поверхности реагирующих веществ, степени смешения (для реакции с участием твердых веществ).

     Экспериментальное изучение скорости реакций и влияния на нее различных факторов позволяет судить о механизмах химических превращений и использовать знания об их особенностях в практике.

     Зависимость скорости реакции от природы реагентов.

     Скорость химической реакции определяется, прежде всего, реакционной способностью реагентов. В качестве реагирующего вещества может выступать также и растворитель, хотя его молекулы необязательно входят в состав продуктов реакции.

     Выполнение опыта

     В пробирки наливают по 5 мл 0,5%-ных растворов йода в разных растворителях: хлороформе, четыреххлористом углероде, этиловом спирте. Помещают в каждую пробирку 1 г тонкой медной фольги так, чтобы она полностью покрывалась раствором, и определяется время, за которое становится заметными изменение интенсивности окраски каждого раствора (в результате реакции образования иодида меди(I) белого цвета).

     Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов.

     Скорость большинства химических реакций можно описать кинетическим уравнением ν=k[A]m*[B]n, где ν – скорость реакции (она может быть определена в относительных единицах); k – константа скорости (для данной реакции она зависит от температуры, но не зависит от концентрации реагентов); [A] и [B] – концентрации реагентов, моль/л; m и n – кинетические порядки по веществам А и В.

     Выполнение опыта

     Экспериментально проверим кинетическое уравнение для реакции окисления иодида калия пероксидом водорода в растворе. В кислой среде эта реакция идет с образованием йода:

2KI + H2O2 + H2SO4 =I2 + K2SO4 + 2H2O.

     Йод в присутствии иодида калия легко растворяется в воде, окрашивая раствор. Чтобы получить более интенсивную окраску и повысить таким образом чувствительность определения йода, в раствор вводят крахмал, который дает синее окрашивание в присутствии даже малых количеств йода. Йод может реагировать с тиосульфатом натрия с образованием бесцветного тетратионата:

I2 + 2Na2S2O3 = Na2S4O6 + 2NaI.

Опыт 1. В мерной колбе на 100 мл готовят раствор, содержащий 10 мл 3%-ного пероксида водорода, 10 мл 20%-ной серной кислоты и ~80 мл воды (до метки).

     В четыре пронумерованные мерные колбы на 100 мл наливают по 10 мл 0,05 М раствора тиосульфата натрия и по 5 мл раствора крахмала. Затем в них приливают 0,5 М раствор иодида калия: в первую – 5 мл, во вторую – 10 мл, в третью – 15 мл, в четвертую – 20 мл – и доводят объем до 100 мл дистиллированной водой.

     Затем берут четыре химических стакана по 100 мл и последовательно проводят в них реакции, смешивая по 10 мл приготовленных растворов иодида калия (разной концентрации) и пероксида водорода (неизменной концентрации). Эти растворы отмеряют с помощью цилиндров, помеченных «KI» и  «H2O2».

     Опыт удобно проводить  вдвоем: первый учащийся с секундомером или часами следит за временем, второй смешивает растворы и наблюдает за смесью, в момент появления синей окраски, он подает команду, по которой отмечаются показания секундомера (их первый учащийся записывает в табл. 1).

Данные для определения зависимости скорости реакции

 от концентрации KI.

     Каждый опыт желательно повторять 2 – 3 раза и определять среднее значение (tср). Более хорошая воспроизводимость опытов получается тогда, когда объемы растворов отмеряют аккуратно и температура растворов в ходе эксперимента не изменяется.

     При расчете скорости реакции предполагается, что ν обратно пропорциональна времени протекания реакции на определенную глубину (она задается количеством введенного тиосульфата натрия, который связывает выделяющийся йод в начальной стадии реакции). Эта величина ν = 1/t  с достаточной точностью характеризует начальную скорость реакции; для удобства записи и последующих расчетов вместо ν = 1/t можно взять значение ν = 100/t.

Зависимость скорости реакции от температуры.

     Опыт 1. Для иллюстрации зависимости скорости реакции от температуры используем взаимодействие тартрата натрия-калия (соль винной кислоты C4H4O6NaK). c пероксидом водорода:

KOOC(CHOH)2COONa + 5H2O2 = KHCO3 + NaHCO3 + 6H2O + 2CO2↑.

     Если в реагирующую смесь добавить раствор хлорида кобальта(II) розового цвета, то в его присутствии образуется промежуточное соединение зеленого цвета. После завершения реакции промежуточное вещество распадается и раствор опять становится розовым. Таким образом, определяя время от начала реакции до изменения цвета раствора, можно судить о скорости протекания реакции и наблюдать её зависимость от различных факторов.

     Наливаем в первый стакан на 100 мл 20 мл 20%-ного раствора C4H4O6NaK и 10 мл 20%-ного раствора CoCl2, во второй – 20 мл 15%-ного раствора H2O2. при комнатной температуре (~20°С) быстро сливаем оба раствора и отмечаем по метроному или секундомеру время с момента смешивания до момента появления зеленой и затем розовой окраски.

     Повторяем этот опыт при 40, а затем при 60°С. Для этого ставим оба стакана в баню с горячей водой (40°С) и выдерживаем их 5-10 мин. Затем растворы быстро смешиваем и опять помещаем в водяную баню. Как и в предыдущем опыте, отмечаем время изменения окраски растворов.

     Сравним полученные результаты при разных температурах.

     Зависимость скорости реакции от состояния и величины поверхности твердого вещества.

     Опыт 1. Внесите в пламя горелки железные опилки и тонкий порошок железа. Что наблюдаете? Поместите на дно пробирки 1 г оксалата железа(II) и сильно нагрейте его, держа пробирку горизонтально, отверстием чуть вниз и снимая жгутом фильтровальной бумаги выделяющуюся воду. После полного разложения осторожно высыпьте мелко раздробленное (пирофорное) железо на металлический лист. Почему реакция идет без нагревания? Остатки пирофорного железа обязательно залейте разбавленной серной кислотой.

      Опыт 2. В химический стакан наливают 100 мл 10%-ной соляной кислоты и вносят 0,5 г порошка карбоната кальция, определяют время его полного растворения. Повторяют опыт с 0,5 г мела и 0,5 г мрамора (можно использовать тот же раствор кислоты). Почему скорости реакций различаются?

     Определяют время растворения 0,5 г мела в 10%-ном растворе серной кислоты и сравнивают результат с полученным для соляной кислоты. Объясните причины различия скоростей реакций.