WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Министерство образования и науки Российской Федерации УДК 66.0 (075) Омский государственный университет ББК 24.5 им. Ф.М. Достоевского Ф50 Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ОмГУ Ф50 Физическая химия: Практикум для студентов химического факультета. Часть 4. Кинетика и катализ / Сост.: Т.А. Калинина, О.А. Реутова. – Омск: Изд-во ОмГУ, 2005. – 48 с.

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ISBN 5-7779-0549-8 Раскрывается последовательность приемов и методов, обеспеПрактикум чивающих выполнение лабораторных работ. Содержатся основные для студентов химического факультета теоретические сведения по каждому экспериментальному методу, описание техники выполнения работы. Включены необходимые справочные материалы, расчетные задания, указана форма представления результатов работы, даны контрольные вопросы.

Для студентов химического факультета.

Часть 4. Кинетика и катализ УДК 66.0 (075) ББК 24.5 ISBN 5-7779-0549-8 © Омский госуниверситет, 2005 Изд-во Омск ОмГУ 2005 Оглавление ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ Приступая к работе в лаборатории, студенты обязаны ознакоТехника безопасности...................................................................................4 миться с инструкцией по технике безопасности.

Теоретическое введение................................................................................7 При работе в лаборатории следует соблюдать следующие праКинетика реакций в растворах....................................................................7 вила:

Кинетическая классификация реакций.......................................................8 1. Каждый работающий в химической лаборатории должен Методы определения порядка реакции.......................................................9 иметь халат из хлопчатобумажной ткани.

Интегральные методы...............................................................................10 2. Все электропроводящие части электроприборов должны Дифференциальные методы......................................................................быть исправны и заземлены. Нельзя касаться токоведущих частей Формальная кинетика...............................................................................электроприборов голыми руками. Включать электроприборы можно Зависимость скорости реакции от температуры.......................................только на напряжение, указанное на приборе. Перед включением Кинетика гетерогенных процессов...........................................................электроприбора следует проверить состояние проводки и контактов.

Лабораторная работа 18. Определение константы скорости реакции При включении прибора вилка в розетку должна вставляться плотно, первого порядка...........................................................................................регуляторы напряжения перед включением и выключением прибора Лабораторная работа 19. Изучение влияния ионной силы раствора должны быть поставлены на ноль.

на кинетику протекания реакции малахитового зеленого 3. Запрещается устранять неисправности электрооборудования с гидроксид-ионами.....................................................................................и подключать новые электроприборы без электрика. Необходимо Лабораторная работа 20. Изучение скорости инверсии сахарозы..........25 помнить, что электрический ток силой 0,05 А уже опасен, а ток силой 0,1 А и выше – смертелен! Лабораторная работа 21. Определение константы скорости 4. Многие химические вещества обладают токсическими свойгетерогенной реакции.................................................................................ствами – бензол, эфир, метиловый спирт, нитробензол и др. В лаЛабораторная работа 22. Изучение скорости реакции иодирования боратории должна работать приточно-вытяжная вентиляция. В слуацетона..........................................................................................................чае временного выключения вентиляции все работающие должны Лабораторная работа 23. Изучение разложения пероксида водорода быть предупреждены; работы, связанные с выделением вредных пагазометрическим методом..........................................................................ров и газов, необходимо прекратить.

5. При работе с концентрированными кислотами и щелочами Лабораторная работа 24. Исследование кинетики термического следует надеть резиновые перчатки и защитные очки. При ожогах разложения перманганата калия..............................................................кислотами и щелочами надо промыть обожженное место проточной Лабораторная работа 25. Определение порядка реакции окисления водой, а затем раствором бикарбоната натрия или борной кислоты, иодид-ионов ионами трехвалентного железа............................................соответственно.

6. Химические ожоги могут быть вызваны такими агрессивными веществами, как бром, фенол, оксид кальция, йод и др. При ожогах бромом или фенолом следует промыть пораженное место несколькими порциями спирта и смазать мазью от ожогов. В случае попадания паров брома или хлора в легкие следует подышать парами нашатырного спирта.

3 7. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости должны хра• Нагревать летучие и огнеопасные жидкости на открытом огне.

ниться в банках с притертыми пробками в металлических шкафах.

Нагревание их необходимо проводить только на водяной или песЛегковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) могут находиться на рачаной бане или на закрытой плитке.

бочем месте лишь в количествах, необходимых для работы. Все ра• Огнеопасные жидкости даже в небольшом количестве ставить боты с ЛВЖ следует проводить в вытяжном шкафу при включенной вблизи нагревательных приборов.



вентиляции.

• Засасывать вызывающие химические ожоги жидкости в пипетки 8. Все работы с ртутью можно проводить только на поддонах.

без специальных приспособлений (груш).

В случае, если ртуть оказалась пролитой, следует немедленно прекратить работы и приступить к ее уборке. Демеркуризация помещения • Выбрасывать ртуть в мусорные ящики и в канализацию.

включает три обязательные процедуры: механическую очистку помещения от видимых шариков ртути, химическую обработку загрязненВ случае возгорания:

ных поверхностей и влажную уборку. Обрабатываемую поверхность обильно смачивают 20 %-м водным раствором хлорида железа (III) и ЛВЖ – необходимо в первую очередь выключить электроприбор и оставляют до полного высыхания. Через 1-2 суток поверхность тщатушить пламя имеющимися в наличии противопожарными средтельно промывают сначала мыльным раствором, затем чистой водой ствами (кошма, асбестовое одеяло, песок);

для удаления продуктов реакции и непрореагировавшей ртути.

электрических приборов – необходимо пользоваться углекислот9. При термических ожогах первой степени к обожженному ными и порошковыми огнетушителями.

участку кожи следует приложить тампон из ваты или марли, обильно смоченный спиртом. При тяжелых ожогах на пораженное место надо наложить стерильную повязку, а затем обратиться за врачебной помощью.

10. После окончания работы каждый проверяет отключение воды и электроэнергии на своем рабочем месте, а уходящий последним обязан проверить отключение воды и электроэнергии в лаборатории и в вытяжных шкафах.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ! • Работать в химической лаборатории одному.

• Держать на лабораторных столах портфели, сумки и другие посторонние предметы.

• Принимать и хранить пищу, а также курить.

• Выливать в раковины какие-либо вещества (органические и неорганические). Их необходимо выливать только в специально отведенную химическую посуду, находящуюся под вытяжным шкафом.

5 Согласно закону действия масс, скорость элементарной реакТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ ции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции. Например:

Кинетика реакций в растворах A + B = C, 1 2 Под кинетикой химических реакций понимают учение о ско1 = kCA CB, ростях химических реакций, о влиянии на скорость реакции различгде k – коэффициент пропорциональности – константа скорости ных факторов (концентрация реагирующих веществ, температура, реакции; Сi – концентрация i-го вещества в момент времени.

давление, присутствие катализаторов). В зависимости от того, в каКонстанта скорости реакции численно равна скорости реакции ких системах протекают реакции, различают кинетику гомогенных и при условии, что концентрации всех реагирующих веществ равны гетерогенных реакций.

единице. Константа скорости реакции зависит от природы реагируюГомогенными называются реакции, протекающие в однородной щих веществ, температуры, присутствия катализатора, от среды, в косреде (в смеси газов или в растворах), гетерогенными – реакции, торой происходит реакция, и не зависит от концентрации реагируюпротекающие в неоднородной среде, на поверхности соприкосновещих веществ.

ния взаимодействующих веществ, находящихся в различных фазах.

Основной кинетической характеристикой химических реакций Кинетическая классификация реакций является ее скорость. Скорость химических реакций определяется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

В химической кинетике реакции классифицируются по слеРазличают среднюю и истинную скорость реакции. Средней дующим признакам:

скоростью реакции за данный промежуток времени называется отно1) по числу частиц, участвующих в реакции (молекулярность и шение уменьшения концентрации исходного вещества или увеличепорядок реакции);

ние концентрации продукта реакции ко времени, в течение которого 2) по природе частиц, участвующих в элементарном акте реакэто изменение произошло:

ции (молекулярные, свободно-радикальные, ионные);

- 3) по числу и состоянию фаз, участвующих в реакции (гомоC C 2 =±.

генные и гетерогенные);

1 4) по степени сложности (обратимые и необратимые, изолироИстинная скорость реакции в данный момент может быть ванные и параллельные, сопряженные, последовательные);

выражена изменением концентрации, отнесенным к бесконечно ма5) по наличию или отсутствию катализаторов (каталитические лому промежутку времени, т.е. производной от концентрации по и некаталитические).

времени:

Молекулярность реакции определяется числом молекул, участ1 dC вующих в элементарном акте химического превращения. По этому =±, d признаку реакции подразделяются на мономолекулярные, бимолекугде – стехиометрический коэффициент в уравнении реакции для лярные, тримолекулярные. Реакции более высокой молекулярности соответствующего вещества.

маловероятны, т.к. одновременная встреча в элементарном акте даже Скорость реакции всегда положительна. Поэтому знак минус в трех молекул случается редко.

правой части приведенного выше уравнения ставится тогда, когда Порядок реакции. Большинство химических реакции протекает скорость реакции определяется по изменению концентрации исходнов несколько стадий, причем скорость всей реакции определяется ского вещества.





7 ростью самой медленной (лимитирующей) стадии. Скорость таких Тогда реакций описывается эмпирическим уравнением dC - =, k Cn 2 D 1 = k, Cn Cn d A B 2 где n1 и n2 – частные порядки соответственно по веществу А и В. где = k k Cn Cn, при этом определяют n3.

2 A B Сумма показателей n = n1 + n2 называется порядком реакции.

Третий опыт проводят с большим избытком веществ А и D и Реакции могут быть нулевого, первого, второго, третьего порядков.

определяют значение n2. Таким образом, порядок реакции каждый Возможен дробный и даже отрицательный порядок. Порядок реакции раз считается формально и сводится к определению частных порядзависит от условий ее протекания.

ков. Общий порядок реакции численно равен сумме:

Порядок реакции и молекулярность совпадают только в простых n = n1 + n2 + n3.

реакциях, протекающих в соответствии со стехиометрическим уравнеВсе методы определения порядков реакции можно разделить на нием. В подавляющем большинстве случаев такого совпадения нет.

две группы – интегральные и дифференциальные методы.

Это объясняется тем, что стехиометрическое уравнение, описывающее Выбор того или иного метода определения кинетических посреакцию в целом, не отражает ее истинного механизма.

тоянных зависит от типа изучаемой реакции, надежности и количества экспериментальных данных, типа реактора, в котором идет изучаеМетоды определения порядка реакции мая реакция и т.д.

Для определения порядка реакции необходимо получить эксИнтегральные методы периментальные данные об изменении концентрации реагирующих веществ со временем. Если в реакции участвует несколько веществ, Здесь используются кинетические уравнения в интегральной то пользуются методом изолирования Оствальда. Допустим, в реакформе.

цию вступают три вещества А, В и D:

1. Метод подбора уравнений основан на подстановке экспериментальных данных по концентрации веществ для каждого моm A + n B + q D Продукты.

мента времени в кинетические уравнения реакций различных порядСкорость этой реакции может быть выражена кинетическим ков. Определяемый порядок реакции соответствует тому уравнению, уравнением:

для которого при различных начальных концентрациях исходных веdC 1 2 ществ и в различные моменты времени величина константы скорости - = k Cn Cn Cn.

A B D d будет оставаться постоянной.

Сначала проводят реакцию с большими избытками веществ В и 2. Графический метод основан на том, что определяют такую D (концентрация вещества А варьируется от 0,1 до 0,001 начальной функцию от концентрации, которая на графике ее зависимости от концентрации всех остальных веществ). Тогда времени (см. рис. 1) дает прямую линию:

dC – для реакций первого порядка (I) такой функцией является - =, k Cn 1 A d lgC = f( );

2 где = k k Cn Cn, при таких условиях определяют n1. – для реакций второго порядка (II) 1/C = f( ) (при = );

1 B D C0 CA B Затем проводят второй опыт – с большим избытком вещества А – для реакций третьего порядка (III) 1/C 2 = f( ).

и В.

По наклону полученной прямой вычисляют константу скорости реакции.

9 Дифференциальные методы III 1/C 2 = f( ) y = f( ) Метод Вант-Гоффа. В этом методе используется дифференциальная форма кинетического уравнения dC II 1/C = f( ) =- =.

k Cn d Логарифмируя это уравнение при условии малой степени превращения (С Со), получаем:

I lg C = f( ) lg = lg k + n lg Со.

Из этого уравнения следует, что между lg и lg Со имеется ли нейная зависимость, причем тангенс угла наклона на графике Рис. 1. Зависимость различных функций концентрации исходных веществ lg = f (lg Со) равен порядку реакции n.

от времени для реакций различных порядков Порядок реакции может быть рассчитан на основании данных двух кинетических опытов с начальными концентрациями реагирую3. Метод Оствальда – Нойеса основан на расчете времени, ф 1 0 щих веществ и C2 по уравнению Cв течение которого концентрация исходного вещества уменьшается в lg - lg 1 два раза:

n =.

lgC1 - lgC– если не зависит от концентрации, то это реакция первого ф 1 порядка;

Формальная кинетика – если обратно пропорционально начальной концентрации ф 1 Согласно закону действующих масс кинетическое уравнение в первой степени – второго порядка;

для реакций первого порядка:

– если 1 C0 – третьего порядка.

( ) 1 A Продукты, Для двух кинетических опытов, протекающих до одной и той протекающей в закрытой системе при V = const, следует записать же степени превращения:

следующим образом:

n-0 dC C1 C2 =, ( ) 1 = - =, (1) k C A d где и – начальные концентрации реагирующих веществ;

C1 Cгде – концентрация реагента А.

C A 1 и 2 – время протекания реакции.

Разделив переменные, проинтегрировав и подставив значение После логарифмирования этого выражения получают:

постоянной интегрирования из граничных условий, получим:

lg ( ) 2 1 1 CA n = 1+.

0 k = ln, (2) lg ( ) C C 1 CA Полученное уравнение справедливо, если реакцию проводят до где CA – концентрация A в начальный момент времени = 0;

любой степени превращения х.

CA – концентрация A в момент времени.

В случае х = 1/2 метод определения порядка реакции называют методом определения порядка реакции по периоду полупревращения.

11 Согласно (2) размерность k – [время–1], поэтому ее числовое Если же начальные концентрации не равны, то:

значение зависит от единиц, в которых выражается время.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.