6. Szybkość reakcji chemicznych

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH
Uwaga: Na pracownię naleŜy przynieść zegarek z sekundnikiem lub stoper.
SPRZĘT: zestaw probówek, pipety, kilka zlewek, termometr, palnik.
1. Badanie wpływu stęŜenia reagentów i temperatury na przebieg reakcji:
JeŜeli reakcja chemiczna przebiega zgodnie z równaniem:
aA+bB→cC+dD
to jej szybkość opisywana jest wzorem:
v = k[A]a [B]b
gdzie k jest współczynnikiem nazywanym stałą szybkości reakcji, zaleŜnym od temperatury
zgodnie z równaniem:
−
Ea
RT
Ea
RT
(A – stała charakterystyczna dla danej reakcji, Ea – energia aktywacji, R – stała gazowa, T –
temperatura)
Badana reakcja przebiega według schematu:
k = Ae
po zlogarytmowaniu: ln k = ln A −
2H + + S2 O32 − → H 2S2 O 3 → H 2 O + SO 2 + S ↓
Roztwór mętnieje na skutek wydzielania się koloidalnej siarki. Czas, jaki upływa od zmieszania
reagentów do pojawienia się zmętnienia zaleŜy od stęŜeń reagujących substancji i od temperatury.
Szybkość reakcji jest odwrotnością czasu jej trwania (v=1/t).
A) ZALEśNOŚĆ SZYBKOŚCI REAKCJI OD STĘśENIA REAGENTÓW
W tej części ćwiczenia zbadamy wpływ stęŜenia jednego z reagentów (Na2S2O3) na
szybkość reakcji przy zachowaniu niezmiennych pozostałych parametrów, które mogą wpływać na
szybkość reakcji, w tym stęŜenia drugiego reagenta (H2SO4) (warunki pseudo-pierwszorzędowe).
Przygotować w statywie cztery ponumerowane probówki. Wlać do nich roztwór Na2S2O3 o stęŜeniu
0,1 mol⋅dm-3 i wodę destylowaną w ilościach podanych w tabeli:
Numer
Objętość
probówk Na2S2O3 [cm3]
i
(V1)
1.
2.
3.
4.
Objętość
H2O [cm3]
(V2)
StęŜenie
Na2S2O3 [mol⋅dm-3]
c=0,1⋅V1/( V 1+ V 2+
V 3)
Czas
trwania
reakcji t [s]
Szybkość
reakcji
v=1/t [1/s]
6
0
4
2
3
3
4
2
Do probówki nr 1 wlać 6,0 ml (V 3 ) roztworu H2SO4 o stęŜeniu 0,1 mol⋅dm-3. Zawartość szybko
wymieszać. Obserwować roztwór trzymając probówkę na ciemnym tle, mierząc jednocześnie czas
do pojawienia się zmętnienia (czas mierzyć od momentu zmieszania reagentów). Podobnie postąpić
z pozostałymi probówkami wlewając za kaŜdym razem tę samą objętość H2SO4 (6,0 ml). Wyniki
umieścić w tabeli. Na papierze milimetrowym sporządzić wykres v=f(c). Za jednostkę przyjąć
najmniejsze stęŜenie Na2S2O3 i najkrótszy czas. Sformułować wniosek dotyczący zaleŜności
szybkości reakcji od stęŜenia substratów.
B) WPŁYW TEMPERATURY NA SZYBKOŚĆ REAKCJI
W tej części ćwiczenia stałe są stęŜenia reagentów, zmienia się natomiast temperatura, w której
zachodzi badana reakcja.
Do czterech ponumerowanych probówek wlać po 5 ml roztworu Na2S2O3 o stęŜeniu 0,1 mol⋅dm-3.
W czterech następnych probówkach przygotować po 5 ml roztworu H2SO4 o tym samym stęŜeniu
(0,1 mol⋅dm-3). Wszystkie probówki umieścić w zlewce z wodą o temperaturze pokojowej i po
upływie 5 minut zmierzyć temperaturę wody. Następnie roztwór H2SO4 wlać do jednej z probówek
zawierającej Na2S2O3. Zmierzyć czas trwania reakcji (do momentu pojawienia się zmętnienia).
Następnie wodę w zlewce podgrzać o 10°C, zmieszać zawartość dwóch kolejnych probówek z
Na2S2O3 i H2SO4. Analogicznie postępować z pozostałymi probówkami podgrzewając wodę za
kaŜdym razem o 10°C i mierząc czas trwania reakcji. Wyniki umieścić w tabeli:
Temperatura T
Numer
probówki
[°C]
[K]
1/T
Czas trwania
(T [K]) reakcji t [s]
Szybkość
reakcji
v=1/t
[1/s]
k
lnk
ZaleŜność szybkości reakcji od temperatury przedstawić graficznie jako wykres funkcji v=f(T)
(temperatura wyraŜona w K).
Kreśląc graficznie zaleŜność lnk = f(1/T) otrzymujemy prostą o równaniu y = ax + b, gdzie
współczynnik nachylenia prostej wynosi a = –Ea/R, zaś punkt przecięcia prostej z osią Y: b = lnA.
Na podstawie tego wykresu oblicz energię aktywacji Ea w kJ/mol.
2. Wpływ katalizatora na szybkość reakcji.
KATALITYCZNY WPŁYW JONÓW NO3- NA REDUKCJĘ JONU MnO4WODOREM ATOMOWYM.
Wodór atomowy otrzymuje się w reakcji metalicznego cynku z jonami wodorowymi pochodzącymi
z dysocjacji kwasu:
Zn + 2H+ → Zn2+ + 2Hat
Do probówki wlać 6,0 ml 50% roztworu H2SO4 oraz 5 kropli roztworu KMnO4. Otrzymany roztwór
podzielić na trzy części (przelać do trzech probówek). Do dwóch probówek wrzucić po kawałku
cynku, trzecią zostawić jako porównawczą. Do jednej z probówek zawierających cynk dodać jedną
kroplę roztworu KNO3. Obserwować szybkość zmiany barwy w probówkach, obserwacje
zanotować.
W probówce zawierającej KNO3 zachodzi najpierw redukcja NO3- do NO2-, który jako silny
reduktor reaguje natychmiast z MnO4-. Zapisz równania reakcji zachodzących w kaŜdej z probówek
zawierających cynk (wybierz odpowiednie równania z podanych poniŜej, podaj produkty reakcji i
dobierz współczynniki). Określ rolę KNO3 w tej reakcji.
Zn + H+ →
MnO4- + Hat + H+ →
NO3- + Hat →
MnO4- + NO2- + H+ →