Wyznaczanie stałej szybkości reakcji utleniania jonów

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW
WYZNACZANIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA
JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
Miejsce ćwiczenia:
Zakład Chemii Fizycznej, sala 109
LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I
HETEROGENICZNEJ
1
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
CEL ĆWICZENIA
I.
Celem
ćwiczenia
jest
wyznaczenie
stałych
szybkości
reakcji
utleniania
jonów
tiosiarczanowych bez katalizatora i z katalizatorem.
WSTĘP, PODSTAWY TEORETYCZNE
II.
W ćwiczeniu przeprowadzana jest reakcja utleniania jonów tiosiarczanowych za pomocą
jonów żelaza(III). Przebieg reakcji można przedstawić sumarycznym równaniem:
2Fe 3
2S 2 O 23
2Fe 2
S 4 O 26
W rzeczywistości reakcja składa się z dwóch etapów:
etap I
Fe 3
S 2 O 23
etap II
FeS 2 O 3
FeS 2 O 3
reakcja powolna
2Fe 2
FeS 2 O 3
S 4 O 26
reakcja szybka
Ponieważ o szybkości całego procesu decyduje etap najwolniejszy, dlatego sumaryczna szybkość
reakcji jest określona przez szybkość etapu I. Jest to reakcja drugiego rzędu. Równanie kinetyczne
ma więc postać:
d[S 2 O32 ]
dt
d[Fe 3+ ]
dt
gdzie:
k [Fe 3+ ] [S 2 O32 ]
(1)
[S2O32-] i [Fe3+] - stężenia obu jonów w danej chwili t,
k - stała szybkości reakcji.
Oznaczając początkowe stężenie [Fe3+] jako a, natomiast stężenie [S2O32-] jako b oraz stężenie
produktu reakcji w czasie t jako x otrzymujemy:
dx
dt
k (a
x ) (b
x)
(2)
a po scałkowaniu tego równania:
k
2.303
b (a
log
( a b) t
a (b
x)
x)
(3)
Reakcja jonów żelaza(III) z jonami tiosiarczanowymi katalizowana jest przez jony miedzi(II).
Szybkość reakcji w obecności jonów miedzi jest proporcjonalna do ich stężenia, równanie
kinetyczne przyjmuje więc postać:
d[Fe 3+ ]
dt
d [S 2 O32 ]
dt
k [Cu 2 ] [Fe 3+ ] [S 2 O32 ]
1
(4)
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
Ponieważ stężenie katalizatora podczas reakcji jest stałe, iloczyn stałej szybkości k i stężenia
jonów miedzi(II) też jest stałe, można wstawić w ich miejsce wartość k’ i uprościć równie
kinetyczne:
d[S 2 O32 ]
d[Fe 3+ ]
=
dt
dt
k ' [Fe 3 ] [S 2 O32 ]
(5)
Postęp reakcji śledzony jest poprzez pomiar stężenia jonów żelaza(III), które tworzą barwny
związek kompleksowy z jonami tiocyjanianowymi (rodankowymi) dodanymi do mieszaniny
reakcyjnej. Barwa tego kompleksu jest intensywnie czerwona, a w miarę przebiegu reakcji ubywa
jonów żelaza(III) reagujących z jonami tiosiarczanowymi i roztwór staje się coraz bledszy. Stężenie
określane jest metodą spektrofotometryczną poprzez pomiar absorbancji roztworu i na podstawie
równania Lamberta-Beera. Roztwór jonów żelaza(III) powinien być lekko zakwaszony HCl, aby
uniknąć hydrolizy tych jonów. Wartość pH tego roztworu powinna wynosić około 2.5.
III.
WYKONANIE ĆWICZENIA
Aparatura
Spektrofotometr, kuwety o grubości 1 cm - 2 szt., kolbka miarowa 50 cm3, pipeta 10 cm3,
pipeta 5 cm3,
Odczynniki
- FeCl3·6H2O
- Na2S2O3·5H2O
- KSCN
- CuSO4
Pomiary
I. Sporządzenie roztworów macierzystych
UWAGA! Należy ważyć z dokładnością do czwartego miejsca po przecinku.
W kolbie o pojemności 100 ml sporządzić roztwór FeCl3 o stężeniu 5.75·10-3 mol/dm3. Przed
uzupełnieniem do kreski należy roztwór zakwasić niewielką ilością stężonego HCl do
uzyskania pH ~ 2.
W kolbie o pojemności 100 ml sporządzić roztwór Na2S2O3 o stężeniu 6·10-3 mol/dm3.
W kolbie o pojemności 100 ml sporządzić roztwór KSCN o stężeniu 0.5 mol/dm3.
W kolbie o pojemności 250 ml sporządzić roztwór CuSO4 o stężeniu 5·10-4 mol/dm3.
2
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
II. Wyznaczanie molowego współczynnika absorpcji rodankowego kompleksu żelaza(III)
1. Do kolbki o pojemności 100 cm3 wlać kolejno roztwory macierzyste w takiej ilości, aby stężenie
końcowe po rozcieńczeniu wynosiło odpowiednio:
- roztwór FeCl3 - stężenie końcowe 2.3·10-4 mol/dm3
- roztwór KSCN - stężenie końcowe 0.05 mol/dm3,
- uzupełnić roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną.
2. Zmierzyć absorbancję roztworu w całym zakresie pomiarowym, stosując wodę jako odnośnik.
Odczytać długość fali, przy której występuje maksimum absorpcji dla tego kompleksu.
III. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji bez katalizatora
1. Do kolbki o pojemności 100 cm3 wlać kolejno roztwory macierzyste w takiej ilości, aby
stężenie końcowe po rozcieńczeniu wynosiło odpowiednio:
- roztwór FeCl3 - stężenie końcowe 2.3·10-4 mol/dm3
- roztwór KSCN - stężenie końcowe 0.05 mol/dm3
- roztwór Na2S2O3 - stężenie końcowe 1.2·10-3 mol/dm3,
- uzupełnić szybko roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną.
W momencie dodawania roztworu tiosiarczanu sodu do kolbki włączyć stoper.
2. Po wymieszaniu roztworu w kolbce wlać go do kuwetki i mierzyć absorbancję co 10 minut w
ciągu 50 minut przy długości fali ustalonej w punkcie. I, stosując wodę jako odnośnik.
IV. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji z katalizatorem
1. Do kolbki o pojemności 100 cm3 wlać kolejno roztwory macierzyste w takiej ilości, aby
stężenie końcowe wynosiło odpowiednio:
- roztwór FeCl3 - stężenie końcowe 2.3·10-4 mol/dm3
- roztwór KSCN - stężenie końcowe 0.05 mol/dm3
- roztwór CuSO4 – stężenie końcowe 5·10-6 mol/dm3
- roztwór Na2S2O3 - stężenie końcowe 1.2·10-3 mol/dm3,
- uzupełnić szybko roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną.
W momencie dodawania roztworu tiosiarczanu sodu do kolbki włączyć stoper.
2. Po wymieszaniu roztworu w kolbce wlać go do kuwetki i mierzyć absorbancję co 10 minut w
ciągu 90 minut przy długości fali ustalonej w punkcie. I, stosując wodę jako odnośnik.
.
3
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
IV.
ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW
UWAGA: W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia
Postępowanie
Chlorek żelaza (III)
FeCl3
Siarczan miedzi (II)
Środki bezpieczeństwa
Klasyfikacja
Odczynnik
Działa szkodliwie po połknięciu.
Przy kontakcie ze skórą: zmyć wodą, zdjąć zanieczyszczoną odzież
umieścić w pojemniku na odpady
Działa drażniąco na skórę. Ryzyko poważnego
Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą, natychmiast skonsultować się z okulistą
roztwory
uszkodzenia oczu.
Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, wezwać lekarza
oznaczone literą „S”
Przy kontakcie ze skórą zmyć dużą ilością wody, zdjąć zanieczyszczoną odzież
umieścić w pojemniku na odpady
Działa drażniąco na oczy i skórę.
Przy kontakcie z oczami przepłukać dużą ilością wody , w razie nieustąpienia
roztwory
Może
powodować
długo
utrzymujące
Nie
jest
klasyfikowany
jako
nieorganicznych
oznaczone literą „S”
czuje się niezdrowo wezwać lekarza
umieścić w pojemniku na odpady
Przy spożyciu znacznych ilości: wezwać lekarza jeżeli poszkodowany poczuje się
roztwory
niezdrowo.
oznaczone literą „S”
Działa szkodliwie przez drogi oddechowe, w
Przy kontakcie z oczami: przepłukać duża ilością wody przy szeroko odchylonej
umieścić w pojemniku na odpady
kontakcie ze skórą i po połknięciu.
powiece, skonsultować się z okulista.
roztwory
W kontakcie z kwasami uwalnia bardzo
Przy kontakcie ze skóra: zmyć dużą ilością wody, zdjąć zanieczyszczone ubranie.
oznaczone literą „S”
toksyczne gazy.
Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, spowodować wymioty, natychmiast wezwać
niebezpieczna
KSCN
soli
się Przy spożyciu podać dużą ilość wody, spowodować wymioty, jeśli poszkodowany
substancja Przy kontakcie z oczami: przepłukac woda.
Na2S2O3
Rodanek potasu
nieorganicznych
Działa szkodliwie po połknięciu.
niekorzystne zmiany w środowisku wodnym.
Tiosiarczan sodu
soli
Przy wdychaniu: świeże powietrze
Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne. objawów skonsultować się z okulistą
CuSO4
z odpadami
lekarza, zastosować płukanie żołądka, podąć węgiel aktywny.
Przy wdychaniu: zapewnić dostęp świeżego powietrza, skonsultować się z lekarzem
gdy poszkodowany poczuje się niezdrowo.
4
soli
soli
nieorganicznych
nieorganicznych
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
V.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
1. Obliczyć molowy współczynnik absorpcji ( ) dla rodankowego kompleksu żelaza(III)
korzystając z równania:
A
c l
gdzie:
(6)
A - absorbancja roztworu,
c - stężenie molowe jonów żelaza(III) [mol/dm3],
l - grubość kuwetki [cm].
2. Obliczyć dla każdego czasu aktualne stężenie jonów żelaza(III):
[Fe 3 ] a
gdzie:
x
A
l
(7)
a - początkowe stężenie jonów żelaza(III),
x - stężenie produktu reakcji.
3. Obliczyć dla każdego czasu aktualne stężenie jonów S2O32-:
[S 2 O 32 ] b
gdzie:
x b a [Fe 3 ]
(8)
b - początkowe stężenie jonów tiosiarczanowych
4. Obliczyć wartości stałych szybkości dla reakcji bez katalizatora i z katalizatorem
korzystając z równania 3.
5. Obliczyć średnie wartości stałych szybkości dla reakcji bez katalizatora (k) i z
katalizatorem (k’).
6. Wyniki obliczeń dla reakcji bez katalizatora i z katalizatorem umieścić w tabeli 1.
Tabela 1. Wyniki eksperymentów i obliczeń
Czas
ABSORBANCJA
[Fe3+]
[S2O32-]
k
[min]
A
[mol/dm3]
[mol/dm3]
[mol-1·dm3·min]
7. Omówić wpływ dodatku jonów miedzi(II) do mieszaniny reakcyjnej na szybkość
przeprowadzanej reakcji.
5
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
VI.
ZAGADNIENIA TEORETYCZNE
- szybkość reakcji chemicznych,
- stała szybkości,
- rzędowość reakcji chemicznych,
- cząsteczkowość reakcji chemicznych,
- czas połowicznej przemiany,
- wpływ temperatury na szybkość reakcji chemicznych,
- reakcje katalityczne,
- kataliza homogeniczna i heterogeniczna,
- mechanizm działania katalizatorów.
VII. LITERATURA
1. Praca zbiorowa, Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1982.
2. Praca zbiorowa, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980.
3. Barrow G.M., Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1978.
4. Pauling L., Pauling P., Chemia, PWN, Warszawa 1983.
6. Praca zbiorowa, Fizyczne podstawy chemii, Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa
1982.
7. Górski A., Chemia, t.1 , PWN, Warszawa 1974.
6