Wyznaczanie stałej szybkości reakcji utleniania jonów

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW
WYZNACZANIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA
JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
Prowadzący:
Joanna Strzezik
Miejsce ćwiczenia:
Zakład Chemii Fizycznej, sala 69
LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I
HETEROGENICZNEJ
1
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
I.
CEL ĆWICZENIA
Celem
ćwiczenia
jest
wyznaczenie
stałych
szybkości
reakcji
utleniania
jonów
tiosiarczanowych bez katalizatora i z katalizatorem.
II.
WSTĘP, PODSTAWY TEORETYCZNE
W ćwiczeniu przeprowadzana jest reakcja utleniania jonów tiosiarczanowych za pomocą
jonów Ŝelaza(III). Przebieg reakcji moŜna przedstawić sumarycznym równaniem:
2Fe 3+ + 2S 2 O 32 − → 2Fe 2 + + S 4 O 62 −
W rzeczywistości reakcja składa się z dwóch etapów:
etap I
Fe 3+ + S 2 O 32 − → FeS 2 O +3
reakcja powolna
etap II
FeS 2 O +3 + FeS 2 O 3+ → 2Fe 2+ + S 4 O 62 −
reakcja szybka
PoniewaŜ 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:
−
gdzie:
d [S2 O 32− ]
d [Fe3+ ]
=−
= k ⋅ [Fe3+ ] ⋅ [S2 O 32− ]
dt
dt
(1)
[S2O32-] i [Fe3+] - stęŜenia obu jonów w danej chwili t,
k - stała szybkości reakcji.
Oznaczając początkowe stęŜenie [Fe3+] jako a, natomiast stęŜenie [S2O32-] jako b oraz stęŜenie
produktu reakcji w czasie t jako x otrzymujemy:
dx
= k ⋅ ( a − x ) ⋅ (b − x )
dt
(2)
a po scałkowaniu tego równania:
k=
2.303
b ⋅ (a − x)
log
( a − b) ⋅ t
a ⋅ (b − x )
(3)
Reakcja jonów Ŝelaza(III) z jonami tiosiarczanowymi katalizowana jest przez jony miedzi(II).
Szybkość reakcji w obecności jonów miedzi jest proporcjonalna do ich stęŜenia, równanie
kinetyczne przyjmuje więc postać:
−
d [S2 O 32− ]
d [Fe3+ ]
=−
= k ⋅ [Cu 2+ ] ⋅ [Fe3+ ] ⋅ [S2 O 32− ]
dt
dt
1
(4)
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
PoniewaŜ stęŜenie katalizatora podczas reakcji jest stałe, iloczyn stałej szybkości k i stęŜenia
jonów miedzi(II) teŜ jest stałe, moŜna wstawić w ich miejsce wartość k’ i uprościć równie
kinetyczne:
−
d [S2 O 32− ]
d [Fe3+ ]
=−
= k ' ⋅ [Fe 3+ ] ⋅ [S2 O 32− ]
dt
dt
(5)
Postęp reakcji śledzony jest poprzez pomiar stęŜenia jonów Ŝelaza(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 Ŝelaza(III) reagujących z jonami tiosiarczanowymi i roztwór staje się coraz bledszy. StęŜenie
określane jest metodą spektrofotometryczną poprzez pomiar absorbancji roztworu i na podstawie
równania Lamberta-Beera. Roztwór jonów Ŝelaza(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 2.3·10-3 mol/dm3 zakwaszony kwasem solnym,
- Na2S2O3 6·10-3 mol/dm3,
- KSCN 0.25 mol/dm3,
- CuSO4 5·10-5 mol/dm3.
Pomiary
I. Wyznaczanie molowego współczynnika absorpcji rodankowego kompleksu Ŝelaza(III)
1. Do kolbki o pojemności 50 cm3 wlać kolejno następujące roztwory:
- 5 cm3 roztworu FeCl3 o stęŜeniu 2.3·10-3 mol/dm3, zakwaszonego kwasem solnym,
- 10 cm3 roztworu rodanku potasu o stęŜeniu 0.25 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.
2
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
II. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji bez katalizatora
1. Do kolbki o pojemności 50 cm3 wlać kolejno następujące roztwory:
- 5 cm3 roztworu FeCl3 o stęŜeniu 2.3·10-3 mol/dm3,
- 10 cm3 roztworu KSCN o stęŜeniu 0.25 mol/dm3,
- 10 cm3 roztworu Na2S2O3 o stęŜeniu 6·10-3 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.
III. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji z katalizatorem
1. Do kolbki o pojemności 50 cm3 wlać kolejno następujące roztwory:
- 5 cm3 roztworu FeCl3 o stęŜeniu 2.3·10-3 mol/dm3,
- 10 cm3 roztworu KSCN o stęŜeniu 0.25 mol/dm3,
- 5 cm3 roztworu CuSO4 o stęŜeniu 5·10-5 mol/dm3
- 10 cm3 roztworu Na2S2O3 o stęŜeniu 6·10-3 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 niepoŜądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia
Postępowanie
Klasyfikacja
Odczynnik
Chlorek Ŝelaza (III)
FeCl3
Środki bezpieczeństwa
z odpadami
Działa szkodliwie po połknięciu.
Przy kontakcie ze skórą: zmyć wodą, zdjąć zanieczyszczoną odzieŜ
umieścić w pojemniku na odpady
Działa draŜniąco na skórę. Ryzyko powaŜnego
Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą, natychmiast skonsultować się z okulistą
roztwory
Przy spoŜyciu: podać duŜą ilość wody, wezwać lekarza
oznaczone literą „S”
uszkodzenia oczu.
soli
nieorganicznych
Przy wdychaniu: świeŜe powietrze
Siarczan miedzi (II)
Działa szkodliwie po połknięciu.
Przy kontakcie ze skórą zmyć duŜą ilością wody, zdjąć zanieczyszczoną odzieŜ
umieścić w pojemniku na odpady
Działa draŜniąco na oczy i skórę.
Przy kontakcie z oczami przepłukać duŜą ilością wody , w razie nieustąpienia
roztwory
Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne. objawów skonsultować się z okulistą
CuSO4
MoŜe
powodować
długo
utrzymujące
niekorzystne zmiany w środowisku wodnym.
Tiosiarczan sodu
Nie
jest
klasyfikowany
jako
czuje się niezdrowo wezwać lekarza
umieścić w pojemniku na odpady
roztwory
niezdrowo.
oznaczone literą „S”
Działa szkodliwie przez drogi oddechowe, w
Przy kontakcie z oczami: przepłukać duŜa 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 duŜą ilością wody, zdjąć zanieczyszczone ubranie.
oznaczone literą „S”
toksyczne gazy.
KSCN
oznaczone literą „S”
Przy spoŜyciu znacznych ilości: wezwać lekarza jeŜeli poszkodowany poczuje się
Na2S2O3
Rodanek potasu
nieorganicznych
się Przy spoŜyciu podać duŜą ilość wody, spowodować wymioty, jeśli poszkodowany
substancja Przy kontakcie z oczami: przepłukac woda.
niebezpieczna
soli
Przy spoŜyciu: podać duŜą ilość wody, spowodować wymioty, natychmiast wezwać
lekarza, zastosować płukanie Ŝołądka, podąć węgiel aktywny.
Przy wdychaniu: zapewnić dostęp świeŜego 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 (ε) dla rodankowego kompleksu Ŝelaza(III)
korzystając z równania:
ε=
gdzie:
A
c⋅ l
(6)
A - absorbancja roztworu,
c - stęŜenie molowe jonów Ŝelaza(III) [mol/dm3],
l - grubość kuwetki [cm].
2. Obliczyć dla kaŜdego czasu aktualne stęŜenie jonów Ŝelaza(III):
[Fe 3+ ] = a − x =
gdzie:
A
ε⋅l
(7)
a - początkowe stęŜenie jonów Ŝelaza(III),
x - stęŜenie produktu reakcji.
3. Obliczyć dla kaŜdego czasu aktualne stęŜenie jonów S2O32-:
[S 2 O 32 − ] = b − x = b − a + [Fe 3+ ]
gdzie:
(8)
b - początkowe stęŜenie 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]
5
WYZNACZNIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA JONÓW TIOSIARCZANOWYCH
7. Omówić wpływ dodatku jonów miedzi(II) do mieszaniny reakcyjnej na szybkość
przeprowadzanej reakcji.
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