LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ WYZNACZANIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY

Transkrypt

1 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

2 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 żelaza(iii). Przebieg reakcji można przedstawić sumarycznym równaniem: Fe S O Fe S O 4 6 W rzeczywistości reakcja składa się z dwóch etapów: etap I Fe SO FeS O reakcja powolna etap II FeS O FeS O Fe S O 4 6 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[fe d[so + k [Fe [SO dt dt gdzie: [S O - i [Fe + - stężenia obu jonów w danej chwili t, k - stała szybkości reakcji. (1) Oznaczając początkowe stężenie [Fe + jako a, natomiast stężenie [S O - jako b oraz stężenie produktu reakcji w czasie t jako x otrzymujemy: a po scałkowaniu tego równania: k dx dt k ( a x) ( b x) (). 0 b ( a x) log ( a b) t a ( b x) 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 d[so + k [Cu [Fe [SO dt dt (4) 1

3 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[fe d[so ' = k [Fe [SO dt dt (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.5. III. WYKONANIE ĆWICZENIA Aparatura Spektrofotometr, kuwety o grubości 1 cm - szt., kolbka miarowa 50 cm, pipeta 10 cm, pipeta 5 cm, Odczynniki - FeCl 6H O - Na S O 5H O - KSCN - CuSO 4 Pomiary I. Sporządzenie roztworów macierzystych UWAGA! Należy ważyć z dokładnością do czwartego miejsca po przecinku. W kolbie o pojemności 100 ml sporządzić roztwór FeCl o stężeniu mol/dm. Przed uzupełnieniem do kreski należy roztwór zakwasić niewielką ilością stężonego HCl do uzyskania ph ~. W kolbie o pojemności 100 ml sporządzić roztwór Na S O o stężeniu mol/dm. W kolbie o pojemności 100 ml sporządzić roztwór KSCN o stężeniu 0.5 mol/dm. W kolbie o pojemności 50 ml sporządzić roztwór CuSO 4 o stężeniu mol/dm.

4 II. Wyznaczanie molowego współczynnika absorpcji rodankowego kompleksu żelaza(iii) 1. Do kolbki o pojemności 100 cm wlać kolejno roztwory macierzyste w takiej ilości, aby stężenie końcowe po rozcieńczeniu wynosiło odpowiednio: - roztwór FeCl - stężenie końcowe mol/dm - roztwór KSCN - stężenie końcowe 0.05 mol/dm, - uzupełnić roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną.. 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 cm wlać kolejno roztwory macierzyste w takiej ilości, aby stężenie końcowe po rozcieńczeniu wynosiło odpowiednio: - roztwór FeCl - stężenie końcowe mol/dm - roztwór KSCN - stężenie końcowe 0.05 mol/dm - roztwór Na S O - stężenie końcowe mol/dm, - uzupełnić szybko roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną. W momencie dodawania roztworu tiosiarczanu sodu do kolbki włączyć stoper.. 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 cm wlać kolejno roztwory macierzyste w takiej ilości, aby stężenie końcowe wynosiło odpowiednio: - roztwór FeCl - stężenie końcowe mol/dm - roztwór KSCN - stężenie końcowe 0.05 mol/dm - roztwór CuSO 4 stężenie końcowe mol/dm - roztwór Na S O - stężenie końcowe mol/dm, - uzupełnić szybko roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną. W momencie dodawania roztworu tiosiarczanu sodu do kolbki włączyć stoper.. 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..

5 IV. ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW UWAGA: W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia Postępowanie Odczynnik Klasyfikacja Środki bezpieczeństwa z odpadami Chlorek żelaza (III) FeCl Siarczan miedzi (II) CuSO 4 Tiosiarczan sodu Na S O Rodanek potasu KSCN 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 soli nieorganicznych uszkodzenia oczu. Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, wezwać lekarza Przy wdychaniu: świeże powietrze Działa szkodliwie po połknięciu. 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 soli nieorganicznych Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne. objawów skonsultować się z okulistą Może powodować długo utrzymujące się Przy spożyciu podać dużą ilość wody, spowodować wymioty, jeśli poszkodowany niekorzystne zmiany w środowisku wodnym. czuje się niezdrowo wezwać lekarza Nie jest klasyfikowany jako substancja Przy kontakcie z oczami: przepłukac woda. niebezpieczna Przy spożyciu znacznych ilości: wezwać lekarza jeżeli poszkodowany poczuje się niezdrowo. Działa szkodliwie przez drogi oddechowe, w Przy kontakcie z oczami: przepłukać duża ilością wody przy szeroko odchylonej kontakcie ze skórą i po połknięciu. powiece, skonsultować się z okulista. W kontakcie z kwasami uwalnia bardzo Przy kontakcie ze skóra: zmyć dużą ilością wody, zdjąć zanieczyszczone ubranie. toksyczne gazy. Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, spowodować wymioty, natychmiast wezwać lekarza, zastosować płukanie żołądka, podąć węgiel aktywny. Przy wdychaniu: zapewnić dostęp świeżego powietrza, skonsultować się z lekarzem gdy poszkodowany poczuje się niezdrowo. umieścić w pojemniku na odpady roztwory soli nieorganicznych umieścić w pojemniku na odpady roztwory soli nieorganicznych 4

6 V. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Obliczyć molowy współczynnik absorpcji ( ) dla rodankowego kompleksu żelaza(iii) korzystając z równania: gdzie: A - absorbancja roztworu, A c l c - stężenie molowe jonów żelaza(iii) [mol/dm, l - grubość kuwetki [cm. (6). Obliczyć dla każdego czasu aktualne stężenie jonów żelaza(iii): gdzie: [Fe a - początkowe stężenie jonów żelaza(iii), x - stężenie produktu reakcji. a x A l (7). Obliczyć dla każdego czasu aktualne stężenie jonów S O - : gdzie: [S O b x b a [Fe (8) b - początkowe stężenie jonów tiosiarczanowych 4. Obliczyć wartości stałych szybkości dla reakcji bez katalizatora i z katalizatorem korzystając z równania. 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 [Fe + [S O - k [min A [mol/dm [mol/dm [mol -1 dm min 7. Omówić wpływ dodatku jonów miedzi(ii) do mieszaniny reakcyjnej na szybkość przeprowadzanej reakcji. 5

7 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 Praca zbiorowa, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa Barrow G.M., Chemia fizyczna, PWN, Warszawa Pauling L., Pauling P., Chemia, PWN, Warszawa Praca zbiorowa, Fizyczne podstawy chemii, Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Górski A., Chemia, t.1, PWN, Warszawa