Ćwiczenie 8 Wyznaczanie stałej szybkości reakcji utleniania jonów tiosiarczanowych

Transkrypt

1 CHEMI FIZYCZN Ćwiczenie 8 Wyznaczanie stałej szybkości reakcji utleniania jonów tiosiarczanowych W ćwiczeniu przeprowadzana jest reakcja utleniania jonów tiosiarczanowych za pomocą jonów żelaza(iii). Przebieg reakcji można przedstawić sumarycznym równaniem: 3 2Fe 2S O 2Fe S O W rzeczywistości reakcja składa się z dwóch etapów: etap I Fe S O FeS O reakcja powolna etap II FeS O FeS O 2Fe S O 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[s2o3 k [Fe [S2O3 (1) 4 6 gdzie: [S 2 O 3 2- i [Fe - stężenia obu jonów w danej chwili t, k - stała szybkości reakcji. Oznaczając początkowe stężenie [Fe jako a, natomiast stężenie [S 2 O 3 2- jako b oraz stężenie produktu reakcji w czasie t jako x otrzymujemy: a po scałkowaniu tego równania: dx dt k ( a x) ( b x) (2) b ( a x) k 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[s2o3 k [Cu [Fe [S2O3 (4) 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[s2o3 ' 3 = k [Fe [S2O3 (5) (3) 1

2 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. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałych szybkości opisanej reakcji bez katalizatora i z katalizatorem. LITERTUR 1. Smoczyński L., Kalinowski S., Wasilewski J., Karczyński F., Podstawy chemii fizycznej z ćwiczeniami, Wyd. UWM, Olsztyn Chemia fizyczna. Praca zbiorowa. PWN, Warszawa Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna, t.1. Podstawy fenomenologiczne, PWN, Warszawa Praca zbiorowa, Eksperymentalna 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 ZGDNIENI 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 - metody wyznaczania stałej szybkości i rzędowości reakcji chemicznych. SPRZĘT I ODCZYNNIKI - spektrofotometr, - kuwety o grubości 1 cm - 3 szt., - kolbka miarowa 50 cm 3, - pipeta 10 cm 3, - pipeta 5 cm 3, - FeCl mol/dm 3 zakwaszony kwasem solnym, - Na 2 S 2 O mol/dm 3, - KSCN 0.25 mol/dm 3, 2

3 - CuSO mol/dm 3. WYKONNIE POMIRÓW I. Wyznaczanie molowego współczynnika absorpcji rodankowego kompleksu żelaza(iii) - 5 cm 3 roztworu FeCl 3 o stężeniu mol/dm 3, zakwaszonego kwasem solnym, - 10 cm 3 roztworu rodanku potasu o stężeniu 0.25 mol/dm 3, - uzupełnić roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną. Do roztworów należy używać pipety i zlewki przeznaczone do danego roztworu, wyraźnie opisane. 2. Zmierzyć absorbancję roztworu przy długości fali 480 nm, stosując wodę jako odnośnik. Zwrócić uwagę, aby kuwetki były właściwie umieszczone w gnieździe pomiarowym, tak przezroczyste ścianki znajdowały się na drodze optycznej spektrofotometru. UWG Etapy II i III ćwiczenia należy prowadzić równolegle. Po przygotowaniu mieszaniny reakcyjnej z punktu II należy przygotować mieszaninę reakcyjną opisaną w punkcie III. II. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji bez katalizatora - 5 cm 3 roztworu FeCl 3 o stężeniu mol/dm 3, - 10 cm 3 roztworu KSCN o stężeniu 0.25 mol/dm 3, - 10 cm 3 roztworu Na 2 S 2 O 3 o stężeniu mol/dm 3, - 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 480 nm, stosując wodę jako odnośnik. Pierwszy pomiar należy wykonać po 10 minutach od chwili dodania tiosiarczanu. III. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji z katalizatorem - 5 cm 3 roztworu FeCl 3 o stężeniu mol/dm 3, - 10 cm 3 roztworu KSCN o stężeniu 0.25 mol/dm 3, - 5 cm 3 roztworu CuSO 4 o stężeniu mol/dm 3-10 cm 3 roztworu Na 2 S 2 O 3 o stężeniu mol/dm 3, - uzupełnić szybko roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną. W momencie dodawania roztworu tiosiarczanu sodu do kolbki włączyć stoper. 3

4 2. Po wymieszaniu roztworu w kolbce wlać go do kuwetki i mierzyć absorbancję co 10 minut w ciągu 90 minut przy długości fali 480 nm, stosując wodę jako odnośnik. Pierwszy pomiar należy wykonać po 10 minutach od chwili dodania tiosiarczanu. OPRCOWNIE WYNIKÓW 1. Obliczyć molowy współczynnik absorpcji ( ) dla rodankowego kompleksu żelaza(iii) korzystając z równania: gdzie: c l - absorbancja roztworu, c - stężenie molowe jonów żelaza(iii) [mol/dm 3, l - grubość kuwetki [cm. (6) 2. Obliczyć dla każdego czasu aktualne stężenie jonów żelaza(iii): 3 [Fe a x l gdzie: a - początkowe stężenie jonów żelaza(iii), x - stężenie produktu reakcji. (7) 3. Obliczyć dla każdego czasu aktualne stężenie jonów S 2 O 2-3 : 3 [S2O3 b x b a [Fe (8) gdzie: b - początkowe stężenie jonów tiosiarczanowych, 4. Obliczyć stopień przemiany α korzystając z równania: 5. Obliczyć wartości stałych szybkości dla reakcji bez katalizatora i z katalizatorem korzystając z równania Obliczyć średnie wartości stałych szybkości dla reakcji bez katalizatora (k) i z katalizatorem (k ). 7. Wyniki obliczeń dla reakcji bez katalizatora i z katalizatorem umieścić w tabeli 1. Tabela 1. Wyniki eksperymentów i obliczeń Czas [min bsorbancja [Fe [mol/dm 3 [S 2 O 3 2- [mol/dm 3 Stopień przemiany k [mol -1 dm 3 min 8. Narysować na jednym wykresie absorbancję obu roztworów w funkcji czasu. 4

5 9. Narysować na jednym wykresie stopień przemiany w funkcji czasu dla obu roztworów i odczytać z niego czasy połowicznej przemiany. 10. Omówić wpływ dodatku jonów miedzi(ii) do mieszaniny reakcyjnej na szybkość przeprowadzanej reakcji i na podstawie literatury wyjaśnić mechanizm działania katalitycznego jonów miedzi(ii). 5