Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmującym się szybkością i mechanizmem reakcji chemicznych w różnych warunkach. a RT.

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmującym się szybkością i mechanizmem reakcji chemicznych w różnych warunkach. a RT."

Adam Włodzimierz Maciejewski
7 lat temu
Przeglądów:

1 Ćwiczenie 12, 13. Kinetyka chemiczna. Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmującym się szybkością i mechanizmem reakcji chemicznych w różnych warunkach. Szybkość reakcji chemicznej jest związana z rodzajem reagujących substancji, ich stężeniem, temperaturą reakcji oraz obecnością katalizatorów. Badania szybkości reakcji mają na celu określenie mechanizmu reakcji, jak i również wyznaczenie równania kinetycznego danej reakcji. Znajomość tych dwóch parametrów pozwala tak sterować reakcją, aby zachodziła ona w najkorzystniejszych warunkach i z maksymalnym skutkiem (otrzymywanie maksymalnej ilości produktów). Według teorii zderzeń, aby dwie lub więcej cząsteczek mogły ze sobą przereagować i w efekcie dać cząsteczkę produktu muszą się ze sobą zderzyć. Prawdopodobieństwo takiego zderzenia jest tym większe im więcej jest cząsteczek substratów w mieszaninie reakcyjnej, a więc im większe jest ich stężenie. Szybkość reakcji chemicznej jest zależna od temperatury, w jakiej przebiega ta reakcja. Prawie zawsze szybkość reakcji rośnie ze wzrostem temperatury, przy czym nie jest to wzrost liniowy, lecz wykładniczy. W przybliżony sposób zależność tę podaje reguła van t Hoffa, która stwierdza, że wzrost temperatury o 10 C powoduje wzrost szybkości reakcji 2-4- krotnie. Reguła van t Hoffa ma charakter przybliżony i często występuje ohylenie od tej reguły. Ściślejszą zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury przedstawia równanie Arrhenius a. E a RT k( T ) = A e T 0, T temperatura w jakiej przebiega reakcja, E a energia aktywacji, R stała gazowa ( T ) E 1 ( ) = T0 R T 0 T k a 1 ln k Na szybkość reakcji wpływa również obecność katalizatora. Jest to substancja, która powoduje wzrost szybkości reakcji poprzez obniżenie energii aktywacji. Sama jednak nie zużywa się i w niezmienionej postaci pozostaje po reakcji, dlatego też nie uwzględnia się jej w stechiometrycznym równaniu reakcji. Zjawisko przyspieszania reakcji chemicznych przez katalizator nosi nazwę katalizy. Szybkość reakcji chemicznej zależy zatem od wielu czynników, spośród których należy wymienić: 1. stężenie reagentów, 2. temperaturę, 3. występowanie katalizatora, 4. rodzaj rozpuszczalnika i inne czynniki takie jak np. światło dla reakcji fotochemicznych. Pozas przebiegu reakcji chemicznej, stężenie maleje w wyniku przereagowania kolejnej ilości cząsteczek a więc szybkość reakcji ulega ciągłym zmianom w zależności od stężenia 33

2 cząsteczek reagujących w danej chwili. Na takiej podstawie można stwierdzić, że szybkość reakcji chemicznej jest wielkością zmienną i można ją określić zmian stężenia w czasie. = ± W najprostszym przypadku, gdy reaguje tylko jeden rodzaj cząsteczek, równanie kinetyczne reakcji przedstawia się następująco: = k c c stężenie substratu, t czas, k stała szybkości reakcji. Przekształcając to równanie do postaci: c = k i przyjmując, że na początku reakcji chemicznej, czyli dla t=0 stężenie substratu równe jest c 0 oraz że, po czasie t osiąga stężenie c, możemy powyższe równanie przekształcić do postaci: k = t 1 ln c0 c Dzięki temu równaniu, znając stężenie początkowe substratu c 0 oraz stężenie c po czasie t jesteśmy w stanie wyznaczyć wartość stałej szybkości reakcji chemicznej. Ilościowo szybkość reakcji chemicznej określa się jako zmianę stężenia substratu lub produktu w jednostce czasu i dla reakcji typu: A + B C równanie określające szybkość reakcji ma postać = A = B c A, c B, c C stężenia molowe substancji A,B, C. C = + Z uwagi na to, że stężenie substratów A i B ulega zmniejszeniu w czasie trwania reakcji wielkości A i B mają wartości ujemne. Znajomość mechanizmu reakcji pozwala na uzyskanie informacji nie tylko o tym, jakie reagenty biorą udział w reakcji ale także czy reakcja przebiega bezpośrednio, czy z etapami pośrednimi, czy przemiana chemiczna zaszła do końca. Aby poznać mechanizm reakcji 34

3 chemicznej należy uprzednio określić jej rzędowość i cząsteczkowość. W badaniach kinetycznych zasadnicze znaczenie ma ustalenie rzędu reakcji. Jeżeli w reakcji bierze udział tylko jedna cząsteczka, wówczas reakcję taką nazywamy reakcja jednocząsteczkową lub monomolekularną. Szybkość takiej reakcji opisuje równanie kinetyczne pierwszego rzędu: = k. Jeżeli reakcja przebiega z udziałem dwóch cząsteczek to reakcja jest dwucząsteczkowa, a jej szybkość wyraża równanie kinetyczne drugiego rzędu: c A = k c 2 A lub k c A c B =. Jeżeli w reakcji chemicznym biorą udział trzy cząsteczki to reakcja jest trójcząsteczkowa, a szybkość takiej reakcji mogą wyrażać równania kinetyczne: = k c 2 A lub = k c 2 A c B lub = k ca cb cc Sumarycznym rzędem reakcji nazywamy sumę wykładników potęgowych w jakich występują stężenia w równaniu kinetycznym. Najczęściej rząd reakcji nie odpowiada liczbie reagujących cząsteczek równania kinetycznego. Dla reakcji przedstawionej sumarycznym równaniem stechiometrycznym: szybkość reakcji wyraża równanie: aa + bb + cc +... =... a b c = k ca cb cc... rząd reakcji określa suma wykładników: a + b + c

4 1. Ćwiczenie praktyczne. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji I rzędu dla katalizowanej kwasem hydrolizy octanu metylu (etylu lub butylu) w temperaturze otoczenia (~20 C), 30 C, 40 C lub innych. Celem ćwiczenia jest: wyznaczenie stałej szybkości reakcji hydrolizy octanu metylu na podstawie miareczkowania alkacymetrycznego, sprawdzenie reguły van Hoff a, wyliczenie energii aktywacji dla reakcji hydrolizy octanu metylu z równania Arrheniusa, analiza zależności szybkości reakcji w tej samej temperaturze od obecności katalizatora Sprzęt laboratoryjny: łaźnia wodna (termostat), dwie zlewki na min 150 cm 3, pipeta 5 cm 3 wraz z pompką, biureta, cylinder miarowy 100 cm 3, kolba ze szlifem na 250 cm 3 (z korkiem) stoper, tryskawka Ozynniki: octan metylu (etylu, butylu) CH 3 COOCH 3 (CH 3 COOCH 3 CH 2, CH 3 COOCH 3 CH 2 CH 2 ), 0,1m HCl, 0,1m NaOH, fenoloftaleina, lód, woda destylowana Opis ćwiczenia: W wyniku reakcji hydrolizy octanu metylu (etylu lub butylu) powstaje kwas octowy i odpowiedni alkohol (metylowy, etylowy, butylowy): CH 3 COOCH 3 + H 2 O = CH 3 COOH + CH 3 OH Stopień przereagowania odpowiedniego octanu może być określony na podstawie miareczkowania powstałego kwasu octowego zasadą sodową w obecności wskaźnika fenoloftaleiny. Reakcja ta jest reakcją dwucząsteczkową, ale z uwagi na duże stężenie wody w porównaniu ze stężeniem estru, nie ulega ono zmianie i reakcję tę można traktować jako reakcję pierwszego rzędu. Proces hydrolizy estru przebiega bardzo powoli. Można go przyspieszyć przez dodanie jonów wodorowych, które katalizują reakcję. Dlatego też w środowisku kwaśnym reakcja ta przebiega znacznie szybciej. Stałą szybkości tej reakcji oblicza się na podstawie wzoru: 1 s 1 = k 2,303 log 0 t t - objętość zużyta do miareczkowania odpowiadająca całkowitemu przereagowaniu 0 - objętość pierwszego miareczkowania, - objętość zużyta do miareczkowania po czasie t. t lub na postawie wykresu zależności 0 log = f ( t) t 36

5 Wykonanie doświazenia: 1. Do kolby ze szlifem na 250 cm 3 a. wlać 100 cm 3 0,1m HCl i odstawić na około minut, (wyższe temperatury - wstawić do łaźni wodnej) reakcja katalizowana kwasem b. wlać 100 cm 3 wody destylowanej odstawić na około minut, (wyższe temperatury - wstawić do łaźni wodnej) reakcja niekatalizowana 2. Do dwóch zlewek na min 150 cm 3 (przeznaczonych do miareczkowania) wlać około cm 3 wody destylowanej oziębionej lodem, 3. W celu zapoczątkowania reakcji wlać 100 cm 3 CH 3 COOCH 3 (CH 3 COOCH 3 CH 2, CH 3 COOCH 3 CH 2 CH 2 ), do kolby ze szlifem zawierającą 0,1m HCl lub wodę destylowaną (w zależności od przeprowadzanej reakcji katalizowanej lub niekatalizowanej), 4. Energicznie wstrząsnąć kolbę i NATYCHMIAST przenieść po 5 cm 3 roztworu do dwóch zlewek zawierających oziębioną wodę, uruchomić stoper, 5. Kolbę z mieszaniną kwasu (wody) oraz estru pozostawić w odpowiednich warunkach temperaturowych. 6. Miareczkować utworzony kwas octowy (wobec fenoloftaleiny) aż do uzyskania trwałego różowego zabarwienia, (miareczkowanie wykonać dla dwóch próbek w tym samym czasie), 7. Miareczkować kolejne porcje roztworu co pewien okres czasu, np.: co 5 minut (0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 minut). 8. Ostatni pomiar wykonać po pewnym dłuższym czasie ~90 minutach. Opracowanie wyników: 1. Wartości zmierzone pozas zajęć zebrać w tabeli: t [s] NaOH [cm 3 ] t 0 log k 0 ( 0 ) pomiar ostatni np. po 5400 ( ) 2. Sporządzić wykres zależności 0 = f ( t) arkuszu kalkulacyjnym Excel, - - wartość średnia k śr = 1 s log - papier milimetrowy lub w t 37

6 1 3. Obliczyć wartość k zgodnie z równaniem = k 2,303 log 0, t t 4. Wyznaczyć skałą szybkości na podstawie wykresu (pkt. 2) 5. Sprawdzić słuszność reguły van t Hoffa porównać stałe szybkości reakcji hydrolizy octanu metylu (etylu, butylu) dla temperatury otoczenia i innych wykonywanych na ćwiczeniach (30 C, 40 C itp.) 6. Wyznaczyć energię aktywacji reakcji, z równania Arrheniusa (dane z pomiarów w innej temperaturze dla jednego rodzaju estru) 7. Sformułować wnioski z doświazeń: a. porównać wyliczone stałe szybkości dla reakcji katalizowanej i niekatalizowanej b. porównać stałe szybkości wyliczone dla reakcji katalizowanych i niekatalizowanych dla różnych temperatur Wyznaczanie stałej szybkości reakcji hydrolizy estru metodą graficzną: log 0 t tg α= k t, s 38

Podobne dokumenty

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy estru

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy estru ćwiczenie nr 25 opracowała dr B. Nowicka, aktualizacja D. Waliszewski Zakres zagadnień obowiązujących do