ĆWICZENIE NR KINETYKA REAKCJI CHEMICZNYCH I KATALIZA Cel ćwiczenia Badanie wpływu temperatury i atalizatora na szybość reacji. Zares wymaganych wiadomość. Szybość reacji chemicznych definicja, jednosti.. Wpływ temperatury i stężenia na szybość reacji chemicznych.. Reguła van`t Hoffa. 4. Kataliza. Podstawy teoretyczne Prawa rządzące przebiegiem reacji chemicznych w czasie są przedmiotem badań inetyi reacji.nietóre reacje chemiczne przebiegają szybo, inne rozpoczynają się energicznie, a następnie ulegają zahamowaniu, jeszcze inne rozpoczynają się powoli, a następnie ulegają przyspieszeniu... Szybość reacji chemicznych Substratami nazywamy cząsteczi substancji wchodzące w reację, a produtami cząsteczi powstające w wyniu reacji. Średnia szybość reacji w oreślonym przedziale czasu i w oreślonej temperaturze jest równa zmianie stężenia jednego z substratów lub produtów w jednostce czasu. Jeśli w czasie t i t stężenie produtu wynosi odpowiednio C i C (patrz rys..), to średnią szybość ( r ) reacji w przedziale czasu t do t można zapisać: sr C t C t C t (.) Gdy np. w ciągu 00 s stężenie produtu reacji wzrośnie z 0,5 do 0,5 mola/dm, to średnia szybość reacji wyniesie: śr 0,5mola / dm 0,5mola / dm 00s, 0 mola / dm 4 Aby wyrażenie na szybość było stale dodatnie, zmianę stężenia substratu w czasie zapisuje się w postaci: s gdyż stężenie substratu maleje w czasie. sr C t (. )
Rys... wyres zależności stężenia produtów reacji od czasu. Średnia szybość reacji nie jest jednaowa w przedziale czasu t i zachodzi onieczność znalezienia wyrażenia na szybość chwilową. Wyrażenie to oreśla się granicą, do tórej dąży stosune C/t przy t0, czyli pochodną stężenia względem czasu (dc/dt): t C t t0 dc dt (. ) W dowolnym momencie szybość reacji równa jest tangensowi nachylenia rzywej c=f(t) w rozpatrywanym puncie (rys..). dc dt tg (.4) Szybość reacji chemicznych jest proporcjonalna do stężenia reagujących substancji chemicznych (substratów), gdyż wzrasta liczba zderzeń reagujących ze sobą cząstecze. W stałej temperaturze szybość reacji chemicznej jest funcją iloczynu stężeń reagujących substancji. Dla reacji A+B C szybość reacji oreślona równaniem: = [A] [B] (.5) [A],[B]- stężenie substratów w danej chwili, - współczynni proporcjonalności, zwany współczynniiem szybości reacji lub stałą szybości reacji. Jeżeli mamy do czynienia z reacją, w tórej dwie cząsti substancji A reagują z jedną cząsteczą substancji B to: na przyład: A + B C = [A] [B] (.6 ) NO + O NO = [NO] [O ] (.7 ) Równanie A+B C+D przedstawia schematycznie reację odwracalną. Szybość tworzenia produtów Ci D jest w miarę ubywania substratów A i B coraz mniejsza, zgodnie z równaniem:
= [A] [B] (.8 ) W miarę powstawania produtów C i D wzrasta szybość reacji w przeciwną stronę, a więc szybość tworzenia się substancji A i B z substancji C i D. Szybość reacji w przeciwną stronę można wyrazić za pomocą: = [C] [D] (.9 ) Gdy po pewnym czasie szybości obu reacji zrównają się (stan równowagi) wtedy: K stała równowagi chemicznej. = [A] [B]= [C] [D] (.0 ) K C D A B C D A B (. ) (. ) W stanie równowagi dla danej temperatury stosune iloczynu stężeń molowych produtów reacji do iloczynu stężeń molowych substratów jest wielością stałą i nosi nazwę stałej równowagi reacji chemicznej (prawo działania mas sformułowane przez Guldberga i Waage go). W przypadu, gdy współczynnii reacji są więsze od jedności wtedy stanowią wyładnii potęgowe równania równowagi: ma+nb pc+qd K p q C D A m B n (. ) Więszość reacji chemicznych należy do odwracalnych. Często jedna dochodzi do prawie całowitego wyczerpania substratów i taie reacje nazywamy w pratyce nieodwracalnymi. Do nieodwracalnych należą taże reacje, w tórych produtami są substancje słabo rozpuszczalne, słabo zdysocjowane lub gazowe, np.: Na CO +HCl NaCl + H O +CO BaCl + H SO 4 BaSO 4 + HCl Szybość reacji chemicznych zależna jest nie tylo od stężenia substratów, lecz również od innych czynniów: temperatury, charateru substancji reagujących, środowisa, obecności atalizatorów. Podwyższenie temperatury w znacznym stopniu zwięsza szybość reacji. Zależność tę w sposób przybliżony oreśla reguła van`t Hoffa, tórą można wyrazić wzorem: Jeżeli C =C =C wtedy: n T T 0 (.4 ) = C (.5 ) = C (.6 ) (.7 )
gdzie:, szybości reacji w temperaturach T i T,, - stałe szybości reacji w temperaturach T i T. Współczynni n może się zmieniać w szeroich granicach od ooło,4 do 7 (najczęściej jedna od do 4). Wzór wyrażający zależność stałej szybości reacji od temperatury wprowadził Arrhenius: gdzie: A stała, E - energia atywacji. E A T lg (.8 ) Równanie Arrheniusa można też przedstawić następująco: lg E T T,0 R T T (.9 ) gdzie:, stałe szybości reacji w temperaturach T i T, R - uniwersalna stała gazowa... Kataliza Katalizą nazywamy samo zjawiso przyśpieszani lub opóźniania reacji pod wpływem atalizatora. Inhibitory czyli atalizatory ujemne to substancje hamujące szybość reacji chemicznych. Kontatami nazywamy atalizatory w stanie stałym przyśpieszające reację w środowisu ciełym lub gazowym, np.: SO O at. SO at. - (pięciotlene wanadu). O 5 Autoatalizą nazywa się atalityczne działanie substratów lub produtów reacji, a same substancje wywołujące atalizę nazywamy autoatalizatorami. Katalizą jednofazową nazywamy atalizę zachodzącą w uładzie, w tórym wszystie substancje wraz z atalizatorami tworzą jedną fazę (np. reacja zachodzi między gazami, przy czym atalizatorem jest substancja gazowa). W atalizie wielofazowej atalizator stanowi inną fazę niż substancje reagujące (np. platyna przy utlenianiu amoniau). Katalizatory w zasadzie nie zużywają się w reacji, chociaż często zmieniają swą postać. Na przyład w reacji rozpadu czarny, rystaliczny dwutlene manganu KClO MnO KCl O (braunsztyn) użyty jao atalizator zmienia swą postać na drobny brązowy prosze. W atalizie heterogennej przy użyciu ontatów zachodzi zjawiso adsorbcji (zmiana stężenia substancji w warstwie powierzchniowej). Proces ontatowy (atalizator w fazie stałej a reagenty są gazami lub cieczami) przebiega w następujących po sobie etapach:. dyfuzja substratów do powierzchni ontatu,. chemisorpcja substratu, np. A na powierzchni atalizatora (K); tworzy się związe przejściowy AK,. reacja substratu B ze związiem AK; powstaje chemisorbowany produt ABK (lub CK), 4. desorpcja chemisorbowanego produtu C połączona z rozerwaniem wiązań z atomami na powierzchni atalizatora, 5. dyfuzja produtu w głąb fazy gazowej lub ciełej. 4
Rys... Zależność energii oddziaływań od drogi przemiany dla reacji jednoetapowej nieatalizowanej (linia przerywana) oraz dla tej samej przemiany jao proces ontatowy... Przebieg ćwiczenia.. Badanie wpływu temperatury i atalizatorów na szybość rozładu omplesu Fe III z jonami S O Ćwiczenie obejmuje trzy lub cztery pomiary szybości reacji wyonywane zawsze z tych samych ilości substratów w różnych warunach:. Temperatura początowa (zadana). Ta sama temperatura + atalizator i 4.Temperatura więsza o 0 o C lub 0 o, odpowiednio. Każdy pomiar należy wyonywać w następujący sposób: Do jednej probówi odmierzyć cm M roztworu tiosiarczanu sodu (Na S O ), a do drugiej cm M roztworu chloru żelazowego (FeCl ). Przygotować probówi do wszystich pomiarów i umieścić je w termostacie o temperaturze początowej i odczeać o. 5 min, aż roztwory uzysają temperaturę ąpieli wodnej. Wyonać pomiar nr, wlewając szybim ruchem roztwór tiosiarczanu sodu (Na S O ) do roztworu chloru żelazowego (FeCl ). Zmierzyć stoperem czas, tóry upłynął od chwili zmieszania roztworów do momentu przejścia barwy czerwono-fioletowej w olor zbliżony do oloru roztworu FeCl. W czasie przebiegu reacji probówa powinna pozostawać w ąpieli wodnej, a roztwór należy wstrząsać. W pomiarze nr przed zmieszaniem roztworów do probówi zawierającej FeCl należy dodać atalizator - roplę 0, M roztworu CuSO 4. Pozostałe czynności są taie same ja przy pomiarze nr. Podobnie wyonać pomiary i 4 w temperaturach odpowiednio podwyższonych o 0 o C lub 0 o C. Po wyonaniu ażdego pomiaru zanotować czas i waruni przebiegu reacji. Ze wzoru (.4) wyliczyć wartości współczynnia temperaturowego n.... Kataliza homogeniczna Do olb stożowych wlać po: 0 cm 0, M roztworu szczawianu amonowego (COONH 4 ), 0 cm M roztworu wasu siarowego H SO 4 oraz odpowiednio: 0,0;,0;,0; cm,00 M roztworu siarczanu manganawego MnSO 4. Do ażdej z olb dodać olejno cm 0,00 M roztworu KmnO 4 i wstrząsając olbą zmierzyć czas odbarwiania się roztworu. 5
... Kataliza heterogeniczna Do dwóch probówe odmierzyć po 5 cm wody utlenionej (% H O ). Do pierwszej dodać niewielą ilość dwutlenu manganu (MnO ). Należy obserwować obie probówi i ocenić wpływ MnO na szybość reacji: Opracowanie wyniów. Opisać sposób wyonania ćwiczeń.. Napisać odpowiednie reacje chemiczne: H O H O + O FeCl + Na S O (NH 4 ) C O 4 + KMnO 4 + H SO 4.Wypełnić tabelę i przeprowadzić obliczenia współczynnia n w ćwiczeniu nr... wg wzoru (.4) Lp Temperatura t o C Katalizator Czas reacji t s Szybość t s - 4 4. Przedstawić wniosi z poszczególnych doświadczeń. Literatura. L. Pajdowsi: Chemia ogólna, PWN, Warszawa, 985r. 6