кинетика растворения бензойной кислоты doc

Кинетика растворения бензойной кислоты
Цель работы: Изучение кинетики растворения бензойной кислоты в воде
1.1. Определить константу скорости растворения бензойной кислоты в воде.
1.2. Определить порядок процесса растворения бензойной кислоты в воде.
1.3. Определить энергию активации при растворении бензойной кислоты.
1.4. Определить константу скорости процесса растворения бензойной кислоты при любой
температуре, используя температурный коэффициент.
2. Теоретические основы.
2.1. Понятие о кинетике химических процессов.
Химическая кинетика – учение о закономерностях протекания химических
процессов во времени.
В зависимости от агрегатного состояния реагирующих веществ процессы могут
быть гомогенными и гетерогенными.
Гомогенные процессы протекают в объеме, гетерогенные – на поверхности раздела
фаз.
2.2. Кинетика гетерогенных процессов
К гетерогенным процессам относятся: химическое взаимодействие твердых
веществ, процессы растворения твердых тел и газов, испарение, кристаллизация.
Во всяком гетерогенном процессе взаимодействие происходит на поверхности
раздела между фазами или в непосредственной близости от нее.
Процесс растворения твердого тела сводится к переходу его из одной фазы в
другую без изменения химического состава фаз.
Растворение твердых тел (бензойной кислоты, поваренной соли и т.д.) распадается
на две стадии: собственно растворения, идущего со скоростью V1и отвод
растворенного вещества в объем путем диффузии (скорость V2).
Обе ступени имеют разные скорости, причем V1 > V2 (рис. 1), процесс растворения
определяется самой медленной, обычно диффузионной стадией (V2).
При растворении твердого тела образуется концентрированный раствор в
диффузном слое АВЕД (концентрация С, рис.1).
А
твердое тело
D
С0
V1
B ________δ_________
растворитель
С
V2
E
Рис. 1. Растворение твердого вещества в жидком растворителе (С0 – концентрация
вещества в диффузном слое; С – концентрация вещества в растворителе; δ – толщина
диффузного слоя; V1 – скорость растворения твердого тела в диффузном слое; V2 –
скорость диффузии растворенного вещества в растворителе).
Процесс выравнивания концентраций по всему объему идет очень медленно.
Перемешивание ускоряет этот процесс.
При перемешивании выравниваются концентрации в большей части объема, но у
самой поверхности раздела всегда остается небольшой неперемешивающийся слой (δ),
называемый диффузным.
Изменение концентрации в приповерхностном слое показано на рис.2.
Рис.2 Изменение концентрации в приповерхностном слое (АВЕD).
Рассматривая скорость процесса растворения твердого тела в жидкости, можно
принять, что в части, непосредственно прилегающей к твердому телу (АВ рис.1,2), слой в
большей степени приближается к состоянию равновесия с твердым телом, и концентрация
растворенного вещества в нем приближается к концентрации насыщенного раствора (Со).
В части слоя, прилегающей к внутреннему объему жидкости (ДЕ рис1,2), концентрация
растворенного вещества приближается к концентрации С в остальном объеме жидкости.
Скорость диффузии (V1, рис. 1) будет тем больше, чем больше различия в концентрации
(Со – С) диффундирующего вещества.
Количественно скорость растворения может быть выражена уравнением:
dn
D*S
――
= ――― (Со – С)
(1)
dτ
δ
n - число молей диффундирующего вещества;
τ – время диффузии; D – коэффициент диффузии;
S – величина поверхности соприкосновения фаз;
δ – толщина диффузного слоя;
Со – концентрация растворенного вещества в насыщенном слое (АВ, рис 1,2):
С – концентрация растворенного вещества в объеме раствора.
Изменение числа молей dn можно заменить соотношением
dn = V* dc
(2)
где V - объем раствора; dC – изменение концентрации в объеме раствора.
Подставив уравнение (2) в (1), получим:
dc
D*S
――
= ――― (Со – С)
(3)
dτ
V *δ
Обозначим постоянные для данных условий величины через константу (К):
D*S
К = ――――
(4)
V* δ
тогда уравнение (3) примет вид:
dc
――― = К (Со – С)
dτ
(5)
Полученное уравнение идентично кинетическому уравнению реакции первого порядка:
dc
――― = К* С
dτ
(6)
dc
――― = К* d* τ
(Со – С)
(7)
Со
ln ―――
Со – С
(9)
=К*τ
Полученное уравнение представляет собой уравнение прямой линии типа у = εх, (10)
выходящей из начала координат.
Если построить график в координатах ln Со/Со-С=f(τ) (рис.3), то получим
прямую линию ОВ, выходящую из начала координат. Тангенс угла φ наклона этой линии
(ОВ) к оси абсцисс равен константе К. Построив любой прямоугольный треугольник с
гипотенузой на линии ОВ, можно определить константу скорости процесса растворения
твердого тела:
К = tgφ = | ВС| / |АС|
(11)
Величины катетов (ВС и Ас) берут, учитывая масштаб графика.
Рис. 3 Зависимость ln Cо/Со-С
2.3. Определение порядка реакции.
Под порядком понимают сумму показателей степеней при концентрациях в уравнении
скорости реакции (6). Порядок реакции проще всего определяется методом подбора
уравнений.
Метод подбора уравнений основан на подстановке концентрации регулирующего
(растворяющегося) вещества для каждого момента времени о начала реакции в
кинетические уравнения первого, второго порядков. Порядок реакции соответствует
уравнению, для которого рассчитанная константа в различные моменты времени остается
постоянной.
Графический метод определения порядка реакции заключается в определении
такой функции, согласно которой зависимость от времени выражается прямой линией.
Для реакции первого порядка такой зависимостью является ln Cо/(Со-С) = f(C) или
ln Cо/С=f(C). Для реакции второго порядка (Со-С)/(Со-С)= f(C) или 1/С = f(C).
2.4. Влияние температуры на скорость реакции. Энергия активации.
Для всякого процесса существует промежуточная стадия перехода нормальных
молекул в активные, между которыми устанавливается равновесие.
Энергия активации (Е) – это то избыточное количество энергии (по сравнению со
средней величиной), которой должна обладать молекула, чтобы быть способной к
данному взаимодействию. С увеличением температуры количество активных молекул
увеличивается.
Влияние температуры на процесс растворения твердого тела можно выяснить,
определяя константы скорости при различных температурах. Скорость почти всех
процессов возрастает с повышением температуры. Отношение констант скоростей при
двух температурах, отличающихся на 10, называется температурным коэффициентом γ:
γ =( Кt+10) / Кt
(12)
где Кt+10 - константа скорости при температуре t+10o,
Kt - константа скорости процесса при температуре.
При γ < 5 для набольших интервалов температуры можно рассматривать γ как
постоянную и выражать приближенную константу скорости Кt+n*10 при какой-нибудь
температуре (t+n*10) через Kt и γ соотношением:
Кt+n*10 = Kt * γ
(13)
Здесь n может быть как целым, так дробным числом, т.е. интервал между этими
температурами не обязательно должен быть кратным десяти.
Это соотношение (11) позволяет, зная константу скорости данного процесса при
двух температурах, приближенно определить их для других (лучше промежуточных)
температур. Более точную зависимость константы скорости К от температуры дает
дифференциальная форма.
Уравнение Аррениуса: dlnK /dT = Е / RT2
(14)
где К – константа скорости процесса
Т – температура в градусах Кельвина
Е – энергия активации (Дж/моль)
R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль. град.).
При проведении процесса при двух температурах (T1 и Т2) можно
дифференциальную форму уравнения Аррениуса представить в интегральном виде:
ln K1 / К2 = (E (T2 – T1)) /( R * T2 * T1)
(15)
где K1 и К2 - константы скорости при температурах T1 и T2
3. Материальное обеспечение.
3.1. Реактивы:
Столбик бензойной кислоты на стеклянной палочке; насыщенный водный раствор
бензойной кислоты; 0,01н раствор NaOH; 1%-ный спиртовой раствор фенолфталеина,
дистиллированная вода.
3.2 Оборудование:
Магнитная мешалка, стакан объемом 200 мл; конические колбы объемом 100 мл (для
титрования); пипетка емкостью 5 мл; бюретка; капельница; магнитик; электроплитка;
термометр (20-100оС); штатив.
4. Указание по технике безопасности.
Прежде чем приступить к работе, проверьте, работает ли магнитная мешалка.
При попадании щелочи на открытые участки кожи, промойте их большим
количеством воды.
Помните, что все реактивы в некоторой степени ядовиты, поэтому после работы
вымойте руки.
5. Рабочее задание и методические указания по выполнению.
5.1. В стакан опустите магнитик и столбик бензойной кислоты, закрепленный в штативе.
Величина зазора между магнитом и столбиком бензойной кислоты должна быть 2-3 см.
Залейте в стакан дистиллированную воду. Уровень воды должен быть на 2-3 см выше
столбика бензойной кислоты. Время погружения бензойной кислоты в воду отметьте как
начальное (τо). Включите магнитную мешалку.
Через заданные преподавателем промежутки времени отбирайте по 3мл раствора
бензойной кислоты, не выключая мешалку. Оттитруйте бензойную кислоту 0,01н
раствором NaOH в присутствии 1-2 капель фенолфталеина до появления бледно-розовой
окраски, не исчезающей в течение 1-2 минут.
Для снижения ошибки опыта отбирайте пробы из одного и того же места.
Концентрацию бензойной кислоты в любой момент времени (С) определяйте по
формуле:
С = (Cщ * Vщ) / Vк
(16)
где Cщ - концентрация используемой для титрования щелочи (экв/л):
Vщ - объем щелочи, пошедший на титрование бензойной кислоты (мл);
Vк - объем кислоты, взятой на анализ (3 мл).
Концентрацию Со - определите, оттитровав 3 мл насыщенного раствора бензойной
кислоты 0,1н раствором NaOH в присутствии фенолфталеина. Опыт проделайте 3 раза,
затем найдите средний объем щелочи, пошедший на титрование бензойной кислоты, и по
нему Со по формуле (16). Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.
Таблица 1
время
начала
опыта
время
отбора
проб, τ
мин
объем
0,01н
NaOH
пошедшей
на
титрование
бензойной
кислоты,
мл
концен- Со/(Со-С)
трация
раствора
бензойн.
кислоты,
С1 , Со
lnСо/( СоС)
константа скорости растворения бензойной
кислоты,
мл
относите
льная
ошибка
%,Q
Константу скорости растворения бензойной кислоты рассчитайте по уравнению (9).
Найдите среднее значение константы скорости по формуле:
Кср = (К1+К2+ ...Кn) / n
(17)
где К1,К2,Кn - значения констант скорости, определенные в каждый момент времени, n число определений.
Полученные значения константы скорости (К1+К2+ ...Кn) сравните либо со средним
значением (Rch)? либо со значением константы скорости, найденным графическим путем
(рис. 3, формула 11). Для этого подсчитайте относительную ошибку (см. формулы 18,19).
Полученные значения относительных ошибок позволяет определить, соответствует
ли процесс растворения бензойной кислоты предложенному для расчета кинетическому
уравнению реакции первого порядка (9).
Относительную ошибку определяют по формуле:
Qi = ((/Кср - Кi/) / Кср) * 100 (%)
(18)
или
Qi = ((/Кгр - Кi/) / Кгр) * 100 (%)
(19)
где Кср и Кгр - среднее значение константы скорости или найденное графическим путем
значение константы скорости;
Кi - значение i-той константы скорости.
Подставив все значения константы скорости в формулу (18) или (19), находят все n
значения относительных ошибок.
Если относительная ошибка находится в пределах 10%, то изучаемый процесс
растворения бензойной кислоты соответствует кинетическому уравнению реакции
первого порядка (9).
5.2. Для определения энергии активации (Е) проведите опыт при нескольких
температурах.
Налейте в стакан с магнитиком и столбиком бензойной кислоты подогретую на
плитке дистиллированную воду. Включите магнитную мешалку. Через заданный
преподавателем промежуток времени отберите пробу бензойной кислоты. Измерьте
термометром температуру раствора (t1). Доливая воду (горячую или холодную), повторите
опыт несколько раз, замеряя каждый раз температуру (t1,t2 …tn).
Отбор проб и определение С и Со проводите, как в опыте 5.1.
Результаты опыта запишите в табл. 2.
Таблица 2.
температура
опыта, Со
время
растворения
бензойной
кислоты.
объем,
0,01н
NaOH
пошедшей
на титрование бензой
ной кислоты
концентрация
растворения бензойной
кислоты,
С, Со
ln Co/(Со-С)
константа
скорости
растворения
бензойной
кислоты,
К
энергия активации процесса растворения бензойной
кислоты,
Е
Энергию активации процесса растворения бензойной кислоты определите по
формуле (15).
Найдите, как изменяется энергия активации при увеличении температуры на один
градус. Для этого воспользуйтесь формулой:
ΔЕ = Е1/(ti+1 - ti)
(20)
где Е1 - энергия активации процесса растворения бензойной кислоты при повышении
температуры от ti до ti+1 .
5.3. Рассчитайте температурный коэффициент процесса растворения бензойной кислоты γ
(12). Определите по формуле (13) константу скорости для любой температуры (по
заданию преподавателя).
На основании полученных результатов сделайте выводы.
6. Контрольные вопросы.
6.1. Что понимают под кинетикой химических процессов?
6.2. Объясните механизм растворения твердых тел.
6.3. Что такое «диффузный слой»?
6.4. Как количественно можно определить скорость растворения твердого тела?
6.5. Что понимают под порядком реакции?
6.6. Как определяют порядок реакции?
6.7. Что понимают под энергией активации?
6.8. Чир показывает температурный коэффициент и как его определяют?
6.9. Что характеризует уравнение Аррениуса?