Методическое обеспечение: Шилов А.А. Редактор: Гордеева Ю.В

Методическое обеспечение: Шилов А.А.
Редактор: Гордеева Ю.В.
3D графика: Масагутов К.Х
Script программирование: Масагутов К.Х
Управление проектом: Сергиенко Е.В.
Лабораторная работа
Тема: Кинетика химических процессов
1. ВВЕДЕНИЕ
Цель работы: Экспериментально исследовать влияние концентрации на
скорость химической реакции.
2. ТЕОРИЯ
Область химии, рассматривающая скорости и механизмы химических
процессов, и факторы, влияющие на них, называется химической кинетикой.
Различают реакции, протекающие в гомогенной системе (гомогенные
реакции) и реакции, протекающие в гетерогенной системе (гетерогенные
реакции). Системой в химии называется отдельное вещество или несколько
веществ, находящихся во взаимодействии, и мысленно обособленных от
окружающей среды. Гомогенная система состоит из одной фазы,
гетерогенная система состоит из нескольких фаз. Фаза – совокупность всех
однородных частей системы, обладающих одинаковыми свойствами и
отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.
Скоростью химической реакции называется число элементарных
взаимодействий, происходящих в единицу времени в единице объема (в
случае гомогенной реакции) или на единице поверхности раздела фаз (в
случае гетерогенной реакции). Скорость реакции обычно характеризуют
изменением концентрации какого-либо из исходных веществ или продуктов
реакции в единицу времени.
На скорость химической реакции влияют: природа реагирующих
веществ, концентрация, температура и присутствие катализатора.
ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ОТ
КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ
определяется законом действия масс (Гульберг и Вааге): скорость реакции в
каждый момент времени пропорциональна произведению молярных
концентраций
реагирующих
веществ,
в
степенях,
равных
их
стехиометрическим коэффициентам. Стехиометрический коэффициент – это
коэффициент перед формулой данного вещества в уравнении реакции.
Для реакции, протекающей в гомогенной системе:
2NO(г) + O2(г) = 2NO2(г)
математическое выражение закона действия масс имеет вид:
  kCNO 2  CO2 ,
где  – скорость реакции, C NO , C O – молярные концентрации реагирующих
веществ, k – коэффициент пропорциональности, называемой константой
скорости.
Величина константы скорости зависит от температуры, природы
реагирующих веществ и не зависит от концентрации. В случае если
2
концентрации реагирующих веществ равны единичным, то есть C NO  C O  1
моль/л, константа скорости реакции численно совпадает со скоростью
реакции, k ≡ 
Для гетерогенных реакций концентрация веществ в твердой фазе, как
постоянная величина, входит в значение константы скорости. Например, для
реакции, протекающей в гетерогенной системе:
C(тв) + H2O(г) = CO(г) + H2(г)
Закон действия масс запишется следующим образом:
2
  kCH O ,
2
3. ОБОРУДОВАНИЕ
3.1 Активные клавиши
Рис. 3.1. Функции манипулятора
Левая клавиша мыши (ЛКМ) - при нажатии берется объект (пробирка,
палочка для перемешивания, капельница)
Средняя клавиша мыши (СКМ) - при прокрутке назад (на себя) сцена
отдаляется, при прокрутке вперед (от себя) сцена приближается.
Правая клавиша мыши (ПКМ) - при нажатии на объект происходит действие
(из капельницы капает вещество)
Движение мыши:
движение вправо - сцена движется вправо,
движение влево - сцена движется влево,
движение вверх - сцена движется вверх,
движение вниз - сцена движется вниз.
3.2 Лабораторное оборудование
Для проведения лабораторной работы необходимо следующее
оборудование:
 3 капельницы с надписью:
1. Na2S2O3 - 0,5М
2. H2SO4 - 1М
3. H2O




Штатив с 3 пробирками
Секундомер
Темный экран
Стеклянная палочка для перемешивания реактивов
Справа находится кнопка вызова меню (рис. 3.2). В меню можно
увидеть кнопки управления («Начать заново», «Выход»), окна с подсказками
к текущему опыту в лабораторной работе (какие вещества нужно добавить в
пробирку), кнопку для вызова окна настроек (рис. 3.4), в котором можно
включить полноэкранный режим, настроить качество графики. Для выхода из
полноэкранного режима нажать клавишу ESC.
Рис. 3.2. Кнопка вызова меню
Рис. 3.3. Боковое меню
Рис. 3.4. Окно настроек
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Цель работы: Экспериментально исследовать влияние концентрации на
скорость химической реакции.
Опыт 1.
Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость
химической реакции в гомогенной системе.
Взаимодействие тиосульфата натрия с серной кислотой протекает по
уравнению:
Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + S +SO2 + H2O
Приготовьте
три
раствора
тиосульфата
натрия
различной
концентрации. Для этого в три пробирки внесите: в первую – 4 капли 1н
раствора тиосульфата натрия и 8 капель воды, вторую – 8 капель 0,5М
раствора тиосульфата натрия и 4 капли воды, в третью – 12 капель 0,5М
раствора тиосульфата натрия. Таким образом, в одинаковых объемах
полученных растворов будет содержаться различное число молей
тиосульфата натрия:
Смоль/л – концентрация тиосульфата натрия в пробирке 1,
2Смоль/л – концентрация тиосульфата натрия в пробирке 2,
3Смоль/л – концентрация тиосульфата натрия в пробирке 3.
В пробирку 1 добавьте одну каплю 1М раствора серной кислоты,
раствор перемешайте стеклянной палочкой, чтобы реакция шла по всему
объему раствора. По секундомеру измерьте время от момента добавления
кислоты до появления в растворе первоначального помутнения, которое
легче всего заметить на темном фоне. Аналогичный опыт проделайте в
пробирке 2, а затем в пробирке 3. Данные опытов занесите в таблицу:
№
пробирки
Число
капель
0,5М
раствора
Na2S2O3
Число
капель
воды
Число
капель
серной
кислоты
Условная
концентрация
С, моль/л
1
2
3
4
8
12
8
4
-
1
1
1
1С
2С
3С
Время
течения
реакции
t, с
Скорость
реакции в
условных
единицах
υ = 1/100, с -1
Последовательность действий:
1. Берем первую пробирку (нажимаем на левую пробирку ЛКМ);
2. Берем капельницу с надписью Na2S2O3 (нажатие ЛКМ);
3. Капаем 4 капли Na2S2O3 в первую пробирку (4 нажатия ПКМ);
4. Отставляем капельницу с надписью Na2S2O3 в сторону (нажатие ЛКМ);
5. Берем капельницу с надписью H2O (нажатие ЛКМ);
6. Капаем 8 капель H2O в первую пробирку (8 нажатий ПКМ);
7. Отставляем капельницу с надписью H2O в сторону (нажатие ЛКМ);
8. Берем капельницу с надписью H2SO4 (нажатие ЛКМ);
9. Прибавляем 1 каплю 1М раствора H2SO4 в первую пробирку (нажатие ПКМ);
10. Отставляем капельницу с надписью H2SO4 в сторону (нажатие ЛКМ);
11. По секундомеру измеряем время от момента добавления кислоты до
появления в растворе первоначального помутнения (нажимаем кнопку Старт/Пауза
(правая красная кнопка) ЛКМ, для остановки нажимаем на эту же кнопку
старт/пауза ЛКМ, для сброса значений на секундомере нажимаем на левую кнопку
Сброс ЛКМ).
12. Можно перемешать раствор стеклянной палочкой (нажатие ЛКМ);
13. Следим за ходом реакции, используя темный экран, т.к. Помутнение легче
всего заметить на темном фоне.
14. Данные опыта – время течения реакции - заносим в заранее составленную
таблицу;
15. Убираем первую пробирку обратно в штатив (нажатие ЛКМ);
16. Берем вторую пробирку (нажимаем на среднюю пробирку ЛКМ);
17. Берем капельницу с надписью Na2S2O3 (нажатие ЛКМ);
18. Капаем 8 капель Na2S2O3 во вторую пробирку (8 нажатий ПКМ);
19. Отставляем капельницу с надписью Na2S2O3 в сторону (нажатие ЛКМ);
20. Берем капельницу с надписью H2O (нажатие ЛКМ);
21. Капаем 4 капли H2O во вторую пробирку (4 нажатия ПКМ);
22. Отставляем капельницу с надписью H2O в сторону (нажатие ЛКМ);
23. Берем капельницу с надписью H2SO4 (нажатие ЛКМ);
24. Прибавляем 1 каплю 1М раствора H2SO4 во вторую пробирку (нажатие
ПКМ);
25. Отставляем капельницу с надписью Na2S2O3 в сторону (нажатие ЛКМ);
26. По секундомеру измеряем время от момента добавления кислоты до
появления в растворе первоначального помутнения (нажимаем кнопку Старт/Пауза
(правая красная кнопка) ЛКМ, для остановки нажимаем на эту же кнопку
старт/пауза ЛКМ, для сброса значений на секундомере нажимаем на левую кнопку
Сброс ЛКМ).
27. Данные опыта – время течения реакции - заносим в заранее составленную
таблицу;
28. Убираем вторую пробирку обратно в штатив (нажатие ЛКМ);
29. Берем третью пробирку (нажимаем на правую пробирку ЛКМ);
30. Берем капельницу с надписью Na2S2O3 (нажатие ЛКМ);
31. Капаем 12 капель Na2S2O3 в третью пробирку (12 нажатий ПКМ);
32. Берем капельницу с надписью H2SO4 (нажатие ЛКМ);
33. Капаем 1 каплю 1М раствора H2SO4 в третью пробирку (нажатие ПКМ);
34. Отставляем капельницу с надписью H2SО4 в сторону (нажатие ЛКМ);
35. С помощью секундомера измеряем время от момента добавления кислоты
до появления в растворе помутнения (нажимаем кнопку Старт/Пауза (правая
красная кнопка) ЛКМ, для остановки нажимаем на эту же кнопку старт/пауза ЛКМ,
для сброса значений на секундомере нажимаем на левую кнопку Сброс ЛКМ);
36. Данные заносим в таблицу.
37. Убираем третью пробирку обратно в штатив (нажатие ЛКМ);
38. Используя все полученные результаты, составляем график зависимости
скорости реакции от к5онцентрации реагирующих веществ.
39. Для этого: на оси абсцисс, произвольном масштабе отложим значения
условных концентраций тиосульфата натрия
40. На оси ординат - значения единиц масштаба скорости реакции в условных
единицах;
41. Подбираем единицы масштаба таким образом, чтобы зависимость V(C), по
возможности, находилась посередине координатного угла. (Следует отметить, что
зависимость V(C) выходит из начала координат).;
42. Называем график;
43. Записываем выражение закона действия масс для реакции взаимодействия
тиосульфата натрия с серной кислотой.
44. Делаем вывод о влиянии концентрации тиосульфата натрия на скорость
химической реакции.
45. Составляем отчет по проделанной работе.
Начертите график зависимости скорости реакции от концентрации
реагирующих веществ. Для этого на оси абсцисс, в произвольном масштабе
отложите значения условных концентраций тиосульфата натрия, на оси
ординат – значения единиц масштаба скорости реакции в условных
единицах. Подберите единицы масштаба таким образом, чтобы зависимость
 (с), по возможности, находилась посередине координатного угла. Следует
отметить, что зависимость  (с) выходит из начала координат. Назовите
график.
Запишите выражение закона действия масс для реакции
взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой. Сделайте вывод о
влиянии концентрации тиосульфата натрия на скорость химической реакции.
Таблица вариантов
Варианты
Опыты
Для специальностей
Для специальностей
химического профиля нехимического профиля
I, IV
1, 2а
1
II, V
1, 2б
1
III, VI
1, 2а
1
Контрольные
вопросы
1, 3a, 5
2, 3б, 4
6, 2в, 7
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Что изучает химическая кинетика?
Что называется скоростью химической реакции, какие факторы влияют
на скорость реакции?
Напишите выражение скорости химических реакций:
а) 2NO(г) + O2(г) = 2NO2(г)
б) C(тв) + H2O(г) = H2(г) + CO(г)
в) 2Al(тв) + 6HCl(р-р) = 2AlCl3(р-р) + 3H2(г)
г) Fe2O3(тв) + 3CO(г) = Fe(тв)+ СO2(г)
Перечислите факторы, влияющие на скорость химической реакции. В
каком случае давление оказывает влияние на скорость реакции?
Сформулируйте закон действия масс и напишите математическое
выражение закона для реакции, записанной в общем виде: 2А(г) + В(г) =
А2В.
Почему повышение температуры увеличивает скорость реакции? Что
такое энергия активации?
Во сколько раз увеличивается скорость реакции, если температура
повысится на 40оС? Температурный коэффициент равен 2.
Во сколько раз следует увеличить давление в системе 2NO + O2 =
2NO2, чтобы скорость образования NO2 возросла в 1000 раз?
Почему присутствие катализатора меняет скорость реакции?
6. ОТЧЕТ
Форма отчета
Цель работы___________________________________________________
_______________________________________________________________
Название опыта_________________________________________________
Ход работы: (краткий конспект)___________________________________
1._____________________________________________________________
2._____________________________________________________________
3._____________________________________________________________
4._____________________________________________________________
и т.д.__________________________________________________________
Используемая реактивы: (перечислить реактивы, которые используете в
опыте_________________________________________________________
________________________________________________________________
Наблюдения:__________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
3.______________________________________________________________
Химические
уравнения:______________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
3.______________________________________________________________
Выводы по работе________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
Работу выполнил__________________________________________
Отчет принял_____________________________________________
«____»______________20___г.
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Коровин Н.В. Общая химия. – М.: ВШ, 2004. – 558с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 2003. – 704с.
3. Севастьянова, Г.К., Карнаухова. Т.М. Общая химия: Курс лекций. – Тюмень:
ТюмГНГУ, 2009. – 212 с.