МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра физической химии ОТЧЕТ по лабораторной работе №2 по дисциплине «Химия» Тема: Скорость химических реакций Студент гр. 3232 Шутов Н.А. Преподаватель Васильев Б.В. Санкт-Петербург 2024 2 Цель работы: изучение влияния концентрации реагирующих веществ и температуры на скорость гомогенной химической реакции. Основные теоретические положения Скорость химической реакции – это величина, показывающая изменение концентрации исходных реагирующих веществ в единицу времени. 𝑣= 𝛥𝑛 𝛥𝑡×𝑉 , где ∆n – изменение количества вещества (моль), ∆t – изменение времени (сек), V – объем (л). Скорость химической реакции зависит от: природы реагирующих веществ, концентрации реагентов, площади соприкосновения реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора. Зависимость скорости химической реакции от концентрации исходных веществ определяется законом действующих масс: при постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Для элементарной химической реакции A + B → C, где A и B – реагенты, а C – продукт, закон действующих масс может быть выражен в математической форме: v = k[A][B], где v – скорость реакции, k – постоянная скорости реакции, [A] и [B] – концентрации реагентов A и B соответственно. Константой скорости химической реакции (удельной скоростью реакции) называется коэффициент пропорциональности k в кинетическом уравнении реакции. Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице (1 моль/л), и она зависит от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, поверхности соприкосновения реагирующих веществ и катализа. 3 Скорость химической реакции зависит от температуры и описывается правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в двачетыре раза. Описывается правило Вант-Гоффа следующим уравнением: 𝑇 −𝑇1 𝑉2 = 𝑉1 × 𝛾 2 10 , где V2 – скорость реакции при температуре T2, V1 – скорость реакции при температуре T1, γ – температурный коэффициент реакции. Физический смысл температурного коэффициента γ – он показывает во сколько раз увеличивается скорость химической реакции при увеличении температуры на каждые 10 °С. Зависимость константы скорости k химической реакции от температуры T (K) описывается основным законом химической кинетики – уравнением Аррениуса: 𝑘(𝑇) = 𝐴 × 𝑒 −𝐸𝑎 ⁄𝑅𝑇 , где предэкспоненциальный множитель (фактор частоты) A характеризует частоту столкновений реагирующих молекул, R – универсальная молярная газовая постоянная (R = 8,31 Дж/моль K), e – основание натурального логарифма, Ea – энергия активации (Дж/моль) Энергия активации химической реакции – в химии это эмпирически определяемый параметр, характеризующий показательную зависимость константы скорости реакции от температуры. Выражается в джоулях на моль – обозначение энергии активации: Ea. В физике энергия активации – минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости. Энергия активации химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и не зависит от температуры. В лабораторной работе для исследования зависимости скорости реакции от концентрации и температуры используется реакция: Na2S2O3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + SO2 + S 4 Математическое выражение закона действующих масс имеет вид: v = k × CAa × CBb, где v – скорость реакции, k – константа скорости химической реакции (при CA = CB = 1 моль/л k численно равна v), CA и CB – концентрации реагентов A и B, a и b – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции. С учетом полученных в ходе опыта данных, v = 1, с учетом равной концентрации CA и CB v = k = 1, стехиометрических коэффициентов реакция не имеет, тогда: 1=1×1×1×1 5 Протокол наблюдений Лабораторная работа № 4 «Скорость химических реакций» (Этот лист уже есть) Вариант: ХХ Зависимость скорости химической реакции от концентрации Объем, мл Маленькая Концентрация Время Большая пробирка Относительная Na S O , 2 2 3 пробирка протекания Номер скорость a реакции опыта Na2S2O3 H2O H2SO4 реакции (υ) (, c) a b c (a) (b) (c) 1 5 15 5 τ1 = τ1/τ1 = 1.0 2 8 12 5 τ2 = τ1/τ2 = 3 10 10 5 τ3 = τ1/τ3 = 4 13 7 5 τ4 = τ1/τ4 = 5 16 4 5 τ5 = τ1/τ5 = 6 20 0 5 τ6 = τ1/τ6 = Зависимость скорости химической реакции от температуры ! за единицу принимается скорость для начальной (наименьшей) температуры Объем, мл Относительная Номер скорость реакции (υ) Na S O H SO t, C , c 2 2 3 2 4 опыта 1 10 10 τ1 = τ1/τ1 = 1.0 2 10 10 τ2 = τ1/τ2 = 3 10 10 τ3 = τ1/τ3 = 6 Обработка результатов 1. Зависимость скорости химической реакции от концентрации Относительная скорость реакции (v) Зависимость относительной скорости химической реакции от концентрации Na2S2O3 6 4,8 5 3,8 4 2,7 3 1,9 1,5 2 1 1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Концентрация Na2S2O3 2. Зависимость скорости химической реакции от температуры Относительная скорость реакции (v) Зависимость относительной скорости химической реакции от температуры °C 3,5 3 3 2,5 1,7 2 1,5 1 1 0,5 0 0 10 20 30 40 50 60 t, °C t2 t1 На основании правила Вант-Гоффа: υt2 υt1 γ 10 , выразите и рассчитайте температурный коэффициент γ для трех пар: 10 1,745−35 γ12 = = 1,7 1 7 10 3 55−45 γ23 = = 1,7 1,7 10 355−35 γ13 = = 1,73 1 RT1T2 ln На основании формулы Ea υT2 υT1 T2 T1 рассчитайте энергию активации реакции для трех пар температур. Е12 = Е23 = Е13 = 8,314∗308∗318𝑙𝑛 1.7 1 318−308 8,314∗328∗318𝑙𝑛 3 1.7 328−318 8,314∗308∗328𝑙𝑛 328−308 3 1 ≈ 43209,4 кДж ≈ 49254,6 кДж ≈ 46136,9 кДж Выводы: концентрация Na2S2O3 увеличивается в зависимости от скорости увеличения химической реакции, а так же от температуры проводимого опыта – значит взаимосвязь между величинами прямопропорциональная. Следовательно, правило Вант-Гоффа для данной реакции соблюдается.
