Лабораторная работа № 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИЗУЧЕНИЮ КАТАЛИТИЧЕСКОГО И НЕКАТАЛИТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССОВ

Цель работы: закрепление теоретического материала, касающегося эффективности катализаторов, применяемых в органической технологии.

Задачи:

  • 1. Проведение химической реакции без катализатора и в присутствии катализатора
  • 2. Проведение сравнения скоростей некаталитической и каталитической реакций (исследование кинетики химической реакции).

Раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций и факторы, влияющие на них, называется химической кинетикой. Указанный раздел химии представляет значительный интерес, поскольку получение новых веществ и исследование их свойств возможно лишь при знании механизма химических процессов. Химические реакции протекают с различной скоростью при определенных условиях, где влияющими на процесс факторами являются: давление, температура, наличие катализаторов и др., поэтому знание скоростей химических реакций имеет большое значение для науки и практики. Скорость химической реакции - это число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема.

Одной из задач, стоящих перед химической кинетикой, является определение состава реакционной смеси (то есть концентраций всех реагентов) в любой момент времени, для чего необходимо знать зависимость скорости реакции от концентрации. В общем случае, чем большее концентрации реагирующих веществ, тем больше скорость химической реакции. В основе химической кинетики лежит так называемый основной постулат химической кинетики: скорость химической реакции прямо пропорционально произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях, т.е. для реакции

можно записать

Коэффициент пропорциональности к есть константа скорости химической реакции. Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ равных единице...

Порядок химической реакции по какому-либо веществу - это показатель степени, который имеет концентрации этого вещества в кинетическом уравнении реакции. Различают нулевой, первый, второй, третий порядок реакции. Для реакции первого порядка характерно, что за одинаковое промежутки времени реагирует одинаковая доля взятого количества исходного вещества т.е. если за первые 10 минут прореагировало 5 % исходного вещества, то и в последующие 10 минут прореагирует 5 % вещества. При этом уравнение имеет вид

После разделения переменных и интегрирования уравнение выглядит следующим образом

где С0 - начальная концентрация исходного вещества;

х - уменьшение (С0 - С) концентрации исходного вещества к моменту времени t;

Для реакций второго порядка в простейшем случае, когда концентрации двух реагирующих веществ одинаковы, уравнение имеет вид

Лабораторная работа позволяет провести сопоставление скорости некаталитической и каталитической реакций, проводимых при условии равенства температур и начальных концентраций реагирующих веществ.

Предлагается также установить в обоих случаях, какой степени превращение соответствует максимальная скорость реакции, определить порядок реакции в обоих случаях, период полураспада на примере реакции окисления щавелевой кислоты перманганата калия без катализатора и в присутствии катализатора - сульфата марганца. Реакция проводится в уксуснокислой среде для обеспечения раскисления семивалентного марганца до двухвалентного, поэтому концентрация оксалат-иона не оказывает существенного влияния на протекание процесса

В случае добавления сульфата марганца в начале реакции, максимальная скорость реакции соответствует другой концентрации остающегося перманганата, при этом добавление сульфата марганца к смеси перманганата и щавелевой кислоты в кислой среде ускоряет реакцию, что позволяет двухвалентный марганец рассматривать как катализатор указанной реакции. Рассматриваемая реакция относится к области гомогенного катализа, так как катализатор реагирующие вещества находятся во время реакции в растворе.

Методика выполнения эксперимента.

Аппаратура и реактивы:

колба круглодонная вместимостью 250 мл;

колбы конические со шлифом Кн-1-100-29/32, Кн-1-250-29/32;

магнитная мешалка;

ледяная уксусная кислота 1 н;

щавелевая кислота 0,1 н;

калий марганцевокислый 0,1 н;

марганец сернокислый 0.1 н;

тиосульфат натрия 0.1 и;

водный 10 % раствор йодистого калия;

пипетки градуированные вместимостью 5, 10,25 мл;

пипетки Мора на 50, 100 мл;

Ход выполнения эксперимента. Реакция осуществляется в колбах емкостью 250 мл, снабженных мешалкой при комнатной температуре (20°С). В колбу последовательно сливаются следующие растворы: 10 мл ледяной уксусной кислоты, 70 мл раствора щавелевой кислоты, 20 мл КМп04 и 20 мл дистиллированной воды. В случае исследования каталитической реакции смесь состоит из тех же компонентов, за исключением того, что 20 мл воды заменяется 20 мл раствора MnS04. Количество прореагировавшего, на определенный момент времени перманганата, определяется путем прибавления 10 мл раствора KJ к пробе объемом 5 мл и немедленного титрования выделившегося йода раствором тиосульфата натрия с использование крахмала в качестве индикатора. Пробы отбираются в течение часа каждые 10 минут. Указанные количества растворов отмериваются пипетками.

Полученные для каждой серии опытов данные записываются в табл. 1. Рассчитываются константы скорости реакции, концентрации реагирующих веществ, для каждого промежутка времени и определяется период полураспада. Полученные результаты оформляются в виде таблиц (2,3).

Концентрация реагирующих веществ определяется по формуле

где Vn - количество титранта, пошедшего на титрование рабочей пробы;

Примечание.

До начала эксперимента необходимо оттитровать 0,1н раствором тиосульфата натрия смесь тех же реагентов, где 70мл щавелевой кислоты заменяют на 70 мл дистиллированной воды.

Порядок реакции определяется графическим методом, который состоит в построении графика зависимости скорости реакции от времени и определении, для какой из реакций зависимость выражается прямой линией. Исходя из уравнений (1) и (2) для реакций первого порядка линейную зависимость t дает lgC, а для реакций второго порядка линейную зависимость от времени t дает 1/с.

Метод определения периода полураспада ( Т ) основан на определении промежутка времени, в течение которого концентрация реагирующих веществ уменьшается в два раза, согласно уравнению

Для реакций первого порядка i = 0,6932/k, для реакций второго порядка i = 1/ (С0*к).

Таблица 1. Результаты опытов

Некаталитический процесс

Каталитический процесс

Время t, мин

Объем титранта, мл

Время t, мин

Объем титранта, мл

Таблица 2. Результаты расчетов данных эксперимента некаталитической реакции __

Время, t, мин

Изменение концентрации исходного вещества

(Co-Ci), %

Отношение

(Со-со/ед

Константа

скорости

реакции,

К*

Отношение

1/Q

Таблица 3. Результаты расчетов данных эксперимента каталитической реакции __

Время t, мин

Изменение концентрации исходного вещества (C0-Cj),%

Отношение

(C0-Ci)/C0Ci

Константа скорости реакции, К*

Отношение 1/Cj

Техника безопасности. При выполнении лабораторной работы пользоваться инструкциями:

  • 1. Инструкция по охране труда для преподавателей, аспирантов, сотрудников и студентов.
  • 2. Инструкция по охране труда при работе с кислотами и щелочами.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >