Определение порядка реакции по времени полупревращения лабораторная работа

Лабораторные работы

ПО
ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

2009

Издательский
центр

МГУИЭ

Федеральное
агентство по образованию

Федеральное агентство
по образованию

Московский
государственный университет

инженерной
экологии

Факультет
экологии и природопользования

Кафедра «Общая и физическая химия»

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Методические
указания

Под редакцией
проф. А.М.Большакова

Составители:

А.И.Мишустин,

к.ф. бЕЛОУСОВА

Москва

МГУИЭ

2009

Учебное издание

Составители:

Мишустин Александр
Иванович,

Белоусова
Кира Филипповна

Лабораторные
работы

по
физической химии

под
редакцией проф. А.М.Большакова

Редактор В.И. Лузева

Формат
бум. 60 x
84 1/16.

Объем
усл. п. л. . Уч.-изд. л. . Тираж экз. Зак.

МГУИЭ, издательский
центр,

105066 Москва, Старая
Басманная ул., 21/4

УДК 541.1

ББК

Рецензенты: кафедра

канд. хим. наук

Допущено
редакционно-издательским советом МГУИЭ

Мишустин А.И.,
Белоусова К.Ф.

М
Лабораторные работы по физической
химии: Методические указания /Сост.:
А.И. Мишустин, К.Ф. Белоусова. Под
ред. А.М. Большакова. Федер. агентство
по образованию, Моск. гос. ун-т инж.
экологии, ф-т экологии и природопользования,
каф. «Общая и физическая химия». — М.:
МГУИЭ, 2009. — с.

Методические
указания предназначены студентам,
обучающимся
по всем специальностям
МГУЭИ, при изучении дисциплины
«Физическая
химия».

УДК 541.1

ББК

составление
2009

Лабораторная работа 1. Кинетика каталитической реакции разложения перекиси водорода

Цель работы

Нахождение
кинетического уравнения для каталитической
реакции разложения перекиси водорода
с определением численных значений
порядка реакции и константы скорости
реакции при температуре опыта.
Определение
зависимости константы скорости
исследуемой реакции от температуры с
нахождением констант в уравнении
Аррениуса – предэкспоненциального
множителя и энергии активации.

Теоретическое
введение

Химическая
кинетика изучает скорость и механизм
химических реакций.

Скорость химической
реакции(w)в
гомогенной системе, имеющей постоянный
объем, измеряется изменением концентрации
вещества (C), прореагировавшего
в единицу времени (t)

w = 
dC/dt.

d–
знак дифференциала, то есть бесконечно
малого изменения величины.

Скорость
всегда положительная величина, поэтому
в приведенной формуле выбирают
соответствующий знак: плюс, если скорость
выражают через концентрацию конечного
продукта реакции и минус, если скорость
выражают через концентрацию начального
продукта, так как со временем начальные
продукты расходуются, а конечные
накапливаются.

Скорость химической
реакции можно выразить изменением
молярной концентрации любого из
участников реакции в единицу времени,
(например, в секунду). Единицы измерения
скорости реакции в этом случае –
моль/(л·с).

Будем рассматривать
реакции, которые идут практически до
конца, — односторонние реакции.

Пусть количества
реагирующих веществ связаны между собой
уравнением реакции:

aA+bBlL+mM,

где a,b,l,m– стехиометрические коэффициенты.

Соотношения между
скоростью реакции по разным компонентам
можно выразить следующим образом:

dC/dt
= 1/a(-dC_A/dt)
=1/b(-dC_B/dt)
=1/l· dC_L/dt
=1/m·dC_M/dt,

Скорость реакции
тем больше, чем больше концентрации
веществ, вступающих в реакцию, так как
при большем числе реагирующих частиц
в единице объема и при большом числе
столкновений между ними в единицу
времени увеличивается вероятность их
химических превращений. Однако между
скоростью и концентрацией нет прямой
зависимости, поэтому уравнение химической
реакции отражает материальный баланс
процесса и, в общем случае, не отражает
истинного механизма реакции.

Основной постулат
химической кинетики – кинетический
закон действующих масс (ЗДМ): —
при постоянной температуре скорость
химической реакции прямо пропорциональна
произведению концентраций реагирующих
веществ, каждая из которых возведена в
степень, называемую порядком реакции
по данному веществу. Для приведенной
выше реакции ЗДМ имеет вид:

w = 
dC/dt = kC_Aⁿ^A
C_Bⁿ^B,

где k– коэффициент пропорциональности,
называемыйконстантой скорости
реакции;n_А,n_В–порядок реакции по компонентам А
и В соответственно.Общий порядок
реакции n = n_A+n_B.
Порядок – безразмерная величина,
которая, как правило, может принимать
как целые (0,1,2,3), так и дробные значения.

В общем случае
порядок по компоненту не совпадает с
соответствующим стехиометрическим
коэффициентом в уравнении реакции.
Совпадение возможно только для простых
(одностадийных) процессов, например
для реакции :H₂+I₂= 2HI-dC_H₂/dt= -dC_I₂/dt=k·C_H₂·C₂, гдеn_H₂=n_I₂= 1,n= 1+1=2.

Константу скорости
реакцииназываютудельной скоростью,
она численно совпадает со скоростью
реакции в момент времени, когда
концентрации всех реагирующих веществ
равны единице. Единицы измерения
константы скорости реакции – [(л/моль)ⁿ^{— 1}(с)^-1].

Выведем
кинетическое уравнение для реакции
n-порядка,
представленной следующим уравнением

A
+ B
+··
L

Допустим, что C_A=C_B=
… =C, исходные концентрации
этих веществ также одинаковы и каждая
из них равнаC₀.

Тогда w= -dC/dt=kCⁿ

Поле интегрирования
и нахождения константы интегрирования
(при t= 0,C=C₀) получаем
кинетическое уравнение для реакцииn-порядка

kt
= [1/(n – 1)] ·{[1/C⁽ⁿ^{– 1)}] – [1/C₀⁽ⁿ^{– 1)}]}

Важной
кинетической характеристикой реакции
является время
полупревращения( период полураспада)
— _½
– время, за которое начальная концентрация
исходного вещества уменьшается в два
раза, C
= 1/2C₀.

Для
определения порядка реакции используют
следующие методы

Метод
подстановки.
Графический
метод.
Универсальный
метод.
Метод,
основанный на определении определенной
доли превращения исходного вещества.
Метод
избытков Оствальда,

Большинство
методов требует построения графической
зависимости изменения концентрации
реагирующего вещества от времени.

В
данной лабораторной работе студентам
предлагается использовать метод
определения порядка реакции по времени
превращения определенной доли исходного
вещества. Подробно этот метод рассмотрен
в описании расчетной части работы.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Методические указания к электронным лабораторным работам по курсу физической химии для студентов дневной формы обучения химико-технологического факультета и факультета строительного материаловедения

Подобный материал:

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Математическое моделирование, 921.14kb.
Методические указания по подготовке к семинарским занятиям для студентов дневной формы, 803.64kb.
Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Технология программирования», 278.46kb.
Методические указания к лабораторным работам по биологической химии для студентов, 948.06kb.
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Информатика» Основы алгоритмизации, 441.82kb.
Методические указания к лабораторным работам по курсу, 438.32kb.
Методические указания для студентов заочной формы обучения факультета Коммерции и маркетинга, 405.26kb.
Методические указания для студентов заочной формы обучения факультета Национальной, 287.81kb.
Методические указания и вопросы самостоятельной работы по курсу «свиноводство и технология, 590.32kb.
Рабочая программа и методические указания к контрольным работам для студентов специальности, 482.62kb.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА К9

МЕТОД ПОЛУПРЕВРАЩЕНИЯ. МЕТОД ОСТВАЛЬДА-НОЙЕСА

Цели работы

Познакомиться с теоретическими основами методов.
Определить порядок реакции и константу скорости методом полупревращения.
Определить порядок реакции и константу скорости методом Оствальда-Нойеса.

Рекомендации по работе и задание на лабораторную работу

Сначала программа по введенным студентом данным строит кинетическую кривую, при этом на координатной плоскости и появляется горизонтальная полоса, соответствующая определенной доле от начальной концентрации. Это сделано для удобства определения времени превращения исходного вещества на эту долю.

Согласно варианту лабораторной работы, указываемому преподавателем, нужно по табл. 2 определить номера опытов, характеризующих исследуемую реакцию, а экспериментальные данные по этим опытам нужно найти в табл. 1 Приложения.

Таблица 2

Номера опытов, необходимых для выполнения лабораторной работы

Вариант	Номера опытов
1	109	110	111	112	113	114
2	121	122	123	124	125	126
3	133	134	135	136	137	138
4	151	152	153	154	155	156
5	169	170	171	172	173	174
6	115	116	117	118	119	120
7	187	188	189	190	191	192
8	127	128	129	130	131	132
9	139	140	141	142	143	144
10	163	164	165	166	167	168
11	145	146	147	148	149	150
12	157	158	159	160	161	162
13	175	176	177	178	179	180
14	181	183	183	184	185	186
15	151	152	153	154	155	156
16	169	170	171	172	173	174
17	115	116	117	118	119	120
18	187	188	189	190	191	192
19	127	128	129	130	131	132
20	121	122	123	124	125	126

Первая часть работы посвящена определению порядка реакции по времени полупревращения. Для выполнения этой части нужно выбрать две или три кинетические кривые из указанного списка.

Вторая часть работы позволяет определить порядок реакции по методу Оствальда-Ноейса. Тут, поскольку используется графический метод, нужно использовать данные по всем кинетическим кривым.

Анализу подвергаются результаты опытов, в которых изменяется только лишь начальная концентрация реагента. Если в реакции участвует несколько веществ, то их начальные концентрации берутся одинаковыми. Температура проведения реакции во всех опытах одинакова и равна 298 К.

Следуя указаниям программы студент находит порядок реакции и величину константы скорости реакции.

Программа составлена таким образом, что вначале порядок исследуемой реакции определяется методом полупревращения (расчетным), а затем методом Оствальда-Нойеса (графическим).

Стехиометрические уравнения реакций не приводятся, но известно, что реакции имеют дробный порядок и протекают при 298 К.

Выполнение лабораторной работы не представляет особой трудности, если следовать указаниям программы и внимательно вводить экспериментальные данные в соответствующие таблицы программы.

В отчете по лабораторной работе нужно привести:

1. Краткую теоретическую часть по указанному методу.

2. Таблицу с вычисленными значениями времен полупревращения, или времен превращения на какую-либо часть.

3. Графическую зависимость, позволяющую определить порядок реакции.

4. Выводы.

Задачи по лабораторной работе

1. Найдите порядок реакции термического разложения N₂O при температуре 1030 К на основании следующих экспериментальных данных:

Начальное давление, торр	86,5	164,0	290,0	360,0
Время полупревращения, с	634	393	255	212

2. При изучении реакции C₂H₅I + OH^ = C₂H₅OH + I^ проводимой при условии, что , были измерены времена полупревращения для различных начальных концентраций реагентов при 298 К:

Начальная концентрация, моль/л	0,01	0,025	0,05	0,075	0,100
Время полупревращения, мин	1110	445	220	150	110

Покажите, что эти результаты отвечают кинетике второго порядка и найдите значение константы скорости реакции.

3. Для газофазной реакции разложения N₂O при 1030 К получены экспериментальные результаты по зависимости времени полупревращения от начального давления N₂O:

Начальное давление N₂O , торр	360	290	139	52,5
Время полупревращения, с	212	255	470	860

Определите порядок реакции и найдите значение константы скорости.

4. Для газофазной реакции между NO и H₂ при 1100 К получены опытные данные времени полупревращения в зависимости от начального давления реагентов при условии, что . Найдите общий порядок реакции.

Начальное давление , торр	354	341	288	202
Время полупревращения, с	81	102	140	224

5.Для определения порядка реакции разложения амида серебра

3AgNH₂= 2NH₃+ Ag₃N провели три опыта с различными начальными концентрациями AgNH₂ , измеряя в каждом опыте времена полупревращения и превращения на четверть . Получены следующие результаты

Начальная концентрация, моль/л	, ч	,ч
1,0	15	7
0,66	34	16
0,50	60	28

Установите порядок реакции, протекающей по простому механизму.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА К10

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРЯДКОВ РЕАКЦИИ

Цели работы

Ознакомиться с основами дифференциального метода определения порядков реакции
Проанализировать серию опытов и определить дифференциальным методом порядок исследуемой реакции.

Рекомендации по работе и задание на лабораторную работу

Для определения порядка реакции по одному из исходных веществ этим методом нужно будет проанализировать серию кинетических кривых и по начальным скоростям реакций, протекающих при разных начальных концентрациях реагента, определить порядок реакции.

Общий вид стехиометрического уравнения исследуемой реакции

А + В = продукты.

Начальная концентрация вещества В равна увеличенной в 10² раз начальной концентрации вещества А.

Сначала программа по введенным студентом данным строит кинетическую кривую одного какого-либо опыта. По этой кинетической кривой нужно определить начальную скорость реакции. Методика определения начальной скорости подробно рассмотрена в лабораторной работе К-7, однако для удобства в рамках этой лабораторной работы также приведен фрагмент работы К-7.

Следуя указаниям программы, студент определяет начальные скорости реакции по всем кинетическим кривым и находит затем и порядок реакции и константу скорости реакции.

Исследованию подвергаются кинетические кривые, полученные в шести опытах, номера которых согласно варианту, указанному преподавателем, находятся по таблице 2.

Исследуемая реакция во всей серии опытов проводится при одной температуре, известно, что порядок реакции по веществу А дробный.

Возможно определение частного порядка реакции по одной кинетической кривой. Тогда нужно уметь определять скорости реакции в любой момент времени. Об этом подробно также рассказано в лабораторной работе К-7, однако, для удобства выполнения работы К-10, в нее включен фрагмент расчета лабораторной работы К-7.

Выбрать кинетическую кривую для анализа студент должен самостоятельно из предложенной серии опытов.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

Краткую теоретическую часть по сути вопроса.
Таблицу расчетных данных по скоростям реакций.
Графическую зависимость, позволяющую определить частный порядок реакции и константу скорости.
Выводы.

В выводах следует не только привести полученные значения порядка реакции и константы скорости, но и пояснить, каким образом можно определить порядок реакции по одному компоненту, если в реакции участвует два вещества.

Задачи по лабораторной работе

1. Изучение термического разложения диметилсульфоксида (DMSO) при 340 ^оС проводили путем измерения начальной скорости образования продукта метана. Для начальной концентрации DMSO равной 4,3 10^³ моль/л получены следующие результаты:

Время, с	30	150	300	600
, моль/л	0,125	0,50	1,00	1,85

Определите начальную скорость образования метана; найдите начальный порядок реакции и константу скорости образования метана, если известны значения начальных скоростей для других начальных концентраций при 340 ^оС:

, моль/л	2,5	10
w_o10⁶ , моль/(лc)	1,95	7,94

2. Окисление в газовой фазе углеводорода RH приводит к образованию гидропероксида RO₂H. В опытах, проведенных при температуре 127 ^оС и постоянном объеме, получены следующие значения для начальной скорости окисления w_о , измеренные при анализе гидропероксида:

, торр	, торр	w_o10⁸ , моль/(лc)
200	152	9,30
200	130	8,37
200	85	5,45
150	85	4,10
120	85	3,45

Найдите порядок реакции по каждому реагенту и рассчитайте константу скорости.

Изучение газофазной реакции при постоянной температуре

2NO + Cl₂= 2 NOCl позволило получить следующие экспериментальные данные:

	Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3
Начальное давление , атм	0,50	1,0	0,50
Начальное давление , атм	0,50	1,0	1,0
Начальная скорость w_о, атм/с	5,110^³	4,010^²	1,010^²

Получите кинетическое уравнение скорости данной реакции; укажите порядок реакции по веществам и в целом; определите значение константы скорости.

4. Для реакции типа 2А + 3В = Р₁ + Р₂ при одинаковой температуре получены следующие опытные данные:

	Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3
Начальная концентрация А, моль/л	0,10	0,20	0,20
Начальная концентрация В, моль/л	0,10	0,10	0,20
Начальная скорость w_о, моль (А)л^¹с^¹	0,10	0,40	0,40

Установите кинетическое уравнение скорости реакции; укажите порядок реакции по веществам и в целом; вычислите значение константы скорости и скорость самой реакции для текущих концентраций = = 0,30 моль/л.

. Для реакции 2NO + 2H₂= N₂+ 2H₂O при определенной температуре получены следующие экспериментальные результаты:

, торр	, торр	w_о, атм/с	, торр	, торр	w_о, атм/с
289	400	0,160	400	359	0,150
205	400	0,110	400	300	0,103
147	400	0,079	400	152	0,025

Определите порядок реакции по каждому веществу и получите кинетическое уравнение реакции.

Источник

1. Скорость химической реакции

1.5. Методы определения порядка реакции

Проведение реакции в условиях, когда концентрация одного из реагентов много меньше концентрации другого (других) и скорость реакции зависит от концентрации только этого реагента, используется для определения частных порядков реакции – это т.н. метод избыточных концентраций или метод изолирования Оствальда. Порядок реакции по данному веществу определяется одним из перечисленных ниже методов.

Графический метод заключается в построении графика зависимости концентрации реагента от времени в различных координатах. Для различных частных порядков эти зависимости имеют следующий вид:

Порядок реакции	Зависимость концентрации от времени
1
2
3

Если построить графики этих зависимостей на основании опытных данных, то лишь одна из них будет являться прямой линией. Если, например, график, построенный по опытным данным, оказался прямолинейным к координатах lnC = f(t), то частный порядок реакции по данному веществу равен единице.

Метод подбора кинетического уравнения заключается в подстановке экспериментальных данных изучения зависимости концентрации вещества от времени в кинетические уравнения различных порядков. Подставляя в приведённые в таблице уравнения значения концентрации реагента в разные моменты времени, вычисляют значения константы скорости. Частный порядок реакции по данному веществу равен порядку того кинетического уравнения, для которого величина константы скорости остаётся постоянной во времени.

Порядок реакции	Выражение для константы скорости
1
2
3

Метод определения времени полупревращения заключается в определении t_1/2 для нескольких начальных концентраций. Как видно из приведённых в таблице уравнений, для реакции первого порядка время полупревращения не зависит от C_o, для реакции второго порядка – обратно пропорционально C_o, и для реакции третьего порядка – обратно пропорционально квадрату начальной концентрации.

Порядок реакции	Выражение для периода полупревращения
1
2
3

По характеру зависимости t_1/2 от C_o нетрудно сделать вывод о порядке реакции по данному веществу. Данный метод, в отличие от описанных выше, применим и для определения дробных порядков.

Источник