Материал: ФХ лр12
Работа №12
Изучение скорости инверсии тростникового сахара.
Цель работы: определить углы вращения с помощью поляриметра, вычислить константы скорости для каждого момента реакции, рассчитать среднее значение kcр, подтвердить порядок реакции инверсии тростникового сахара.
Литература: Практикум 1986, с.319-324, 328-333, 339-340, 345-350 или Практикум 1974, с.322-346, 354-362
Теоретическая часть
Скорость химической реакции определяется изменением количества данного компонента в единицу времени в единице объема:
|
|
1 |
dn |
i 0 |
|
|
|||
i |
|
V d |
||
|
|
|||
где n-число молей данного компонента в объеме V данной фазы в момент времени t.
Если объем величина постоянная, то скорость определяется изменением концентрации реагирующего вещества за единицу времени:
V const : |
|
d n |
i |
/ V |
|
d c |
i |
|
|
|
|||||
i |
|
d |
|
d |
|||
|
|
|
|||||
Скорость реакции всегда положительна.
Кинетические кривые для исходных веществ(1) и продуктов реакции(2)
Основной постулат химической кинетики:
скорость реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению возведенных в некоторую степень концентраций реагирующих веществ (закон действующих масс).
А А B B D D ... продукты,
|
d ci |
kcAp cBq cDr |
|
||
i d |
|
|
Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости химической реакции. Ее физический смысл: константа скорости равняется скорости реакции при единичной концентрации, поэтому ее называют также
удельной скоростью реакции.
k (c |
1) |
i |
|
Величина константы зависит от всех факторов, которые влияют на скорость химической реакции, за исключением изменения концентрации реагирующих веществ. Числовое значение зависит так же от выбора единиц времени и концентрации. Размерность определяется тем кинетическим уравнением, по которому производится ее расчет, т.е. зависит от порядка реакции
Порядок реакции является эмпирической величиной. Частным называется порядок, характеризующийся изменением концентрации одного из веществ, вступающих в реакцию. Чтобы определить порядок по данному веществу, необходимо создать такие условия, чтобы в процессе реакции изменялась концентрация только данного вещества. Для этого концентрации всех остальных участников должны быть взяты в большом избытке. Сумма частных порядков дает общий порядок реакции.
Молекулярность реакции определяется числом частиц, участвующих в одном элементарном акте химического превращения.
Период полупревращения-это время, за которое исходная концентрация реагента уменьшится в 2 раза. Измерение периода полупревращения приносит большую пользу при исследованиях порядка реакции.
Математические выражения для расчета констант скорости реакций: 1. Необратимые реакции 1-го порядка
k1 ln c0
c
,
k, с |
1 |
|
2. Необратимые реакции 2-го порядка
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
x |
|
|||
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
с |
|
|
|
|
c0 |
c0 x |
|
|||||
|
|
|
с0 |
|
|
||||||||||
k, |
л |
|
с моль |
||
|
3. Необратимые реакции 3-го порядка
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
2 |
2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2 c |
|
|
c0 |
|
|
||
|
л |
2 |
|
|
|
k, |
|
|
|
||
моль |
2 |
с |
|||
|
|||||
|
|
||||
4. Необратимые реакции нулевого порядка
k |
c0 |
c |
, k, |
моль |
|
|
л с |
Где с0– начальная концентрация исходных веществ, с – концентрация после протекания реакции, t – время, х – концентрация прореагировавшего вещества за промежуток времени
Методы определения порядка реакции 1. Интегральные методы определения порядка реакции
а) метод подбора уравнения
1)аналитический – суть метода состоит в подстановке ci реагирующего
вещества для различных моментов времени от начала реакции в
кинетические уравнения различных порядков (1го, 2го , 3го и т.д ). Искомым является тот порядок, для которого наблюдается постоянство (неизменность) значения константы скорости реакции при различных концентрациях
2)графический – состоит в нахождении такой функции концентрации от времени, которая имела бы линейный характер:
1 порядок -
2 порядок -
3 порядок -
lnc 1/ c
1/ c
k const lnc
k const 1/ c0
2 2k const 1/
0 |
, |
|
, |
|
, |
c02 |
||
0 порядок -
с
k
c |
0 |
|
.
б) метод Оствальда-Нойеса – использует зависимость
|
lg |
/ |
|
|
|
n |
1/ 2 |
1/ 2 |
1 |
||
lg c |
|
/ c |
|
||
|
0,2 |
0,1 |
|
||
|
|
|
|
||
1
2
f
c |
0 |
|
:
3. Дифференциальные методы Вант-Гоффа
а) Аналитический метод – по двум значениям |
dc |
|
d |
||
|
1) по одной кинетической кривой – временной порядок
при двух
c
|
|
|
dc |
|
|
|
dc |
|
|
|
lg |
|
|
lg |
|
|
|||
n |
|
|
d |
1 |
|
|
|
d |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
lg c |
lg c |
2 |
|
|
||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2) по 2ум начальным концентрациям – концентрационный порядок
|
|
|
dc |
|
|
dc |
||
|
lg |
|
|
|
lg |
|
|
|
|
|
|
||||||
n |
|
|
d 0,1 |
|
|
d 0,2 |
||
|
|
lg c0,1 |
lg c0,2 |
|||||
|
|
|
||||||
б) Графический вариант метода Вант-Гоффа
lg lg k n lg c
tg n .
.
Задача
Константа скорости реакции протолитического гидролиза сахарозы в 0.3 молярном растворе в присутствии 2.5 молей соляной кислоты равна 0.0133 мин-1 при температуре 20°С. Энергия активации данной реакции по справочным данным 106.94 кДж/моль. Приняв порядок реакции равным 1, рассчитать:
1.Константу скорости гидролиза при 30°С;
2.Период полупревращения реакции по сахарозе при той же температуре;
3.Время от начала реакции (в минутах), через которое при 30°С будет наблюдаться изменение знака угла вращения плоскости поляризации при поляриметрическом исследовании кинетики данной реакции. Чему
равна степень превращения сахарозы в этот момент времени? Граничные значения углов вращения плоскости поляризации реакционного
раствора в начальный момент времени и при полном завершении реакции при 30°С принять равными α0=19.6° и α∞= -7.1° соответственно.
1) Найдем константу скорости гидролиза при 30°С: По уравнению Аррениуса
( )
( )
мин-1 2) Определим период полупревращения реакции по сахарозе при 30°С:
Для реакции первого порядка период полупревращения равен –
Тогда, |
|
мин |
|
3)Найдем время от начала реакции (в минутах), через которое при 30°С будет наблюдаться изменение знака угла вращения плоскости поляризации при поляриметрическом исследовании кинетики данной реакции.
,
где - угол вращения в начальный момент времени, - угол вращения в данный момент времени, - угол вращения, соответствующий концу реакции.
мин Определим степень превращения сахарозы в этот момент времени:
, где β - степень превращения сахарозы
Ответ: |
мин-1 |
2. |
мин |
3. |
мин, |