Основной причиной температурной зависимости химической реакции с ростом температуры является не увеличение скорости движения молекул, а увеличение числа активных молекул, и, соответственно числа активных соударений в единицу времени.
Влияние катализатора на скорость химической реакции
Катализом называется явление изменения скорости реакции под действием некоторых веществ - катализаторов, которые, участвуя в реакции, не входят в состав конечных продуктов.
Положительные катализаторы увеличивают скорость химической реакции. Это самый дешевый способ ускорить процесс. Отрицательные катализаторы замедляют ее скорость, такие катализаторы называют ингибиторами.
По фазовому признаку различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе катализатор и продукты реакции находятся в одной фазе, при гетерогенном – в разных фазах.
Катализатор изменяет механизм реакции на более выгодный энергетически. Например, для реакции N2 + 3H2 = 2NH3
в отсутствии катализатора Е @ 300 кДж/моль, ,
в присутствии катализатора Е = 163 кДж/моль.
Катализатор (К), принимая участие в реакции, образует с реагентами промежуточные соединения, а затем высвобождается.
Так, уравнение реакции А + В = АВ не отражает реальный механизм процесса в присутствии катализатора. Такой процесс фактически протекает по стадиям: - А + К = АК, АК + В = АВ + К.
Катализ относится к сложным реакциям, т.е. протекающим в несколько стадий.
Самая медленная (лимитирующая) стадия определяет скорость всего процесса.
Экспериментальная часть
В работе изучают реакцию разложения перекиси водорода 2Н2О2 ↔2Н2О + О2
в присутствии катализатора – водного раствора бихромата калия (K2Cr2O7.). Каталитическим действием обладают ионы Cr2O72-.
Действие катализатора может быть прослежено по изменению окраски реакционного раствора, так как исходные и промежуточные продукты окрашены различно. При завершении процесса разложения перекиси водорода первоначальная окраска раствора катализатора полностью восстанавливается, кроме того, прекращается выделение пузырьков кислорода.
Реакция протекает в 2 стадии:
2. Cr2O92- → O2 + Cr2O72- зелено-оранж. желто-оранж
Исследование кинетики реакции проводится с помощью измерения давления выделяющегося кислорода U-образным манометром. Манометр заполнен окрашенным водным раствором. Реакционный сосуд, содержащий смесь растворов перекиси водорода и катализатора, соединяется с манометром.
Опыт проводят при комнатной температуре при постоянном объеме в системе, отсоединенной от окружающей среды. Регистрируется время и высоты уровней жидкости в левом и правом колене манометра (l1и l2). Разность высот уровней равно давлению (в мм водного столба). По изменению давления судят о количестве разложившейся перекиси водорода. Результаты опыта записывают в таблицу 1.
Заранее число измерений неизвестно, поэтому для таблицы следует отвести целую страницу тетради.
Перед началом опыта в таблице 1 указывают:
1. Исходное положение уровней жидкости в коленах манометра.
2. Два первоначальных значения уровня жидкости по одному из колен манометра, например, по левому (l21,l23), отстоящие от начального (l20) до ближайшего целого числа (в пределах 10мм) и последующего (l21) на 10 мм.
3. 5-6 значений высоты уровня жидкости (l24, l25,l26,l27 l28,), отстоящие от предыдущего значения (l23) и друг от друга на 5 мм.
В дальнейшем экспериментальные данные (ti, l1i, l2i) вносят в таблицу при изменении уровня жидкости в выбранном колене (l2)манометра на 5мм.
Эксперимент проводит бригада, состоящая из трех студентов. Каждый член бригады записывает в таблицу значение одной из характеристик процесса: ti, l1i, l2i.
Недопустимо фиксировать уровень жидкости только в одном колене манометра, а второе рассчитывать, так как внутренний диаметр трубок манометра не стандартизирован, и полученный результат можетсодержать ошибку.
Таблица 1.
| Время от начала опыта, ti | Уровни жидкости в коленах манометра l | Давление выделившегося кислорода, Pi = l1i – l2i, мм | Концентрация Н2О2, Сi, моль/л | |||
| мин-с = | с | левое l1i, мм | правое l2i, мм | |||
| (l10) | (l20) | Р0 =0 | С0 = 0,22 | |||
| (l11) | (l21) | (P1) | (C1) | |||
| (l12) | (l22) | (P2) | (C2) | |||
| (l13) | (l23) | … | … | |||
| … | … | … | … | |||
| … | … | … | … | |||
| (l1i) | (l2i) | … | (Ci) | |||
| … | … | … | … | |||
| … | … | … | … | |||
| tn | (l1n) | (l2n) | (Pn) | (Cn) | ||
| После полного разложе-ния Н2О2 и приведе-ния к температу-ре опыта | l1∞ = | l2∞ = | Р∞ = l1∞- l2∞= | 0 | ||
Порядок проведения эксперимента
В реакционный сосуд через воронку выливают 1-3 мл раствора катализатора, полученного у преподавателя, и 10 мл рабочего раствора перекиси водорода, отмеренного с помощью мерной пробирки. Реакционный сосуд быстро соединяют резиновым шлангом с манометром и оставляют в стакане с водой комнатной температуры.
Колено манометра, соединенное с реакционным сосудом, c помощью крана отсоединяют от атмосферы. Этот момент считают началом опыта. Включают секундомер. Опытные данные вносят в таблицу.
Приблизительно через 30 мин. от начала опыта увеличение давления станет медленным (<2 мм водного столба/мин). Тогда записывают последнее показание секундомера (tn) и значениz уровней жидкости в коленах манометра (l1n, l2n).
Далее сосуд с реакционной смесью помещают в стакан с горячей водой и выдерживают там до тех пор, пока не прекратится выделение пузырьков кислорода и не восстановится первоначальный цвет раствора (≈10 мин.).
После этого возвращают реакционный сосуд в стакан с водой комнатной температуры до достижения постоянного значения давления в манометре (≈10 мин.) и записывают последние показания уровней жидкости в коленах манометра (l1∞, l2∞). Рассчитывают установившееся давление (Р∞).
В конце эксперимента все данные, полученные бригадой, сводят в одну таблицу. Такая таблица должна быть в тетради для лабораторных работ у каждого члена бригады. Записи делают ручкой.
Записывают температуру опыта и значение коэффициента Вант-Гоффа, сообщенное преподавателем.
Таблицу 1 с опытными данными подписывает преподаватель в день выполнения эксперимента. Внесение последующих исправлений в таблицу недопустимо.
Расчетная часть
В расчетах следует учесть рекомендации по округлению чисел, приведенные в конце описания лабораторной работы 2.
В таблицу 1 вносят рассчитанные по формуле величины Pi =l1i-l2i - значения давления выделившегося кислорода в данные моменты времени (ti).
Величины Pi и (P∞ - Pi) пропорциональны количествам соответственно разложившейся и неразложившейся перекиси водорода. Значение P∞ пропорционально всему количеству взятого реагента и исходной его концентрации С0.
Величину С0/P∞ можно считать коэффициентом пропорциональности для расчета текущей концентрации перекиси водорода:
Ci = (P∞ - Pi)∙C0/ P∞.
Найденные значения Ci вносят в таблицу 1.
Построение графика.
В координатах C-t на миллиметровой бумаге, формата А4, строят график зависимости текущей концентрации Сi (моль/л) от времени ti (с) по данным таблицы 1.
Масштабы на осях координат размечают двумя-тремя зарубками, длина отрезков между зарубками должна быть кратна 10 (или степеням 10). Масштабы осей подбираются так, чтобы график занимал большую часть площади рисунка. У концов осей записывают откладываемую величину и в скобках её размерность. В точке пересечения осей графика должны быть нулевые значения.