Лабораторная работа Основные классы неорганических соединений

• Название: Лабораторная работа Основные классы неорганических соединений
• Дата: 22.03.2022
• Размер: 2.63 Mb.
• Имя файла: Uchebnoe_posobie_po_khimii.doc
• Тип: Лабораторная работа; #409758
• страница: 5 из 40

Опыт 2. Зависимость скорости реакции от температуры

Налить в три пробирки по 3 мл раствора тиосульфата натрия, в три другие пробирки – по 3 мл раствора серной кислоты.

Первую пару пробирок (кислота – тиосульфат) и термометр поместить в стакан с водой комнатной температуры. Через 3–5 мин, когда растворы в пробирках примут температуру воды, записать показания термометра. Слить растворы в одну пробирку и встряхнуть ее несколько раз. Определить время от начала реакции до появления заметной мути.

Для следующего определения в стакан подлить горячей воды так, чтобы температура стала на 10 °С выше. Поместить вторую пару пробирок и оставить их на 3–5 мин, поддерживая температуру постоянной. Слить содержимое пробирок и отметить время. Повторить опыт с третьей парой пробирок, повысив температуру еще на 10 °С.

Требования к результатам опыта

Данные опыта занести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Данные опыта и результаты расчетов

Номер пробирки	Температура t, °С	Время τ, с	Относительная скорость, V=100/τ	g	gср.
1				g1
2				g2
3

1. Рассчитать относительную скорость реакции по соотношению

V = 100/τ.

2. Вычислить температурный коэффициент скорости реакции g, разделив

V₂ на V₁ и V₃ на V₂. Найти среднее значение

g_ср. = .

3. Выразить графически зависимость скорости реакции от температуры, откладывая на оси абсцисс температуру, а на оси ординат – относительную скорость. Проходит ли кривая через начало координат и почему?

4. Сделать вывод о зависимости скорости химической реакции от температуры.

Примеры решения задач

Пример 4.1. Как изменится скорость реакции каждой из реакций:

2NO (г) + Cl₂ (г) = 2NOCl (г); (1);

СаО (к) + СО₂ (г) = СаСО₃ (к), (2),

если в каждой системе увеличить давление в 3 раза?

Решение. Реакция (1) гомогенная и, согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна ; реакция (2) гетерогенная, и ее скорость выражается уравнением . Концентрация веществ, находящихся в твердой фазе (в данной реакции СаО), не изменяется в ходе реакции, поэтому не включается в уравнение закона действия масс.

Увеличение давления в каждой из систем в 3 раза приведет к уменьшению объма системы в 3 раза и увеличению концентрации каждого из реагирующих газообразных веществ в 3 раза. При новых концетрациях скорости реакций рассчитываются по формулам:

(1) и (2).

Сравнивая выражения для скоростей V и V', находим, что скорость реакции (1) возрастает в 27 раз, а реакции (2) – в 3 раза.

Пример 4.2. Реакция между веществами А и В выражается уравнением

2А + В = D. Начальные концентрации составляют (моль/л): С_А = 5 , С_В = 3,5. Константа скорости равна 0,4. Вычислить скорость реакции в начальный момент и в тот момент, когда в реакционной смеси останется 60 % вещества А.

Решение. По закону действия масс . В начальный момент скорость V₁= 0,4×5²×3,5 = 35. По истечении некоторого времени в реакционной смеси останется 60 % вещества А, т. е. концентрация вещества А станет равной 5×0,6 = 3 моль/л. Значит, концентрация А уменьшилась на 5−3 = 2 моль/л. Так как А и В взаимодействуют между собой в соотношении 2:1, то концентрация вещества В уменьшилась на 1 моль и стала равной 3,5 – 1 = 2,5 моль/л.

Следовательно, V₂ = 0,4×3²×2,5 = 9.

Пример 4.3. Через некоторое время после начала реакции 2NO + O₂ = 2NO₂ концентрации веществ составляли (моль/л): = 0,06; = 0,12; = 0,216. Найти исходные концентрации NO и O₂.

Решение. Исходные концентрации NO и O₂ находим на основе уравнения реакции, согласно которому на образование 2 моль NO₂ расходуется 2 моль NO. По условию задачи образовалось 0,216 моль NO₂, на что израсходовалось 0,216 моль NO. Значит, исходная концентрация NO равна

= 0,06 + 0,216 = 0,276 моль/л.

По уравнению реакции на образование 2 моль NO₂ необходимо 1 моль О₂, а для получения 0,216 моль NO₂ требуется 0,216/2 = 0,108 моль О₂. Исходная концентрация О₂ равна = 0,12 + 0,108 = 0,228 моль/л.

Таким образом, исходные концентрации составляли:

= 0,276 моль/л; = 0,228 моль/л.

Пример 4.4. При 323 К некоторая реакция заканчивается за 30 с. Определить, как изменится скорость реакции и время ее протекания при 283 К, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

Решение. По правилу Вант-Гоффа находим, во сколько раз изменится скорость реакции: .

Скорость реакции уменьшается в 16 раз. Скорость реакции и время ее протекания связаны обратно пропорциональной зависимостью. Следовательно, время протекания данной реакции увеличится в 16 раз и составит 30×16 = 480 с = 8 мин.

Задачи и упражнения для самостоятельного решения

4.1. Реакция протекает по уравнению 3Н₂ + СО = СН₄ + H₂O.

Начальные концентрации реагирующих веществ были (моль/л): = 0,8; C_CO = 0,6. Как изменится скорость реакции, если концентрацию водорода увеличить до 1,2 , а концентрацию оксида углерода до 0,9 моль/л?

(Ответ: увеличится в 5 раз).

4.2. Реакция разложения N₂O идет по уравнению 2N₂O = 2N₂ + O₂. Константа скорости реакции равна 5·10^–4. Начальная концентрация  = 0,32 моль/л.

Определить скорость реакции в начальный момент и в тот момент, когда разложится 50 % N₂O. (Ответ: 5,12^.10^-5; 1,28^.10^-5).

4.3. Реакция между веществами А и В выражается уравнением А + 2В = D. Начальные концентрации (моль/л): С_А = 0,3 и С_В = 0,4. Константа скорости равна 0,8. Вычислить начальную скорость реакции и определить, как изменилась скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшилась на 0,1 моль. (Ответ: 3,84^.10^-2; уменьшилась в 6 раз).

4.4. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при понижении температуры на 30 °С, время протекания реакции увеличилось в 64 раза? (Ответ: 4).

№ 4.5. Вычислить, при какой температуре реакция закончится за 45 мин, если при 20 °С на это потребуется 3 ч. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. (Ответ: 33 °С).

4.6. Как изменится скорость реакции CO + Cl₂ = COCl₂, если повысить давление в 3 раза и одновременно повысить температуру на 30 °С (γ = 2)?

(Ответ: увеличится в 72 раза).

4.7. Реакции протекают по уравнениям:

С (к) + О₂ (г) = СО₂ (г); (1)

2СО (г) + О₂ (г) = 2СО₂ (г). (2)

Как изменится скорость (1) и (2) реакций, если в каждой системе: а) уменьшить давление в 3 раза; б) увеличить объем сосуда в 3 раза; в) повысить концентрацию кислорода в 3 раза? (Ответ: а) уменьшится в (1) в 3, во (2) в 27 раз;

б) уменьшится в (1) в 3, во (2) в 27 раз; в) увеличится в (1) и (2) в 3 раза).

4.8. Реакция идет по уравнению H₂ + I₂ = 2HI. Константа скорости равна 0,16. Исходные концентрации Н₂ и I₂ соответственно равны 0,04  и 0,05 моль/л. Вычислить начальную скорость реакции и ее скорость, когда концентрация Н₂ станет равной 0,03 моль/л. (Ответ: 3,2^.10^-4; 1,9^.10^-4).

4.9. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:

S (к) + О₂ (г) = SO₂ (г); (1)

2SO₂ (г) + О₂ (г) = 2SO₃ (г). (2)

Как изменится скорость (1) и (2) реакций, если в каждой системе: а) увеличить давление в 4 раза; б) уменьшить объем сосуда в 4 раза; в) повысить концентрацию кислорода в 4 раза? (Ответ: а) увеличится в (1) в 4, во (2) − в 64 раза; б) увеличится в (1) в 4, во (2) − в 64 раза; в) увеличится в (1) и (2) в 4 раза.

4.10. Константа скорости реакции 2А + В = D равна 0,8. Начальные концентрации (моль/л): С_А = 2,5 и С_В = 1,5. В результате реакции концентрация вещества С_В оказалась равной 0,6 моль/л. Вычислить, чему стала равна С_А и скорость реакции. (Ответ: 0,7 моль/л; 0,235).

4.11. Реакция протекает по уравнению

4HCl + O₂ = 2H₂O + 2Cl₂.

Через некоторое время после начала реакции концентрации участвующих в ней веществ стали (моль/л): = 0,85; = 0,44; = 0,30. Вычислить начальные концентрации HCl и О₂. (Ответ: = 1,45; = 0,59 моль/л).

4.12. Начальные концентрации веществ в реакции СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂ были равны (моль/л): C_CO = 0,5; = 0,6; = 0,4; = 0,2. Вычислить концентрации всех участвующих в реакции веществ после того, как прореагировало 60 % Н₂О. (Ответ: C_CO = 0,14; = 0,24; = 0,76; = 0,56 моль/л).

4.13. Как изменится скорость реакции 2СО + О₂ = СО₂, если: а) объем реакционного сосуда увеличить 3 раза; б) увеличить концентрацию СО в 3 раза; в) повысить температуру на 40 °С (γ = 2)? (Ответ: а) уменьшится в 27 раз; б) увеличится в 9 раз; в) увеличится в 16 раз).

4.14. При 10 °С реакция заканчивается за 20 мин. Сколько времени будет длиться реакция при повышении температуры до 40 °С, если температурный коэффициент равен 3? (Ответ: 44,4 с).

4.15. Во сколько раз следует увеличить а) концентрацию СО в системе 2СО = СО₂ + С, чтобы скорость реакции возросла в 4 раза? б) концентрацию водорода в системе N₂ + 3H₂ = 2NH₃, чтобы скорость реакции возросла в 100 раз? в) давление в системе 2NO + O₂ = 2NO₂, чтобы скорость образования NO₂ возросла в 10³ раз? (Ответ: 2 раза; 4,64 раза; 10 раз).

4.16. Скорость реакции А + 2В = АВ₂ при С_А = 0,15 и С_В = 0,4 моль/л равна 2,4∙10⁻³. Определить константу скорости и скорость реакции, когда концентрация В станет 0,2 моль/л. (Ответ: 0,1; 2∙10^-4).

4.17. Как изменится скорость реакции 2А + В = А₂В, если концентрацию вещества А увеличить в 3 раза, концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза, а температуру повысить на 40 °С (γ = 2)? (Ответ: увеличится в 72 раза).

4.18. Реакция идет по уравнению 2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2H₂O. Через некоторое время после начала реакции концентрации участвующих в ней веществ стали (моль/л): = 0, 009; = 0,02; = 0,003. Вычислить: а) концентрацию водяного пара в этот момент; б) исходные концентрации сероводорода и кислорода. (Ответ: = 0,003; = 0,012; = 0,0245 моль/л).

4.19. Две реакции протекают при 25 °С с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости первой реакции равен 2, второй – 3. Найти отношение этих скоростей при 75 °С. (Ответ: V₂/V₁ = 7,59).

4.20. Реакция идет по уравнению N₂ + 3H₂ = 2NH₃. Через некоторое время после начала реакции концентрации реагирующих веществ были (моль/л):

= 0,8; = 1,5; = 0,1. Вычислить концентрации веществ в момент, когда концентрация N₂ стала 0,5 моль/л. (Ответ: = 0,6 ; = 0,7 моль/л).
Лабораторная работа 5

Катализ

Цель работы: изучить понятия «катализатор», «катализ», «катализ гомогенный и гетерогенный».

Задание: провести каталитическое разложение пероксида водорода. Выполнить требования к результатам опытов, оформить отчет, решить задачу.

Теоретическое введение

Катализаторами называются вещества, увеличивающие скорость химических реакций, но сами остающиеся после нее химически неизменными. Явление изменения скорости реакции под воздействием катализаторов называется катализом.

Катализатор бывает гомогенный и гетерогенный. Если катализатор и реагирующие вещества находятся в одном фазовом состоянии, то катализ называют гомогенным. Механизм гомогенного катализа объясняется возникновением при участии катализатора нестойких промежуточных соединений. При этом энергия активации понижается и активными становятся молекулы, энергия которых была недостаточна для осуществления реакции без катализатора. Например, реакция

2SO₂ (г) + O₂ (г) → 2SO₃ (г)

протекает с малой скоростью. Для увеличения скорости реакцию проводят в присутствии катализатора NO, который с одним из реагентов, а именно с О₂, образует нестойкое промежуточное соединение NO₂, взаимодействующее в свою очередь с другим реагентом SO₂:

О₂ (г) + 2NO (г) → 2NO₂ (г)

2NO₂ (г) + 2SO₂ (г) → 2SO₃ (г) + 2NO (г)

О₂ (г) + 2SO₂ (г) → 2SO₃ (г).

Как видим, в суммарное уравнение реакции катализатор не входит, т.е. в результате реакции он не испытывает химическое превращение.

Если катализатор и взаимодействующие вещества находятся в разных фазовых состояниях, т. е. имеют границу раздела, то катализ называют гетерогенным. В этом случае катализаторами обычно являются твердые вещества, на поверхности которых реагируют жидкости или газы. Суммарная скорость реакции на твердом катализаторе зависит от площади его поверхности, поэтому для ускорения реакции применяют катализаторы с развитой поверхностью: тонко измельченные порошки или подложки (пористые угли, силикаты) с нанесенным тонким слоем катализатора. Гетерогенные каталитические реакции начинаются со стадии адсорбции, в результате которой разрываются или ослабляются химические связи в молекулах реагирующих веществ, и молекулы становятся активными.

Выполнение работы

Опыт 1. Гомогенный катализ. Каталитическое ускорение реакции разложения пероксида водорода

Налить в пробирку 10 мл 30 %-го раствора (по массе) пероксида водорода. Опустить в пробирку, не касаясь раствора, тлеющую лучинку. Объяснить, почему она не вспыхивает.

В коническую колбу налить 10 мл 0,01 М раствора молибдата натрия Na₂MoO₄ и затем постепенно прилить 10 мл пероксида водорода. Наблюдать изменение окраски раствора и выделение пузырьков газа. Для завершения реакции смесь слегка нагреть и при помощи тлеющей лучинки убедиться в наличии кислорода в колбе.

Требования к результату опыта

1. Объяснить наблюдения, приняв во внимание следующие реакции между молибдатом натрия и пероксидом водорода:

4H₂O₂ + Na₂MoO₄ → Na₂MoO₈ + 4H₂O

Na₂MoO₈ → Na₂MoO₄ + 2O₂

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.

2. Объяснить роль молибдата натрия.

Опыт 2. Гетерогенный катализ. Каталитическое действие диоксида

марганца на разложение пероксида водорода

Налить в пробирку 1–2 мл 30 %-го (по массе) раствора пероксида водорода. С помощи тлеющей лучинки убедиться в отсутствии кислорода. Внести в раствор на кончике шпателя диоксид марганца. Что наблюдается? Убедиться с помощью тлеющей лучинки в наличии кислорода.

Требование к результату опыта

1. Написать уравнение реакции разложения пероксида водорода.

2. Объяснить, почему катализатор увеличивает скорость реакции.

Примеры решения задач

Пример 5.1. Промышленная установка, работающая на ванадиевом катализаторе (V₂O₅), производит в сутки 30000 кг моногидрата H₂SO₄. Объем катализатора в установке 0,7 м³. Рассчитать активность катализатора.

Решение. Мерой активности катализатора является изменение скорости химической реакции в результате введения в систему катализатора. Количественно активность катализатора оценивается производительностью катализатора (A_k). Под производительностью катализатора подразумевают количество вещества, получающееся в единицу времени с единицы площади поверхности (S_k), массы (m_k) или объема (V_k) катализатора. Производительность катализатора равна

,

где m − масса получаемого вещества; τ − время протекания процесса.

Для определения производительности катализатора выразим время в часах:

A_k = = 1785,7 кг/(м³∙час).

Таким образом, активность ванадиевого катализатора при получении моногидрата H₂SO₄ равна 1785,7 кг/(м³∙час).

Пример 5.2. Энергия активации некоторой реакции без катализатора равна 75,24 кДж/моль, а с катализатором – 50,14 кДж/моль. Во сколько раз возрастет скорость реакции в присутствии катализатора, если реакция протекает при 25 °С?

Решение. Обозначим энергию активации реакции без катализатора через E_a, а с катализатором – через E_a^/, соответствующие константы скорости реакции обозначим через k и k^/ . Для решения задачи используем преобразованное уравнение Аррениуса: .

Подставляя в это уравнение данные задачи, выражая энергию активации в джоулях и учитывая, что Т = 298 К, получим

.

Окончательно находим k^//k = 2,5∙10⁴. Таким образом, снижение энергии активации на 25,1 кДж привело к увеличению скорости реакции в 25 тысяч раз.

Задачи и упражнения для самостоятельного решения

5.1. При окислении NH₃ на платиновом катализаторе было получено в течение суток 1440 кг HNO₃. Для окисления было использовано 0,064 кг катализатора. Рассчитать активность катализатора. (Ответ: 937,5 кг/(м³∙час)).

5.2. Зависит ли значение энергии активации реакции в случае гетерогенного катализа от площади поверхности катализатора и от его структуры?

5.3. Во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей при 298 К, если энергию активации ее уменьшить на 4 кДж/моль? (Ответ: в 5 раз).

5.4. Чему равна энергия активации реакции, если при повышении температуры от 290 К до 300 К скорость ее увеличится в 2 раза? (Ответ: 49,9 кДж/моль).

5.5. Каково значение энергии активации реакции, скорость которой при 300 К в 10 раз больше, чем при 280 К? (Ответ: 80,3 кДж/моль).

5.6. За 12 ч было синтезировано 45 000 кг NH₃. Объем использованного катализатора 1,2 м³. Определить производительность катализатора.

(Ответ: 3125 кг/(м³∙час)).

5.7. Найти объем катализатора для синтеза NH₃, если производительность установки 5000 м³ аммиака в час. Производительность используемого катализатора 2000 кг/(м³∙час). (Ответ: 1,9 м³).

5.8. Изменится ли значение константы скорости реакции при замене одного катализатора другим?

5.9. Каков механизм участия в химическом процессе веществ, замедляющих скорость химической реакции и называемых отрицательными катализаторами и ингибиторами?

5.10. Один катализатор снижает энергию активации при 300 К на 20 кДж/моль, а другой на 40 кДж/моль. Какой катализатор эффективнее? Во сколько раз возрастет скорость реакции при использовании того или иного катализатора? (Ответ: второй; 3,1∙10³; 9,4∙10⁶).

5.11. Жиры и углеводы окисляются в живых организмах при температуре около 37 °С, а вне живых организмов окисление происходит при 450–500 °С. Объяснить причины этого явления.

5.12. Привести примеры каталитических реакций. Можно ли, с помощью катализаторов, сместить химическое равновесие? Какова роль катализатора в обратимых реакциях?

5.13. Энергия активации некоторой реакции в отсутствие катализатора равна 32,3 кДж/моль, а в присутствии катализатора она равна 20,9 кДж/моль. Во сколько раз возрастет скорость этой реакции в присутствии катализатора при 25 °С? (Ответ: в 100 раз).

5.14. Стенки реакционного сосуда часто оказывают большое влияние на скорость химических процессов, ускоряя или замедляя их. Привести возможные причины этого явления.

5.15. К каким последствиям может привести смещение равновесия под действием катализатора?

5.16. Почему вода в глиняном сосуде не растворяет кремний, а в стеклянном растворяет? Как проверить предложенное объяснение?

5.17. Каково влияние природы растворителя (полярность) на скорость реакции? Можно ли считать, что растворитель в зависимости от природы обладает каталитическим или ингибирующим действием?

5.18. Обычно, чем полярнее растворитель, тем сильнее ослабляются связи в реагирующих молекулах и тем выше становится их реакционная способность. В каком растворителе реакции проходят быстрее? Имеются ли исключения из этого правила?

5.19. Перечислить причины ускорения реакции гетерогенным катализатором.

5.20. Способствует ли повышение температуры первому этапу гетерогенного катализа – адсорбции молекул реагирующих веществ на поверхности твердого катализатора?
Лабораторная работа 6