Максимальной работой реакции.

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ИНВЕРСИИ САХАРОЗЫ

Сахароза присутствует во всех фотосинтезирующих растениях, перемещается из листьев в семена, корни, клубни и луковицы, где легко превращается в крахмал или инулин. Углеводы легко гидролизуются под действием фермента инвертазы или кислот на глюкозу и фруктозу по схеме

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

Это – процесс инверсии, сопровождающийся изменением угла вращения плоскости поляризованного света. При этом изменение угла вращения прямо пропорционально содержанию сахарозы в растворе, что позволяет определить скорость этого процесса с помощью поляриметра (см. инструкцию работы с прибором).

Скорость реакции инверсии сахарозы зависит лишь от изменения концентрации сахарозы, поскольку вода присутствует в очень большом избытке и ее количество в течение реакции практически не меняется. Такие реакции могут быть описаны кинетическим уравнением реакции первого порядка (см. уравнение 2.10 ).

Для процесса инверсии:

где: - угол поляризации в начале опыта;

- угол поляризации в равновесном растворе;

- угол поляризации для данного момента времени.

При подстановке этих значений в уравнение (2.10) получается рабочее уравнение для вычисления константы скорости реакции инверсии сахарозы:

К₁ = lg . (2.59)

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Изучение кинетики реакции состоит из нескольких этапов:

1.В чистую сухую колбу из бюретки отмеряют 10 см³ раствора HCI заданной концентрации (1 н или 1,5 н) и 10 см³ раствора сахарозы. Кислота является катализатором. Растворы сливают, перемешивают и заливают в поляриметрическую трубку. Убедившись в отсутствии пузырьков воздуха, трубку помещают в поляриметр и измеряют угол вращения плоскости поляризации для начального момента времени ( ). Отсчет берут в 3-х кратной повторности и находят среднее значение .

2. Не вынимая трубки из поляриметра, измеряют углы и т.д., через заданные интервалы времени.

3. Для измерения угла вращения в равновесном растворе ( ) необходимо воспользоваться заранее приготовленной смесью или оставить реагирующую смесь на 24 часа и также произвести измерения a_¥.

Результаты измерения заносят в табл. 2.2, оформленную согласно заданию.

ЗАДАНИЕ 1.Целью этого задания является установление порядка реакции.

Физический смысл установления порядка реакции заключается в определении числа молекул веществ, от изменения концентрации которых зависит скорость реакции, что позволяет установить механизм химического взаимодействия в рассматриваемой системе.

Одним из методов определения порядка реакции является метод подстановки в кинетические уравнения реакции. Сущность его заключается в том, что производят расчет величины константы скорости изучаемой реакции, используя экспериментальные измерения путем их подстановки в кинетическое уравнение реакции первого порядка, и по постоянству значений константы скорости устанавливают порядок реакции. Если, например, подстановка экспериментальных данных в кинетическое уравнение первого порядка и расчет показали постоянство величины константы скорости, то эта реакция первого порядка. Результаты поляриметрических измерений заносят в табл. 2.2

По полученным данным, пользуясь уравнением (2.59), вычисляют значение константы скорости для разных промежутков времени, затем определяют ее среднее значение К (ср.) –см. уравние (2.60).

Таблица 2.2 Результаты поляриметрических измерений

, (2.60)

Рассчитывают среднюю ошибку работы:

, (2.61)

где: , и т.д. ( 2.62)

Если средняя ошибка незначительна, в пределах до 5×10^-3, то это означает, что значения константы скорости для разных промежутков времени близки друг к другу. Следовательно, изученная реакция подчиняется закономерностям кинетического уравнения первого порядка и является реакцией первого порядка.

ЗАДАНИЕ 2. Предполагает изучение влияния концентрации катализатора (хлористоводородной кислоты) на скорость процесса гидролиза сахарозы. Растворы готовятся и измеряются углы вращения согласно методике, описанной выше (см. с 13 ) с двумя концентрациями кислоты: 1н и 1,5 н. Данные опыта заносятся в две таблицы (см. табл. 2) с указанием концентрации катализатора.

По уравнению (2.59) рассчитывают К_v и находят средние значения констант скорости ( ур-ние 2.61 ) при 1,0 н и 1,5 н концентрациях хлористоводородной кислоты. Значения полученных К сравнивают и делают выводы о влиянии концентрации катализатора на скорость реакции.

ЗАДАНИЕ 3. Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа, то есть температурный коэффициент реакции равный отношению констант К_(Т+10) и К_Т будет от 2 до 4

g = = 2 - 4(2.63)

Для установления влияния температуры на скорость процесса гидролиза сахарозы, а также расчета значения температурного коэффициента, необходимо провести процесс – при двух различных температурах, например, один при температуре окружающей среды (Т), а другой – на 10 ⁰С выше -(Т+10). Методику приготовления раствора см. с. 111 . Данные заносят в табл. 2.2 и по уравнению (2.59) рассчитывают скорости для различных температур, а затем, используя закон Вант-Гоффа - уравнение (2.63), находят значение температурного коэффициента и делают выводы. Для расчета энергии активации системы используют математический способ, в основе которого лежит решение системы уравнений Аррениуса :

ln K_T = ln K₀ -

ln K_T+10 = ln K₀ -

Откуда

(2.64).

ЗАДАНИЕ 4. К 50 см³ фруктового или овощного сока (виноградного, яблочного, морковного или других) приливают 10 см³ 10%-го раствора уксуснокислого свинца (для осаждения растворимых фракций). Раствор фильтруют, фильтр промывают 10 см³ дистиллированной воды и соединяют с основным фильтратом. Для выделения избытка ионов свинца к фильтрату прибавляют 10 см³ 10%-го Na₂SO₄.

Раствор повторно фильтруют в мерную колбу объемом 100 см³, промывают фильтр дистиллированной водой (не более 5 см³) и доводят объем раствора в колбе до метки водой. Далее опыт проводят согласно вышеописанной методике (см. стр. 110-113 ).

Приготовленные испытуемые растворы разливают в две колбы: в одну колбу добавляют 10 см³ 1н HCl, в другую столько же – 1,5н HCl. Для измерения a_¥ готовую смесь оставляют до следующего занятия. Данные заносят в таблицу. Расчет константы скорости проводят по уравнению (2.59) и делают выводы.

ЗАДАНИЕ 5,6. Изучение кинетики реакции функсинсернистой кислоты с формальдегидом и реакции образования железороданидного комплекса.

При взаимодействии функсинсернистой кислоты с формальдегидом и реакции образования железороданидного комплекса наблюдается изменение окраски раствора, поэтому измерение концентрации в ходе реакции можно проводить фотоколориметрическим методом с помощью КФК-2 при 490нм ( для реакции фуксинсернистой кислоты с формальдегидом) и при 400 нм ( для железороданидного комплекса) (см. инструкцию измерения на приборе). Относительно трифенилметанового и железороданидного комлексов реакция 1 порядка, а, следовательно, её ход описывается кинетическим уравнением:

К₁ = lg ,

где С_о –Х = С и так как при t = 0, С₀ = 0 идет изменение концентрации окрашенного комплекса, то: .

Так как определение концентрации через определенные интервалы времени проводится по изменению абсорбции света (D_λ), то

C= и lgJ_O/J= Cl=D_l (2.65)

где: и l- величины постоянные для данного процесса, следовательно, построив графическую зависимость (см. рис. 2.7), описывающую уравнение (2.65), можно найти:

lg D_l K = 2,303 tg a (2.66)

1

2

t, время

Рис. 2.7. Примерный график зависимости абсорбции света (D_λ)

от времени течения реакции (t).

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для определения порядка реакции используют метод избытка:

для выполнения работы 5 в чистую колбу отмеряют 10 см³ 0,1%-го раствора формальдегида и вносят туда же с помощью пипетки 0,2см³ 1 %-го раствора функсинсернистой кислоты. Раствор взбалтывают, быстро наливают в кювету и измеряют абсорбцию света через каждую минуту. Данные заносят в табл. 2.3. Измерения прекращают, если 3-4 значения D_λ одинаковы. Опыт повторяют. Берут 20 см³ 0,1%-го формальдегида и 0,4 см³ 1%-го раствора функсинсернистой кислоты, занося данные в табл. 2.3 (измерение 2).

Строят графические зависимости, откладывая на оси абсцисс t (мин.), а по оси ординат - lg D_λ (рис. 2.7). Измерив угол наклона прямой ( и ) и найдя численное значение - и , вычисляют К₁ и К₂ по уравнению (2.66). Если К₁ и К₂ имеют близкие значения, то данная реакция относится к реакциям 1 порядка относительно фуксинсернистой кислоты

Таблица 2.3 Результаты измерений абсорбции света

для выполнения работы 6наливают в мерную колбу объемом 100 см³ 40 см³ раствора Fe₂ (SO₄ )₃ c концентрацией 1∙ 10^-5 г/см³ .К отобранному раствору приливают 1см³ HNO₃ ( 1: 1) и 5 см³ 10 % раствора NH₄ CNS, доливают до метки водой и тщательно перемешивают и сразу измеряют абсорбцию света. Проводят 5-6 измерений через каждые 10 мин. Данные заносят в таблицу 2.4 (столбец 1).

Таблица 2.4 Результаты измерений абсорбции света

Опыт повторяют. Берут 25 см³ см³ раствора Fe₂ (SO₄ )₃ c концентрацией 1∙10^-5 г/см³ .К отобранному раствору приливают 1см³ HNO₃ ( 1: 1) и 5 см³ 10 % раствора NH₄ CNS, доливают до метки водой, тщательно перемешивают и сразу измеряют абсорбцию света. И опять проводят 5-6 измерений через каждые 10 мин. Данные заносят в таблицу 2.4 ( столбец 2 ).

Строят графические зависимости, откладывая на оси абсцисс t (мин.), а по оси ординат - lg D_λ (рис. 2.7). Измерив угол наклона прямой ( и ) и найдя численное значение - и , вычисляют К₁ и К₂ по уравнению (2.67). Если К₁ и К₂ имеют близкие значен

ия, то данная реакция относится к реакциям 1 порядка.

ЗАДАНИЕ 7. Определение константы скорости реакции

взаимодействия трихлорида железа с иодидом калия.

Реакция взаимодействия трихлорида железа с иодидом калия характеризуется уравнением

FeCl₃+ 2KJ® 2FeCl₂ + 2KCl + J₂­,

из которого следует, что образование J₂ изменяет окраску раствора, и, следовательно, за ходом этой реакции можно наблюдать фотоколориметрическим методом с помощью КФК-2, 3 при = 400 нм.

Реакция является бимолекулярной, а значит, ее скорость зависит от концентрации обоих реагентов:

V = K [FeCl₃] [KJ].

Поскольку эксперимент проводят при равных концентрациях исходных [FeCl₃] = [KJ] , то в общем виде можно записать:

V = KC², следовательно, кинетическое уравнение реакции П порядка имеет вид:

, (2.68)

где: С₀ - начальная концентрация реагентов, моль/дм³;

Х - уменьшение концентрации реагентов за время t, моль/дм³.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Готовят фотокалориметр к работе (см. правила работы на приборе).

2. Готовят стандартный (эталонный) раствор: для этого смешивают в колбе 5 см ³ FeCl₃ и 20 см ³дистиллированной воды .

3. В другую колбу отмеряют 5см³ FeCl_3, 15см³ дистиллированной воды и 5 см³ KJ в указанной последовательности. Растворы тщательно перемешивают. В момент прилива KI начинают отсчет времени.

4. Заливают раствор в кювету и измеряют абсорбцию света (D_λ) при = 400 нм через каждые 2 мин (от начала реакции). Измерения продолжают до получения 2-х одинаковых результатов D_λ. Данные заносят в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Время от начала реакции, t, мин				…
Оптическая плотность, Dλ
Концентрация йода, С×103 моль/дм3
Константа скорости, [мин × моль/дм3]

5. По данным, приведенным в табл. 2.6, строят калибровочный график D_l = f [J₂] и по нему определяют концентрацию полученных растворов и ее значение заносят в табл.2.5.

Таблица 2.6 Данные для построения калибровочного графика

6. Рассчитывают значение константы скорости для каждого момента времени по концентрации J₂, а, следовательно, уравнение будет иметь вид:

, (2.69)

где C_t – концентрация йода для данного момента времени,

моль/дм³;

C_max-концентрация в момент окончания реакции (соответствует

D_max).

7. По полученным данным находят среднее значение

8. Рассчитывают среднюю ошибку работы по уравнению (2.61) и, если средняя ошибка незначительна, т.е. DК_ср< 5 10^-3, то это означает, что константы скорости близки друг к другу, и изучаемая реакция является реакцией 2^го порядка.

ТЕМА 3.