Кафедра физхимии ЮФУ (РГУ) - Практикум по физической химии - Кинетика

Кафедра физхимии ЮФУ (РГУ)

ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

для студентов химического факультета

Работа № 11
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ И ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ РЕАКЦИИ ИОДИРОВАНИЯ АЦЕТОНА

Задания к работе

1. Изучить кинетику реакции иодирования ацетона методом отбора проб при двух температурах.

2. Построить кинетические кривые реакции.

3. Определить графическим и аналитическим методами среднюю константу скорости реакции при каждой температуре.

4. Рассчитать температурный коэффициент константы скорости и энергию активации реакции.

Описание работы

Реакция иодирования ацетона протекает в соответствии с уравнением:

Реакция иодирования ацетона протекает в соответствии с уравнением

Эта реакция катализируется кислотами; поскольку одним из продуктов является иодоводородная кислота, по мере протекания реакции её скорость возрастает (автокаталитическая реакция). Реакция иодирования ацетона не является элементарной и протекает в две стадии:

1. Катализируемая ионами водорода енолизация ацетона:

Катализируемая ионами водорода енолизация ацетона

2. Взаимодействие иода с енольной формой:

Скоростьопределяющей (лимитирующей) в данном случае является первая стадия, поэтому скорость реакции зависит от концентрации ацетона и ионов водорода, но не зависит от концентрации иода:

(1)

Выражение для константы скорости реакции иодирования ацетона имеет следующий вид:

(2)

где С_А – начальная концентрация ацетона, моль/л;
С_Н – начальная концентрация ионов водорода, моль/л;
ΔС_A – изменение концентрации ацетона за время τ, прошедшее от начала реакции, моль/л.

Концентрация реагентов в каждый момент времени при выполнении данной работы определяется титриметрически. Оттитровывая пробы реакционной смеси раствором тиосульфата натрия через некоторые промежутки времени, определяют изменение концентрации иода, которое численно равно изменению концентрации ацетона и ионов водорода. Чтобы остановить реакцию на время титрования, отобранные пробы выливают в раствор гидрокарбоната натрия, в результате чего связываются ионы водорода, играющие в данном случае роль катализатора.

Ход выполнения работы

Два термостата устанавливают на заданные температуры (не ниже 25 °С, поскольку при более низких температурах реакция протекает слишком медленно). В мерную колбу на 250 мл наливают 25 мл 0.1 н раствора иода в 4 % растворе иодида калия, добавляют 25 мл 1 н раствора соляной кислоты и 160-170 мл воды (не доводя уровень раствора в мерной колбе примерно на 5 см). Колбу помещают в термостат; одновременно в термостат помещают другую колбу с дистиллированной водой.

В коническую колбу на 25 мл с притёртой пробкой наливают 10 мл дистиллированной воды и взвешивают на аналитических весах. Затем в колбу с помощью пипетки вносят 1-1.5 мл ацетона, плотно закрывают пробкой, вновь взвешивают и рассчитывают массу ацетона. После взвешивания колбу помещают в термостат и выдерживают 10-15 минут.

После установления заданной температуры раствор ацетона выливают в мерную колбу с подкисленным раствором иода, дважды ополаскивают небольшими порциями дистиллированной воды, помещённой ранее в термостат, и доводят объём раствора в мерной колбе до метки. Содержимое колбы быстро перемешивают и тотчас отбирают пипеткой пробу объёмом 25 мл, которую выливают в заранее приготовленную колбу для титрования, содержащую 25 мл 0.1 н раствора гидрокарбоната натрия. Время отбора первой пробы принимают за время начала реакции.

Отобранную пробу титруют 0.01 н раствором тиосульфата натрия, используя крахмал в качестве индикатора (раствор крахмала добавляют в колбу для титрования, когда окраска титруемого раствора изменится до соломенно-жёлтой).

В течение опыта необходимо отобрать 6-8 проб, первые три через каждые 10 минут, последующие через 15-20 минут.

Изменение концентрации ацетона ΔС_A за время, прошедшее от начала опыта, рассчитывают по формуле (3)

(3)

где V_o – объём раствора тиосульфата, пошедший на титрование первой пробы, мл;
V_τ – объём раствора тиосульфата, пошедший на титрование пробы, отобранной в момент времени τ, мл;
N – нормальность раствора тиосульфата натрия.

Константу скорости реакции рассчитывают по уравнению (2) для каждого момента времени, после чего находят её среднее значение.

Параллельно описанному опыту проводят второй аналогичный опыт при другой температуре, отличающейся на 5-15 °С, и также рассчитывают среднее значение константы скорости.

Используя средние значения констант скорости реакции иодирования ацетона при двух различных температурах, находят по формуле (4) величину энергии активации реакции:

(4)

Результаты опытов представляют в виде следующей таблицы:

Опыт 1 (температура Т₁)				Опыт 2 (температура Т₂)
τ, мин	V, мл	С_Х, моль/л	k	τ, мин	V, мл	С_Х, моль/л	k
0				0
10				10
20				20
...				...
k_ср =				k_ср =