XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Главной кинетической характеристикой любой химической реакции является ее удельная скорость или, как ее принято называть, константа скорости реакции. Так как множество химических реакций имеют разные механизмы протекания, не существует единого уравнения для ее расчета, и поэтому в формальной кинетике введена такая структурная единица, как порядок реакции, объединяющий под собой реакции со схожим механизмом. Каждый порядок имеет свое кинетическое уравнение и поэтому точное определение порядка реакции является важной задачей при изучении кинетики процесса. Методы определения порядка всегда основаны на эксперименте, и могут иметь графическое или аналитическое решение. В качестве объекта исследования нами взята реакция между персульфатом натрия (Na₂S₂O₈) и йодистого калия KI.

Na₂S₂O₈ + 2KI = K₂SO₄ + I₂ + Na₂SO₄

или S₂O₈^2- + 2I^- = 2SO₄^2- + I₂ (1)

Реакция (1) включает следующие промежуточные стадии:

I^- + S₂O₈^2- = S₂O₈I^3- (a)

S₂O₈I^3- = S₂O₈^3- + I^- (b)

S₂O₈^3- + I^- = 2SO₄² + I^- (c)

(При почленном сложении уравнений (a), (b), (c) получим исходное уравнение (1) реакции)

Наиболее медленной стадией является реакция (а). Поэтому она определяет скорость всего процесса. Таким образом, кинетическое уравнение реакции (1) будет выглядеть так:

v = -dC/dτ = K×C_I^- × C_S2O8^2-

Известно, что суммарный порядок реакции равен сумме показателей степеней в кинетическом уравнении реакции. Следовательно, реакция окисления йодистого калия персульфатом (1) является реакцией второго порядка. Сущность данной работы заключается в том, что готовят в пробирках 7 растворов, содержащих равные количества реагирующих веществ Na₂S₂O₈ и KI (каждый раствор содержит по 5 мл 0,04н Na₂S₂O₈ или (0,04×5)/1000 = 0,0002 граммэквивалента и по 0,5мл 0,4н KI или (0,4×0,5)/1000 =0,0002 граммэкввалента). В эти растворы вводят известные все возрастающие количества тиосульфата натрия Na₂S₂O₃ (от 1 до 7 мл 0,01 и Na₂S₂O_3, что составляет от

(0,01×1)/1000 = 1×10^-5 до (0,01×7)/1000 = 7×10^-5 граммэквивалентов).

Образующийся в процессе реакции (1) йод взаимодействует с добавленным тиосульфатом, окисляя его. В момент, когда тиосульфат будет полностью окислен в растворе появляется свободный йод, который в присутствии крахмала окрасит раствор в синий цвет. Поскольку число граммэквивалента прореагировавшего тиосульфата равен числу граммэквивалентов персульфата натрия (или йодистого калия), то по этому количеству граммэквивалентов тиосульфата можно судить, сколько граммэквивалентов персульфата натрия Na₂S₂O₈ (или йодистого калия) вступило в реакцию ко времени появления синей окраски. Так определяют количество исходных веществ (Na₂S₂O₈ и KI) в зависимости от времени протекания реакции.

Поскольку в данной работе берутся одинаковые количества окисления и восстановления (число граммэквивалентов KI равно числу граммэквивалентов Na₂S₂O₈), константу скорости реакции второго порядка вычисляют по уравнению:

K= ×(2)

Где а – исходное количество граммэквивалентов реагирующего вещества (персульфата натрия и йодистого калия);

х – количество граммэквивалентов персульфата натрия и йодистого калия, прореагировавшее к данному моменту времени;

Для определения константы скорости используют также и графический метод, заключающийся в следующем. Уравнение (2) можно привести к виду:

a ×K×τ =

Это уравнение прямой вида y = ax, в котором роль y играет x/(а-х), роль х – это τ, а угловым коэффициентом является множитель аK. Следовательно, если по оси абсцисс откладывать значения τ, а по оси ординат соответствующие им значения x/(а-х), то получим ряд точек, через которые можно провести прямую, выходящую из начала координат. Как известно, угловой коэффициент прямой равен тангенсу угла наклона ее к оси абсцисс. Следовательно, можно записать:

K=

tgα = a×K

Определив тангенс угла наклона экспериментальной прямой, вычисляют Кср – среднее значение константы скорости реакции.

Экспериментальная часть

В семь пронумерованных пробирок с помощью пипетки вводят по 5мл 0,04н раствора персульфата натрия Na₂S₂O₈ (исходное количество граммэквивалента этого реагента α составляет , таким образом

(0,04 × 5)/1000 = 0,0002)

Для получения стабильных значений константы скорости во все пробирки приливают по 2мл 0,1н раствора Na₂SO_4. Затем в пробирки последовательно добавляют 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 мл 0,01н раствора тиосульфата натрия Na₂S₂O_3.

Чтобы объем раствора сделать во всех пробирках одинаковым, в них соответственно приливают 6, 5, 4, 3, 2, 1 мл дистиллированной воды.

В полученные растворы вводят по несколько капель раствора крахмала, после чего содержимое пробирок перемешивают путем осторожного встряхивания.

Дальнейший ход работы заключается в том, что в пробирки приливают 0,5 мл 0,4н раствора йодистого калия KI (исходное количество граммэквивалентов KI составляет таким образом (0,4×0,5)/1000 = 0,0002, т.е. будет равно α – исходному количетсву граммэквивалентов персульфата натрия Na₂S₂O₈)_.

Таблица 1

Последовательность введения	Объем компонента, мл	Номер пробирки
		1	2	3	4	5	6	7
1	0,04 н Na2S2O8	5	5	5	5	5	5	5
2	0,10 н Na2SO4	2	2	2	2	2	2	2
3	0,01 н Na2S2O3	1	2	3	4	5	6	7
4	H2O	6	5	4	3	2	1	0
5	р-р крахмала (капли)	3	3	3	3	3	3	3
6	0,04 н KI	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5

Момент введения раствора KI отмечают для каждой пробирки как время начала реакции τ_н. Содержимое пробирки перемешивают и внимательно наблюдают за окраской раствора. В момент появления синей окраски отмечают время окончания окисления данной порции тиосульфата йодом τ_к, для каждой из пробирок. Разность (τ_{к -} τ_н) дает время реакции τ_.

Число граммэквивалентов персульфата натрия (или йодистого калия), вступивших в реакцию к данному моменту времени (х), вычисляют по формуле:

х =

где V – объем введенного в реакционную смесь 0,01н раствора тиосульфата натрия.

Результаты опытов и расчетов вводят в таблицу 2:

№ пробирки	τн мин, сек	τк мин, сек	τк – τн	Кол-во в-ва KI или Na2S2O3 прореагировавшее к моменту появлению окраски, г-экв	Отношение количеств прореагировавшего в-ва к пепрореагировавшему	Расчетные значения K
1	9:30	9:49	19	х = 0,00001	0,05	K= ×   0,23
2	9:31	10:15	44	0,00002	0,11	0,21
3	9:32	10:17	45	0,00003	0,18	0,33
4	9:32	10:39	67	0,00004	0,25	0,31
5	9:33	10:41	68	0,00005	0,33	0,41
6	9:33	10:49	76	0,00006	0,43	0,47
7	9:34	10:59	85	0,00007	0,54	0,53

Расчетная часть.

Рассчитаем число граммэквивалентов персульфата натрия (или йодистого калия), вступивших в реакции к данному моменту времени (х) по формуле:

X =

X₁ = = 0,00001

X₂ = = 0,00002

X₃ = = 0,00003

X₄ = = 0,00004

X₅ = 0,00005

X₆ = = 0,00006

X₇ = = 0,00007

Рассчитаемотношение количеств прореагировавшего в-ва к не прореагировавшему по формуле:

где α = = 0,0002

= = 0,05

= = 0,11

= = 0,18

= = 0,25

= = 0,33

= = 0,43

= = 0,54

Рассчитаем константу скорости реакции второго порядка K по формуле:

K= ×

K₁ = × = 0,23

K₂ = × = 0,21 л/моль×с

K₃ = × = 0,33 л/моль×с

K₄ = × = 0,31 л/моль×с

K₅ = × = 0,41 л/моль×с

K₆ = × = 0,47 л/моль×с

7 = × = 0,53 л/моль×с

Заключение

В результате эксперимента мы показали, что реакция окисления йодистого калия персульфатом натрия является реакцией второго порядка, так как рассчитанная по уравнению второго порядка константа принимает постоянное значение.

Список используемой литературы:

1. Электронный учебник «Физическая химия. Химическая термодинамика» Данилин В.Н., Шурай П.Е. Боровская Л.В. /yчебное пособие Издательство: ФГУП НТЦ "Информрегистр" (Москва) Год издания: 2010.

2. Физическая и коллоидная химия: методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения направления 19.03.03 Продукты питания животного происхождения/ Сост.: Л.В.Боровская; Кубан. гос., технол. ун -т. Каф. химии. - Краснодар.: 2021. -180 с.

Код для цитирования: Скопировать