Ćwiczenie 12, 13.
Kinetyka chemiczna.
Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmującym się szybkością i mechanizmem
reakcji chemicznych w różnych warunkach.
Szybkość reakcji chemicznej jest związana z rodzajem reagujących substancji, ich stężeniem,
temperaturą reakcji oraz obecnością katalizatorów. Badania szybkości reakcji mają na celu
określenie mechanizmu reakcji, jak i również wyznaczenie równania kinetycznego danej
reakcji. Znajomość tych dwóch parametrów pozwala tak sterować reakcją, aby zachodziła ona
w najkorzystniejszych warunkach i z maksymalnym skutkiem (otrzymywanie maksymalnej
ilości produktów).
Według teorii zderzeń, aby dwie lub więcej cząsteczek mogły ze sobą przereagować i w
efekcie dać cząsteczkę produktu muszą się ze sobą zderzyć. Prawdopodobieństwo takiego
zderzenia jest tym większe im więcej jest cząsteczek substratów w mieszaninie reakcyjnej, a
więc im większe jest ich stężenie.
Szybkość reakcji chemicznej jest zależna od temperatury, w jakiej przebiega ta reakcja.
Prawie zawsze szybkość reakcji rośnie ze wzrostem temperatury, przy czym nie jest to wzrost
liniowy, lecz wykładniczy. W przybliżony sposób zależność tę podaje reguła van t Hoffa,
która stwierdza, że wzrost temperatury o 10 �C powoduje wzrost szybkości reakcji 2-4-
krotnie. Reguła van t Hoffa ma charakter przybliżony i często występuje odchylenie od tej
reguły. Ściślejszą zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury przedstawia
równanie Arrhenius a.
Ea
-
�ł �ł
k(T ) Ea 1 1
RT
�ł - �ł
k(T ) = A�" e �! ln =
�ł �ł
k(T0) R T T
�ł 0 łł
gdzie:
T0, T  temperatura w jakiej przebiega reakcja,
Ea  energia aktywacji,
R  stała gazowa
Na szybkość reakcji wpływa również obecność katalizatora. Jest to substancja, która
powoduje wzrost szybkości reakcji poprzez obniżenie energii aktywacji. Sama jednak nie
zużywa się i w niezmienionej postaci pozostaje po reakcji, dlatego też nie uwzględnia się jej
w stechiometrycznym równaniu reakcji. Zjawisko przyspieszania reakcji chemicznych przez
katalizator nosi nazwę katalizy.
Szybkość reakcji chemicznej zależy zatem od wielu czynników, spośród których należy
wymienić:
1. stężenie reagentów,
2. temperaturę,
3. występowanie katalizatora,
4. rodzaj rozpuszczalnika i inne czynniki takie jak np. światło dla reakcji
fotochemicznych.
Podczas przebiegu reakcji chemicznej, stężenie maleje w wyniku przereagowania kolejnej
ilości cząsteczek a więc szybkość reakcji ulega ciągłym zmianom w zależności od stężenia
33
cząsteczek reagujących w danej chwili. Na takiej podstawie można stwierdzić, że szybkość
reakcji chemicznej jest wielkością zmienną i można ją określić zmian stężenia w czasie.
dc
V = ą
dt
W najprostszym przypadku, gdy reaguje tylko jeden rodzaj cząsteczek, równanie kinetyczne
reakcji przedstawia się następująco:
dc
- = k �"c
dt
gdzie:
c  stężenie substratu,
t  czas,
k  stała szybkości reakcji.
Przekształcając to równanie do postaci:
dc
= k �" dt
c
i przyjmując, że na początku reakcji chemicznej, czyli dla t=0 stężenie substratu równe jest c0
oraz że, po czasie t osiąga stężenie c, możemy powyższe równanie przekształcić do postaci:
1 c0
k = ln
t c
Dzięki temu równaniu, znając stężenie początkowe substratu c0 oraz stężenie c po czasie t
jesteśmy w stanie wyznaczyć wartość stałej szybkości reakcji chemicznej.
Ilościowo szybkość reakcji chemicznej określa się jako zmianę stężenia substratu lub
produktu w jednostce czasu i dla reakcji typu:
A + B C
równanie określające szybkość reakcji ma postać
dcA dcB dcC
V = - = - = +
dt dt dt
gdzie:
cA, cB, cC  stężenia molowe substancji A,B, C.
Z uwagi na to, że stężenie substratów A i B ulega zmniejszeniu w czasie trwania reakcji
dcA dcB
wielkości i mają wartości ujemne.
dt dt
Znajomość mechanizmu reakcji pozwala na uzyskanie informacji nie tylko o tym, jakie
reagenty biorą udział w reakcji ale także czy reakcja przebiega bezpośrednio, czy z etapami
pośrednimi, czy przemiana chemiczna zaszła do końca. Aby poznać mechanizm reakcji
34
chemicznej należy uprzednio określić jej rzędowość i cząsteczkowość. W badaniach
kinetycznych zasadnicze znaczenie ma ustalenie rzędu reakcji.
Jeżeli w reakcji bierze udział tylko jedna cząsteczka, wówczas reakcję taką nazywamy reakcja
jednocząsteczkową lub monomolekularną. Szybkość takiej reakcji opisuje równanie
kinetyczne pierwszego rzędu:
V = k �" cA .
Jeżeli reakcja przebiega z udziałem dwóch cząsteczek to reakcja jest dwucząsteczkowa, a jej
szybkość wyraża równanie kinetyczne drugiego rzędu:
V = k �" c2 lub V = k �" cA �" cB .
A
Jeżeli w reakcji chemicznym biorą udział trzy cząsteczki to reakcja jest trójcząsteczkowa, a
szybkość takiej reakcji mogą wyrażać równania kinetyczne:
V = k �" c2 lub V = k �" c2 �" cB lub V = k �" cA �" cB �" cC
A A
Sumarycznym rzędem reakcji nazywamy sumę wykładników potęgowych w jakich występują
stężenia w równaniu kinetycznym. Najczęściej rząd reakcji nie odpowiada liczbie reagujących
cząsteczek równania kinetycznego.
Dla reakcji przedstawionej sumarycznym równaniem stechiometrycznym:
aA + bB + cC + ....... = ........
szybkość reakcji wyraża równanie:
b c
V = k �" ca �" cB �" cC ........
A
rząd reakcji określa suma wykładników:
a + b + c + ......
35
1. Ćwiczenie praktyczne. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji I rzędu dla katalizowanej
kwasem hydrolizy octanu metylu (etylu lub butylu) w temperaturze otoczenia (~20�
�C),
�
�
30� �C lub innych.
�C, 40 �
� �
� �
Celem ćwiczenia jest:
" wyznaczenie stałej szybkości reakcji hydrolizy octanu metylu na podstawie
miareczkowania alkacymetrycznego,
" sprawdzenie reguły van Hoff a,
" wyliczenie energii aktywacji dla reakcji hydrolizy octanu metylu z równania
Arrheniusa,
" analiza zależności szybkości reakcji w tej samej temperaturze od obecności
katalizatora
Sprzęt laboratoryjny: łaz
nia wodna (termostat), dwie zlewki na min 150 cm3, pipeta 5 cm3
wraz z pompką, biureta, cylinder miarowy 100 cm3, kolba ze szlifem na 250 cm3 (z korkiem)
stoper, tryskawka
Odczynniki: octan metylu (etylu, butylu) CH3COOCH3 (CH3COOCH3CH2,
CH3COOCH3CH2CH2), 0,1m HCl, 0,1m NaOH, fenoloftaleina, lód, woda destylowana
Opis ćwiczenia:
W wyniku reakcji hydrolizy octanu metylu (etylu lub butylu) powstaje kwas octowy i
odpowiedni alkohol (metylowy, etylowy, butylowy):
CH3COOCH3 + H2O = CH3COOH + CH3OH
Stopień przereagowania odpowiedniego octanu może być określony na podstawie
miareczkowania powstałego kwasu octowego zasadą sodową w obecności wskaz
nika 
fenoloftaleiny. Reakcja ta jest reakcją dwucząsteczkową, ale z uwagi na duże stężenie wody
w porównaniu ze stężeniem estru, nie ulega ono zmianie i reakcję tę można traktować jako
reakcję pierwszego rzędu. Proces hydrolizy estru przebiega bardzo powoli. Można go
przyspieszyć przez dodanie jonów wodorowych, które katalizują reakcję. Dlatego też w
środowisku kwaśnym reakcja ta przebiega znacznie szybciej.
Stałą szybkości tej reakcji oblicza się na podstawie wzoru:
1
�ł -V0 �ł �ł łł
�ł
1
�łV"
k = 2,303�" log�ł
�łs śł
t V" -Vt �ł
�ł łł
�ł �ł
gdzie:
V" - objętość zużyta do miareczkowania odpowiadająca całkowitemu przereagowaniu
V0 - objętość pierwszego miareczkowania,
Vt - objętość zużyta do miareczkowania po czasie t.
�ł - V0 �ł
V"
�ł �ł
lub na postawie wykresu zależności log�ł = f (t)
V" - Vt �ł
�ł łł
36
Wykonanie doświadczenia:
1. Do kolby ze szlifem na 250 cm3
a. wlać 100 cm3 0,1m HCl i odstawić na około 10-15 minut, (wyższe temperatury
- wstawić do łaz
ni wodnej)  reakcja katalizowana kwasem
b. wlać 100 cm3 wody destylowanej odstawić na około 10-15 minut, (wyższe
temperatury - wstawić do łaz
ni wodnej)  reakcja niekatalizowana
2. Do dwóch zlewek na min 150 cm3 (przeznaczonych do miareczkowania) wlać około
10-20 cm3 wody destylowanej oziębionej lodem,
3. W celu zapoczątkowania reakcji wlać 100 cm3 CH3COOCH3 (CH3COOCH3CH2,
CH3COOCH3CH2CH2), do kolby ze szlifem zawierającą 0,1m HCl lub wodę
destylowaną (w zależności od przeprowadzanej reakcji  katalizowanej lub
niekatalizowanej),
4. Energicznie wstrząsnąć kolbę i NATYCHMIAST przenieść po 5 cm3 roztworu do
dwóch zlewek zawierających oziębioną wodę, uruchomić stoper,
5. Kolbę z mieszaniną kwasu (wody) oraz estru pozostawić w odpowiednich warunkach
temperaturowych.
6. Miareczkować utworzony kwas octowy (wobec fenoloftaleiny) aż do uzyskania
trwałego różowego zabarwienia, (miareczkowanie wykonać dla dwóch próbek w tym
samym czasie),
7. Miareczkować kolejne porcje roztworu co pewien okres czasu, np.: co 5 minut (0, 5,
10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 minut).
8. Ostatni pomiar wykonać po pewnym dłuższym czasie ~90 minutach.
Opracowanie wyników:
1. Wartości zmierzone podczas zajęć zebrać w tabeli:
1
�ł V" -V0 �ł �ł łł
�ł �ł
log�ł
k
t [s] VNaOH [cm3]
�łs śł
V" -Vt �ł
�ł łł
�ł �ł
0 (V0) - -
300
600
900
1200
1500
....
pomiar ostatni np. po
- -
5400 (V")
wartość średnia kśr=
�ł - V0
�ł
V"
�ł �ł
2. Sporządzić wykres zależności log�ł = f (t) - papier milimetrowy lub w
V" - Vt �ł
�ł łł
arkuszu kalkulacyjnym Excel,
37
�ł -V0 �ł
�ł
1
�łV"
3. Obliczyć wartość k zgodnie z równaniem k = 2,303�" log�ł ,
t V" -Vt �ł
�ł łł
4. Wyznaczyć skałą szybkości na podstawie wykresu (pkt. 2)
5. Sprawdzić słuszność reguły van t Hoffa  porównać stałe szybkości reakcji hydrolizy
octanu metylu (etylu, butylu) dla temperatury otoczenia i innych wykonywanych na
ćwiczeniach (30�C, 40�C itp.)
6. Wyznaczyć energię aktywacji reakcji, z równania Arrheniusa (dane z pomiarów w
innej temperaturze dla jednego rodzaju estru)
7. Sformułować wnioski z doświadczeń:
a. porównać wyliczone stałe szybkości dla reakcji katalizowanej i
niekatalizowanej
b. porównać stałe szybkości wyliczone dla reakcji katalizowanych i
niekatalizowanych dla różnych temperatur
Wyznaczanie stałej szybkości reakcji hydrolizy estru metodą graficzną:
�ł -V0
�ł
V"
�ł �ł
log�ł
V" -Vt �ł
�ł łł
tg ą= k
t, s
38


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Farmacja cw 1 12
chemia organiczna octan etylu
cad 1 I Cw 12 12
Cw 12 Obwody rezonansowe
0028 Octan etylu
Ćw 12 Dziedziczenie chorob jednogenowych
cad2 cw 12
Farmacja cw 3 12
Sprawozdanie ćw 12 (4)
octan etylu
Ćw 12 Namnażanie wirusów w hodowlach komórkowych CPE
Instrukcja laboratorium ETP ćw 2 12
WPROWADZENIE DO SOCJOLOGII cw 2 12 2014
Cw 12 v8XM
ćw 12
Sprawozdanie ćw 12 (5)
cw 12 stara instrukcja
ĆW 12

więcej podobnych podstron