Лабораторная работа по дисциплине «Химия» для ТулГУ

ЛР №3. Скорость химических реакций и химическое равновесие

3.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить влияние различных факторов на скорость химической реак­ции, ознакомиться с методами определения средней константы скорости, порядка реакции, энергии активации.

3.2. ОБЪЕКТЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

0.1М растворы тиосульфата натрия и серной кислоты, дистиллированная вода,  пробирки, две бюретки, пипетка на 2мл,  термостат, секундомер.

3.3. ПРОГРАММА РАБОТЫ

3.3.1. Исследование кинетики взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой

3.3.1.1. Влияние концентрации на скорость реакции.

В результате реакции между серной кислотой и тиосульфатом натрия образуется сера, выделяющаяся в виде мути.

Реакция идет в три стадии:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄  =  Na₂SO₄ + Н₂S₂O₃

Н₂S₂O₃ = H₂SO₃ + S

H₂SO₃ = H₂O + SO₂

Суммарное уравнение:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ =  Na₂SO₄ + SO₂ + S + H₂O

Самая медленная, скоростьопределяющая стадия – вторая.

Время от начала реакции до момента помутнения (голубоватой опалесценции)  зависит  от  скорости реакции.  Это дает возможность судить о средней скорости реакции.

Ход работы

Приготовить четыре раствора тиосульфата натрия разной концентрации согласно таблице 3. Поочередно к каждому раствору прибавить по 2мл 0,1М раствора серной кислоты и измерить время от момента приливания кислоты до момента появления помутнения. Результаты занести в таблицу 3 (t=T₁), учитывая что  ΔС есть величина постоянная, равная 4·10^-3 моль/л.

Таблица  3

№  опыта	Объем, мл			Конентрация Na2S2O3, моль/л	lgC	Температура
						Т1, К			Т2, К
	Na2S2O3 0,1 М р-р	H2O	H2SO4 0,1M р-р			Время, τ, с	Средняя скорость реакции, V=ΔC/τ, моль/л·с	lgV	Время, τ, с	Средняя скорость реакции, V=ΔC/τ, моль/л·с
1	2	6	2
2	4	4	2
3	6	2	2
4	8	—	2

На основании полученных данных построить графики lgV = f (lgC) для определения порядка реакции при t=T₁ и V = f(C) для определения константы скорости реакции k при  двух температурах.

3.3.1.2. Влияние температуры на скорость реакции.

Опыт проводить аналогично предыдущему. Однако растворы тиосульфата натрия и серной кислоты перед смешением предварительно нагреть в термостате в течение 5 минут.

Результаты записать в таблицу 3 (t=T₂).

По результатам расчетов и измерений построить график V = f(C) и опре­делить константу скорости реакции  k₂  при повышенной температуре (Т₂).

На основании данных опытов 3.1.1. и 3.1.2. рассчиттывают энергию ак­тивации реакции Е_акт. по формуле:

,

где R – универсальная газовая постоянная,  8,31 Дж/(моль·К);

Т₁ и Т₂ – температура, К ;

k₁ и k₂ – константы скорости реакции при темпера­турах Т₁ и Т₂, соответственно, с^-1.

3.3.2. Влияние изменения концентрации реагирующих веществ на химическое равновесие

При взаимодействии хлорного железа с тиоцианатом калия появляющая­ся красная окраска раствора обусловлена образованием тиоцианата желе­за(III):

FeCl₃+ 3KSCN = Fe(SCN)₃+ 3KCl

Изменяя концентрации участвующих в реакции веществ, можно по изме­нению окраски судить о направлении смещения химического равновесия.

Программа работы

3.3.2.1. К 20  мл  дистиллированной  воды добавить две капли раствора хлорида  железа(III)  и  две капли раствора тиоцианата калия.

3.3.2.2. Окрашенный раствор разлить поровну на три пробирки. Первую пробирку оставить для сравнения, во вторую добавить несколько капель раствора KSCN, в третью — кристаллический КСl. Перемешать растворы в пробир­ках. Сравнить окраску растворов в этих двух пробирках с окраской раствора в первой пробирке.

3.3.2.3. Объяснить усиление и ослабление окраски. Пользуясь выражением константы химического равновесия для этой реакции, сделать вывод о смещении химического равновесия при изменении концентраций реагирующих веществ.

3.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Укажите, какими изменениями концентраций, давления и температуры можно сместить равновесие в сторону продуктов реакции в следующих процессах:

1	Fe2O3(к) + 3 CO(г)2 Fe(к) + 3 CO2(г)	ΔH<0
2	С(к) + Н2О(г)СО2(г) + 2 Н2О(г)	ΔН>0
3	2 NO(г) + O2(г)СО(г) + Н2(г)	ΔН<0
4	CН4(г) + 2 О2(г)CO2(г) + 2H2O	ΔH<0
5	N2(г) + 3 H2(г)2 NH3(г)	ΔH<0
6	CO2(г) + C(к)2 CO(г)	ΔH>0
7	Fe2O3(к) + 3 H2(г)2Fe(к) + 3 H2O(г)	ΔH>0
8	2 ZnS(к) + 3 O2(г)2 ZnO(к) + 2 SO2(г)	ΔH<0
9	2 SO2(г) + O(г)2 SO(г)	ΔH<0
10	CO(г) + NH(г)(NH2)2CO(к) + H2O(г)	ΔH<0
11	2 C(г) + O2(г)2 CO2(г)	ΔH<0
12	2 H2S(г) + O(г) 2 S(к) + 2 H2O(г)	ΔH<0
13	CH4(г) + 2 H2O(г)CO2(г) + 4 H2(г)	ΔH>0
14	2 PH3(г) + O2(г)P2O5(к) + 3 H2O(ж)	ΔH<0
15	3 Fe(к) + 4 H2O(г)Fe2O3(к) + 4 H2(г)	ΔH<0
16	WO3(к) + 3 H(г)W(к) + 3 H2O(г)	ΔH>0
17	Cu2O(к) + CO(г)2 Cu(к) + CO2(г)	ΔH<0
18	SO2(г)+ 2 H(г) S(к) + 2 H2O(г)	ΔH<0
19	H2(г) + I2(г)2 HI(г)	ΔH>0
20	FeO(к) + CO(г)Fe(к) + CO2(г)	ΔH<0
21	2 Cl2(г) + 2 H2O(г)4 HCl(г) + O2(г)	ΔH>0
22	MgO(к) + C(к)Mg(к) + CO(г)	ΔH>0
23	SnCl4(г) + 2 H2S(г)SnS2(к) + 4 HCl(г)	ΔH>0
24	TiO2(к) + 2 C(к) Ti(к) + 2 CO(г)	ΔH>0
25	PbO(к) + CO(г)Pb(к) + CO2(г)	ΔH<0
26	I2(к) + H2S(г)2 HI(г) + S(к)	ΔH>0
27	2 NO2(г) N2O4(г)	ΔH<0
28	SnCl4(г) + 2 H2(г)    Sn(к) + 4 HCl(г)	ΔH>0
29	Fe3O4(к) +2 C(к)3Fe(к) + 2 CO2(г)	ΔH>0
30	MgO(к) + 2 HCl(г) MgCl2(к) + H2O(г)	ΔH<0

3.5. ЗАДАЧИ

1. Вычислите энергию активации и температурный коэффициент скорости реакции, если при повышении температуры от 300 до 330 К ее скорость возросла в 9 раз.

2. При 30°С реакция протекает за 45 с. Определите время прохождения реакции при 20°С, если энергия активации равна 65 кДж/моль.

3. Определите энергию активации реакции, константа скорости которой равна 1,4 и 9,9 (усл.ед.) при 25 и 60°С соответственно.

4. Во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении температуры от 20 до 100°С, если энергия активации равна 125 кДж/моль.

5. Константа скорости некоторой реакции при 298 К равна 2,03710^-3(усл.ед.), а энергия активации – 103,5 кДж/моль. Вычислите константу скорости реакции при 288 К.

6. Определите энергию активации и константу скорости при 30°С для реакции, константа скорости которой при 20 и 50°С равна соответственно 3710^-2 и 4710^-1 (усл.ед.)

7. Определите, при какой температуре реакция закончится за 45 мин, если при 293 К на это требуется 3 ч. Энергия активации равна 140 кДж/моль.

8. Во сколько раз возрастет скорость реакции при понижении энергии активации со 150 до 100 кДж/моль под действием катализатора при температуре 300 К.

9. Вычислите энергию активации реакции, если при 20°С она заканчивается за 110 с, а при 30°С – за 45 с.

10. На сколько градусов нужно повысить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 50 раз, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2,3.

11. Определите, во сколько раз увеличится скорость элементарной газовой реакции 2NO + Cl₂  2NOCl при повышении давления в системе в 5 раз.

12. Как изменится скорость элементарной реакции Н₂ + I₂  2HI при увеличении концентрации Н₂ в 4 раза, а концентрации I₂ в 2 раза.

13. В растворе протекает реакция А + В  D. Напишите кинетическое уравнение данной реакции, если установлено, что ее скорость возрастает в 4 раза при увеличении концентрации вещества А в 2 раза и не зависит от концентрации вещества В. Как изменится скорость реакции при разбавлении раствора в 2 раза.

14. Установлено, что газовая реакция, протекающая по уравнению А + 2В  D имеет первый порядок по веществу А и первый порядок по веществу В. Как изменится скорость реакции при уменьшении давления в системе в 3 раза?

15. Реакция протекает по уравнению 2NO + О₂  2NO₂ Начальные концентрации реагирующих веществ равны , . Как изменится скорость реакции при увеличении концентрации NO до 0,9 моль/л, а концентрации О₂ – до 1,2 моль/л? Рассматривать данную реакцию как элементарную.

16. Как изменится скорость газовой реакции 2N₂O5 4NO₂ + О₂ , которая описывается кинетическим уравнением  при увеличении объема реакционного сосуда в 2 раза?

17. Во сколько раз возрастет скорость элементарной реакции 2А + В  С при увеличении концентрации вещества А от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрации вещества В от 0,02 до 0,06 моль/л?

18. При некоторой температуре в системе 2SO₂ + О₂ 2SO₃ установилось равновесие при концентрациях ,  и  . Вычислите константу равновесия и исходные концентрации SO₂ и О₂.

19. Определите константу равновесия реакции N₂O₄  2NO₂, если начальная концентрация N₂О₄ составляла 0,08 моль/л, а к моменту равновесия продиссоциировало 50% N₂O₄.

20. Реакция протекает по уравнению А + В  2С . Определите равновесные концентрации веществ А, В и С, если исходные концентрации А и В равны соответственно 0,5 и 0,7 моль/л, а константа равновесия равна 50.

21. Константа равновесия реакции FeO(к) + CO_(г)  Fe_(к) + CO_2(г) при некоторой температуре равна 0,5. Найдите равновесные концентрации СО и СО₂, если начальные концентрации СО и СО₂ составляли 0,05 и 0,01 моль/л соответственно.

22. ΔG°₂₉₈ образования аммиака равна -16,64 кДж/моль. Вычислите константу равновесия реакции N₂ + 3H₂  2NH₃ при этой температуре.

23. Во сколько раз уменьшится скорость элементарной газовой реакции 2А + В  2С при уменьшении давления в системе в 3 раза и одновременном понижении температуры на 30°C? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

24. Определите стандартную энергию Гиббса химической реакции при 500 К, если константа равновесия при этой температуре равна 1010.

25. Вычислите энергию активации реакции разложения оксида азота(IV) 2NO₂  2NO + O₂, если константы скорости этой реакции при 600 и 640 К равны соответственно 83,9 и 407,0 л/(моль·с).

26. Пользуясь табличными данными, вычислите ΔH°₂₉₈, ΔG°₂₉₈ и константу равновесия при 298 К для реакции СО_2(г) + С_(к)  2СО_(г). Как повлияет на равновесие и константу равновесия понижение температуры?

27. Химическое равновесие реакции А + В  С + D установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ моль/л: С_А= 18,0; С_В = 12,0; С_С= 12,0; С_D= 24,0. Концентрацию вещества С понизили на 6 моль/л. Определите новые равновесные концентрации веществ А, В, С и D после смещения равновесия.

28. Две реакции протекают при 300 К с одинаковой скоростью. Определите соотношение скоростей этих реакций при 350 К, если температурные коэффициенты этих реакций равны 2 и 3.

29. В растворе протекает реакция А + 3В  С. Установлено, что реакция ускоряется в 3 раза при увеличении концентрации вещества А в 3 раза и в 4 раза при увеличении концентрации вещества В в 4 раза. Напишите кинетическое уравнение реакции и определите ее порядок.

30. Пользуясь табличными данными, вычислите константы равновесия при 298 и 1000 К для реакции Н₂О_(г) + СО_(г) СО_2(г) + Н_2(г). Зависимостью ΔН° и ΔS° от температуры пренебречь.