7. gyakorlat

Országok listájaHungarySzegedi TudományegyetemTermészettudományi és Informatikai Kar (SZTE-TTIK)Nem tanári szakokKörnyezetmérnökiKémia LaborgyakorlatJegyzetek7. gyakorlat

R EAKCIÓKINETIKA ALAPJAI
Egy kémiai reakció sztöchiometriai egyenletének általános alakja a következ formában adható meg o
k i=1

iAi

= 0 ,

(1)

ahol Ai a reakcióban résztvev i-edik részecske, i pedig az i-edik részecske sztöchiometriai együtthatója. A o i egész szám, értéke negatív, ha reaktánsokról, pozitív ha termékekr l van szó. o A fenti egyenlettel jellemzett sztöchiometriájú reakció sebességét (r) az alábbiak szerint definiáljuk r = 1 d[Ai ] i dt , (2)

ahol a d[Ai ]/dt hányados az i-edik anyagfajta koncentrációjának id beli változása. Vegyük észre azt is, hogy o a reakciósebesség mindig pozitív szám, hiszen ha Ai reaktáns, akkor annak koncentrációja id vel csökken, o tehát a d[Ai ]/dt hányados el jele negatív éppúgy, mint a i sztöchiometriai együtthatóé, ha pedig Ai termék, o akkor ennek koncentrációja id vel növekszik, tehát a d[Ai ]/dt hányados el jele pozitív csakúgy, mint a i o o sztöchiometriai együtthatóé. Tapasztalat szerint az el z ekben definiált reakciósebesség arányos bizonyos anyagfajták megfelel hato o o ványon vett koncentrációival. Bizonyos anyagfajtákon általában a reaktánsokat értjúk, ám el fordul olyan o eset is--igaz jóval ritkábban--, hogy a reakciósebesség a termékek vagy egyéb a sztöchiometriai egyenletben nem szerepl anyag megfelel hatványon vett koncentrációitól is függ. Általánosan a tapasztalati sebességi o o egyenletet a következ képpen fogalmazhatjuk meg: o
m

r = k [Aj ]j
j=1

,

(3)

ahol [Aj ] a j-edik anyagfajta adott id pillanatbeli koncentrációja, j a j-edik anyagfajta részrendje, k pedig az o
m

ún. sebességi együttható. A tapasztalati sebességi egyenletben szerepl részrendek összegét ( j ) pedig az o
j=1

adott reakció bruttó rendjének nevezzük. A sebességi együttható értéke azonos kísérleti körülmények között (állandó h mérséklet, ioner sség stb.) állandó, mértékegysége pedig a reakció bruttó rendjét l függ. Például, o o o -1 ; ha a reakció bruttó rendje ha a reakció bruttó rendje 1--els rend reakció--, akkor k mértékegysége s o u 2--másodrend reakció--, akkor k mértékegysége dm3 mol-1 s-1 és így tovább. Ahhoz tehát, hogy tisztáu ban legyünk a reakció id beli lejátszódásával, a mérések sorozatán a sebességi együttható és a részrendek o meghatározása a feladat. A sebességi együttható h mérsékletfüggését az ún. Arrhenius egyenlet írja le: o EA k = Ae RT ,
-

(4)

ahol EA a reakció Arrhenius-féle aktiválási energiája, R az egyetemes gázállandó, T a termodinamikai h o mérséklet, A pedig a preexponenciális tényez . Összevetve az Arrhenius összefüggést a tapasztalati sebességi o egyenlettel kapjuk, hogy EA m - r = A e RT [Aj ]j . (5)
j=l

Ha a reakciósebesség definícióját az i-edik részecskére alkalmazzuk ((2) egyenlet), a differenciálhányadost a differenciahányadossal közelítjük, azaz 1 [Ai ] r , (6) i t 1

majd az (5) egyenletbe helyettesítés után mindkét oldal természetes alapú logaritmusát vesszük, kisebb átrendezéssel az alábbi egyenlethez jutunk: 1 EA ln = C- , (7) t RT ahol m [Ai ] (8) C = ln A + j ln[Aj ] - ln i j=l Látható, ha a reakció során a reaktánsok koncentrációit állandó értéken tartjuk, s minden h mérsékleten pono 1 tosan ugyanakkora konverzióig követjük a reakciót, akkor C értéke állandó. Így tehát ln -t ábrázolva a tert modinamikai h mérséklet reciprokának függvényében a kapott egyenes meredekségéb l az aktiválási energia o o számítható, az egyenes tengelymetszete pedig C-t szolgáltatja.

K ÁLIUM - JODID OXIDÁCIÓJA KÁLIUM - PEROXO - DISZULFÁTTAL (5.6.2.2) Bevezetés
A gyakorlat során a jodid­peroxo-diszulfát reakciót vizsgáljuk, amelyet a következ sztöchiometriai egyenlet o jellemez: S2 O2- + 2I- = 2SO2- + I2 (9) 8 4 A reakció folyamán keletkez jód a jodidionokkal gyors egyensúlyban trijodidionokat képez az o I- + I2 I- 3 (10)

egyenlet szerint, ami ha keményít is jelen van, akkor intenzív kék színt szolgáltat az oldatnak a keményít o o trijodid komplex képz dése miatt. o Az oxidáció azonban nem a sztöchiometriai egyenlet szerint--azaz a három anion egyidej ütközésével-- u megy végbe, mivel az egyidej hármas ütközés bekövetkezésének valószín sége igen csekély. Ehelyett a u u reakció két lépésben valósul meg: az els lépésben egy összetett anion képz dik a peroxo-diszulfát- és a o o jodidionból, ami újabb jodidionnal ütközve már gyorsan átalakul a termékekké. S2 O2- + I- (S2 O8 I)3- 8 (S2 O8 I)3- + I- 2SO2- + I2 4 (11) (12)

A jodid­peroxo-diszulfát reakció önmagában még nem órareakció, hiszen a reakció során a jód folyamatosan keletkezik, amit az oldat színének fokozatos mélyülése is jelezne. Órareakcióvá a rendszer úgy tehet , o hogy kis mennyiség tioszulfátiont adunk a rendszerhez, így a keletkez jód pillanatszer en az u o u I2 + 2S2 O2- = S4 O2- + 2I- 3 6 (13)

reakció szerint elreagál a tioszulfátionnal, megakadályozva azt, hogy a kék szín megjelenjen. A tioszulfátion elfogyása után a kék szín szinte pillanatszer en jelenik meg. Ha egymás után pontosan ugyanazokat a kísérleti u körülményeket állítjuk be az oldat színe--kísérleti hibán belül--mindig ugyanabban az id pillanatban fog o megkékülni--némi túlzással élve órát lehetne kalibrálni a folyamatra--ezért szokás az ilyen típusú reakciókat órareakcióknak nevezni. Korábbi megfontolásainkat alkalmazuk a jodid­peroxo-diszulfát reakcióra úgy, hogy a reakció sebességét a peroxo-diszulfátion fogyására írjuk fel és a differenciálhányadost közelítjük a differenciahányados segítségével: 2- [S2 O2- ] 1 d[S2 O2- ] 8 8 r = - = k[S2 O2- ] S2 O8 [I- ]I- . (14) 8 S O2- dt t
2 8

2

Látható, hogyha mérjük a reakció elindításától a megkékülésig tartó id t (t), valamint figyelembe vesszük azt, o hogy a jód színének megjelenéséig eltelt id alatti peroxo-diszulfát koncentrációfogyás a kiindulási tioszulfát o [S O2- ]0 koncentrációból (-[S2 O2- ] = 2 3 ) számítható, akkor a reakciósebességet (r) könnyen számíthatjuk. A 8 2 t id alatt bekövetkez peroxo-diszulfát koncentrációváltozás és a kiindulási tioszulfát koncentráció közötti o o összefüggés a sztöchiometriai egyenletekb l adódik. o A sebességi egyenletet logaritmizálva a következ összefüggést kapjuk: o lgr = lgk + S
2- 2 O8

lg[S2 O2- ] + I- lg[I- ] 8

(15)

Ha figyelembe vesszük azt is, hogy a reakcióelegyhez hozzáadott tioszulfát koncentrációja a reaktánsokhoz képest kicsiny, akkor az azt jelenti, hogy a jodid­peroxo-diszulfát reakció viszonylag kis konverzió elérése után, a kezdeti szakaszon eléri azt az állapotot, amikor a tioszulfát elfogy, s az oldat megkékül. A mért reakciósebesség így jó közelítéssel a kezdeti reakciósebességnek felel meg, amelyre lgr0 = lgk + S
2- 2 O8

lg[S2 O2- ]0 + I- lg[I- ]0 8

(16)

érvényes, ahol r0 a kezdeti reakciósebesség, [X]0 pedig a megfelel reaktáns kiindulási koncentrációja. Ha o tehát a jodidion koncentrációját állandó értéken tartjuk, s a peroxo-diszulfátionét pedig szisztematikusan változtatjuk, akkor a peroxo-diszulfát részrendje a következ összefüggés alapján meghatározható o lgr0 = lgk + S
2- 2 O8

lg[S2 O2- ]0 8

,

(17)

ha a lg r0 -t a lg [S2 O2- ]0 függvényében ábrázoljuk. A kapott egyenes meredeksége éppen a peroxo-diszulfát 8 részrendjét fogja megadni, tengelymetszete pedig lg k -t, ahol lgk = lgk + I- lg[I- ]0 . (18)

Ugyanezen megfontolások alapján a jodidion részrendje is meghatározható a lgr0 = lgk + I- lg[I- ]0 (19)

segítségével, ha a kísérletekben a jodidion koncentrációja változik, míg a peroxo-diszulfátioné állandó marad és lg r0 -t a lg [I- ]0 függvényében ábrázoljuk. Természetesen az illesztett egyenes meredeksége ebben az esetben a jodid ionok részrendjét adja meg, míg a tengelymetszet lg k -t, ahol lgk = lgk + S
2- 2 O8

lg[S2 O2- ]0 8

.

(20)

A részrendek meghatározása után a kiindulási koncentrációk ismeretében lg k, így maga a sebességi együttható is könnyedén kiszámítható a tengelymetszetek felhasználásával.

Szükséges eszközök
100 3 -es f z pohár (9 db) oo 50 3 -es f z pohár (14 db) oo stopperóra büretta (5 db) 2 cm3 -es hasas pipetta spriccflaska

A gyakorlat kivitelezése
A gyakorlatot párban végezzük el. Az I. táblázatban feltüntetett római számmal jelzett sorok közül a gyakorlatvezet jelöli ki, mely mintákat kell elkészíteni. (Ha a gyakorlatvezet nek nincs külön utasítása, elkészítjük o o mind a 9 mintát.) A pár egyik tagja összeméri egy f z pohárba a megfelel térfogatú KI, Na2 S2 O3 és KNO3 o o o oldatokat büretta, illetve pipetta segítségével. A táblázatban található függ leges vonal utáni oldatokat, tehát o 3

a keményít t, a K2 SO4 -ot és a K2 S2 O8 -ot, a pár másik tagja egy külön f z pohárba méri össze. Ne felejto o o sük el felcímkézni vagy megjelölni a f z poharakat! Miután az összes mintát elkészítettük, a reakciókat a o o következ képpen indítjuk: A pár egyik tagja az általa elkészített mintát tartalmazó f z pohárhoz (káliumo o o jodid, nátrium-tioszulfát és esetenként kálium-nitrát) a pár másik tagja által készített ugyanolyan sorszámú f z pohár tartalmát (keményít , esetenként kálium-szulfát, kálium-peroxo-diszulfát) a lehet leggyorsabban o o o o hozzáönti, s ekkor indítja el a pár másik tagja a stopperórát. Az így kapott reakciómintát kétszer-háromszor átés visszatöltjük ezekbe a f z poharakba, hogy homogenizáljuk az oldatot. A mintát tartalmazó f z poharat o o o o lehelyezzük egy tiszta fehér papírra, s figyeljük mikor jelenik meg a keményít -trijodid komplex intenzív kék o színe. Célszer a fent vázolt menettel az összes mintát elindítani--nem pedig egyesével várni a megkéküu lést és az újabb minta indítását--azzal a különbséggel, hogy a további mintáknál figyeljük a stoppert akkor is amikor a reagáló anyagokat összeöntjük, hiszen ez az id kerül az eredménylap els táblázatának másoo o dik oszlopába.(összeöntés ideje) Értelemszer en az els nek elindított mintához tartozó összeöntés idejének u o rubrikájában 0 kell, hogy szerepeljen! Ha az összes mintának a kékülési idejét feljegyeztük, kitöltjük ki az eredménylap második táblázatát is. Az 1. táblázatban megadott kilenc összetételb l két ötös csoport képezhet , I-V esetében a peroxo-diszulfát o o koncentrációja, míg a V-IX esetében a jodid koncentrációja állandó miközben a másik reaktáns koncentrációja változik. Elkészítjük milliméterpapíron a megfelel log r­log [Aj ]0 ábrákat. Az 5­5 pontra egyenest illesztve o meghatározzuk az egyenesek meredekségeit és tengelymetszeteit. A részrendek ismeretében számítsuk ki log k-t illetve a sebességi együtthatót mindkét görbe tengelymetszetéb l. o 1. táblázat. Oldatok összeállítása A reagensek térfogata (cm3 ) No. KI Na2 S2 O3 KNO3 keményít K2 SO4 K2 S2 O8 o 0,05 M 0,01 M 0,05 M 0,2 % 0,05 M 0,05 M I 2 2 6 2 0 8 II 3 2 5 2 0 8 III 4 2 4 2 0 8 6 2 2 2 0 8 IV V 8 2 0 2 0 8 8 2 0 2 6 2 VI 8 2 0 2 5 3 VII VIII 8 2 0 2 4 4 8 2 0 2 2 6 IX

4

 A TIOKÉNSAV BOMLÁSÁNAK H OMÉRSÉKLET- FÜGGÉSE (5.6.3.2)

Bevezetés
A gyakorlat soráan a tiokénsav bomlásának aktiválási energiáját fogjuk meghatározni. A reakció sztöchiometriája az alábbi egyenlettel jellemezhet : o H2 S2 O3 - SO2 + H2 O + S (21)

A reakció során elemi kén keletkezik, ami már viszonylag kis koncentrációban is kolloid formában jelenik meg az oldatban. Ez biztosítja azt, hogy a reakció kis konverzió elérése után opálossá válik, ami szabad szemmel is könnyen követhet vé teszi a reakciót. o

Szükséges eszközök
100 cm3 -es f z pohár (5 db) oo 600 cm3 -es f z pohár oo 10 cm3 -es hasas pipetta (2 db) kémcs (5 db) o kémcs állvány o stopperóra spriccflaska h mér o o

A gyakorlat kivitelezése
Tegyünk egy f z pohárba 10 cm3 0,02 mol/dm3 koncentrációjú nátrium-tioszulfát-oldatot valamint egy kémo o cs be 10 cm3 0,1 mol/dm3 koncentráiójú kénsavoldatot. Termosztáljuk mindkét oldatot 5 percig megfelel o o C-on, tehát szoh mérséklet vízfürd n. Ha a gyakorlatvezet mást nem mond érdemes a mérést kb. 20 o u o o bah mérséklet közelében kezdeni, mert ilyenkor nem szükséges vízfürd n termosztálni az oldatokat (csak a o o h mérsékletet kell megmérni), és könnyebben észlelhet az opálosodás kezdete. Beleöntjük a kémcs tartalo o o mát a tioszulfátot tartalmazó f z pohárba, homogenizáljuk, és mérjük az opálosodáshoz szükséges id t. Azért o o o érdemes ezen a h mérsékleten kezdeni, mert ha nem vagyunk biztosak benne, hogy mit kell észlelnünk és o elvétjük az észlelést els alkalommal, akkor ezután gyorsan meg tudjuk ismételni a kísérletet, ráadásul tao pasztalatot szerzünk atéren, hogy mit is kell észlelnünk. A stoppert az összeöntés pillanatában indítjuk. Ne felejtsük el az opálosodás kezdetének feljegyzése után a f z poharat azonnal elöblíteni, mert ha a kolloid kén o o kiválik a pohár falára utána már nehezen tudjuk tisztára mosni az edényt! A kísérletet megismételjük további négy h mérsékleten. Ügyeljünk arra, hogy két-két mérés között kb. 10 C különbség legyen. Ha a gyakoro latvezet mást nem mond a kiválasztott h mérsékletek 10, 20, 30, 40 és 50 C körül legyenek (±2 C eltérés o o minden további nélkül megengedett, de a pontos h mérsékletet ne felejtsük el feljegyezni). o

5



Hasonló témájú dokumentumok

Hozzászólások

2. 2.óra 2005 26 adóigazgatás agg zoltán aldous huxley alkotmányjog altér b1 beszerzés bio bioetika civilizáció előadás feudalizmus filozófia tételek fogaskerék folyami duzzasztómű gábor gazdasági közjog gerle jános-féle gyep növényzet hatalom hulladékkezelés igaz józsef info keringés kötelező olvasmány marketing2 meteorológia mezőgazdaság nonverbális kommunikáció oop os paulovics reklámjog rushdie számítás szocioógia tanirodai tb nemzetközi tétel tolsztoj vám vázlat víz vizsgához vizsgakérdések zrínyi