Теоретическая часть. Определение кинетических характеристик реакции окисления сульфит иона иодат ионом в кислой среде

Определение кинетических характеристик реакции окисления сульфит иона иодат ионом в кислой среде.

Цель работы: используя колориметрический метод, определить кинетические характеристики реакции окисления сульфита натрия иодатом натрия в кислой среде

5Na₂SO₃ + 2NaIO₃ + H₂SO₄ → 6Na₂SO₄ + I₂ + H₂O

5SO₃^2- + 2IO₃^- + 2H⁺ → 5SO₄^2- + I₂ + H₂O.

Установить кинетическое уравнение исследуемой реакции.

Теоретическая часть

Скоростью реакции называется изменение количества вещества за единицу времени в единице реакционного объёма (для гомогенной реакции) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенной реакции).

Различают среднюю скорость реакции:

υ_ср = ± (с ₂ – с ₁)/(τ₂ – τ₁) = ± Δс/Δτ (1)

где с ₂ и с ₁ - концентрации вещества в момент времени τ ₂ и τ ₁ соответственно и истинную (мгновенную) скорость реакции – скорость в любой момент времени, которая выражается в дифференциальной форме как:

υ = ± dc/dτ (2).

Знак минус относится к изменению концентрации исходных веществ, а плюс - к изменению концентрации продуктов реакции.

Единица измерения скорости реакции в системе СИ - [моль×м^-3×с^-1], часто используется [моль×л^-1×с^-1].

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается основным законом химической кинетики (закон К.М.Гульдберга и П.Вааге): скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях некоторых чисел.

Для односторонней реакции b B + d D → l L + m M математическое выражение основного закона кинетики или так называемого кинетического уравнения имеет вид:

(3),

где k – константа скорости реакции; с _В и с_D – концентрации исходных веществ в данный момент времени, n_B и n_D – коэффициенты, называемые порядками реакции по веществам В и D, которые могут быть любыми небольшими числами (целыми, дробными или равными нулю). Порядки реакции по каждому реагенту и, следовательно, вид кинетического уравнения могут быть установлены только опытным путем.

Сумма порядков реакции по реагентам называется общим порядком реакции n: n= å n_i, где n_i - порядок реакции по i -реагенту.

Если реакция протекает в одну стадию (элементарная реакция), порядки реакции по веществам совпадают со стехиометрическими коэффициентами.

Физический смысл константы скорости реакции k состоит в том, чтоона численно равна скорости реакции u = k при концентрации реагирующих веществ с _D = c _B = 1 моль/л.

Константа скорости не зависит от концентрации реагентов, но зависит от их природы, температуры и наличия катализатора.

Скорость реакции первого порядка описывается кинетическим уравнением

u = kc = - d c /d τ (4)

Для начального условия с_τ=0 = с₀ решение дифференциального уравнения приводит к зависимости:

c_τ = с₀ е^-kτ или (5)

откуда вытекает, что размерность константы скорости реакции пер­вого порядка [ k ] = [ с^{- 1}].

Подставляя уравнение (5) в уравнение (4), получим выражение скорости реакции первого порядка равное:

υ = k с₀ е^-kτ (6)

Как видно из уравнений (5 и 6) изменение во времени скорости реакции первого порядка и концентрации реагента происходит по экспоненциальному закону.

Если уравнение (5) записать в виде:

ln c_τ = ln c ₀ - kτ (7),

то из графика зависимости логарифма концентрации реагента ln c от времени (рис.1а) легко определить величину константы скорости реакции как tga = k = Dln c /D τ.

Характеристикой скорости реакции является так же время полупревращения τ_1/2, т.е. время в течение которого концентрация реагента уменьшается вдвое по сравнению с начальной концентрацией.

Подставляя с = с _0,5 и τ = τ _0,5 в уравнение (5) получаем:

τ_1/2 = ln2/ k = 0,693/ k (8)

Таким образом время полупревращения реагента для реакции первого порядка не зависит от начальной концентрации.

Скорость реакции второго порядка для реагентов В и D описывается кинетическим уравнением:

u =k∙c _B ∙ c _D = - dc / dτ (9)

или u = - dc/dτ = kc ², если c _B = c _D = с. (10)

Разделяя переменные в уравнении (10), получим выражение:

(11)

Решение уравнения (11) для начального условия с_τ=0 = с₀ приводит к виду:

или (12)

Размерность константы скорости реакции второго порядка