POLITECHNIKA POZNAŃSKA

ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ
ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

str. 1

WPŁYW SIŁY JONOWEJ ROZTWORU NA STAŁĄ SZYBKOŚCI REAKCJI

WSTĘP

Rozpatrzmy reakcję przebiegającą w roztworze między jonami A oraz B :

A B

D

k

+  →



(1)

Gdy reakcja ta zachodzi przez równowagę wstępną, w układzie występuje produkt pośredni C:

A + B

K

C

k'

 →



D

(2)

(K - stała równowagi pierwszej reakcji, k' - stała szybkości drugiego etapu)
Przy tego typu reakcjach następczych, pierwszy etap przebiega zwykle szybko, zaś drugi etap wolno. Etapem
określającym szybkość reakcji jest więc etap drugi:

v

d

dt

k'

=

=

[D]

[C]

(3)

Wyrażenie na stałą równowagi pierwszego etapu posiada postać:

K

a

a

a

f

f

f

C

B

A

C

B

A

=

⋅

=

⋅

⋅

⋅

[C]

[A] [B]

(4)

gdzie

a

i

jest aktywnością:

Równania te prowadzą do następującego wyrażenia na stałą szybkości rozpatrywanej reakcji:

v

d

dt

k K

f

f

f

A

B

C

=

= ⋅

⋅

⋅

[D]

[

'

A] [B]

(5)

Wartość współczynników aktywności,

f

i

, oszacować można na podstawie równania Debye'a - Hückel'a:

logf

A' z

I

i

i

2

= −

(6)

gdzie I jest siłą jonową roztworu:

I

1

2

c z

i

i

2

=

⋅

∑

(7)

zaś

z

i

jest ładunkiem i-tego jonu.

Spełniona musi być również zależność:

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ
ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

str. 2

z

z

z

C

A

B

=

+

(8)

Występujące w równaniu (12.4) i (12.5) współczynniki aktywności opisać można więc wyrażeniem:

(

)

[

]

log

f

f

f

A'

J z

z

z

z

2A'

J z

z

A

B

C

A

2

B

2

A

B

2

A

B

⋅

= −

+

−

+

=

⋅ ⋅

(9)

Równanie (5) napisać można więc w postaci:

v

d

dt

=

=

[D]

[B]

k

(10)

gdzie:

k =

= ⋅

⋅

k' K

f

f

f

A

B

C

[A]

(11)

Równania (10) i (11) słuszne są wtedy, gdy stężenie substratu A jest dużo wyższe od stężenia substratu B, a
więc stężenie A jest stałe w czasie trwania reakcji. Z równania (12.1) wynika ponadto, iż:

v

d

dt

d

dt

=

= −

[D]

[B]

oraz

−

=

d

dt

k

[B]

[B]

(12)

co prowadzi do zależności:

log

[A]

k

k' K

2A' z z

I

A B

=

⋅

(13)

lub inaczej

logk

= +

X

Y I

(14)

gdzie:

X

k' K

=

log

[A] oraz

Y

A z z

A

B

=

2 '

(15)

Równanie (14)) wskazuje iż szybkość reakcji następczej jonowej zależna jest od siły jonowej roztworu
(stężenia obcego elektrolitu).

Przykładem reakcji rozważanego typu jest reakcja jonów OH

-

(reagent A) z fioletem krystalicznym (reagent

B):

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ
ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

str. 3

C

+

N

N

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

N

CH

3

CH

3

B=

Przebieg reakcji wygodnie można śledzić metodą kolorymetryczną, gdyż fiolet krystaliczny posiada silne
widmo absorpcyjne, zaś produkt reakcji jest bezbarwny.

Równanie (12) po scałkowaniu przybiera postać:

ln

c

c

k t

0

= −

(16)

gdzie
c

- stężenia fioletu w czasie t,

c

0

- stężenie początkowe fioletu (dla t = 0),

t

- czas od rozpoczęcia reakcji (w sekundach).

Równanie (12.16) przekształcić można do postaci:

l n

A

A

kt

0

= −

gdyż A

≈

c

(17)

gdzie A oznacza absorbancję roztworu w chwili t, zaś A

o

w chwili początkowej (należy odróżnić symbol

absorbancji A od symbolu substratu A).


CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest znalezienie zależności stałej szybkości reakcji fioletu krystalicznego z jonami
wodorotlenowymi od siły jonowej roztworu.


APARATURA

SPECOL: z przystawką na 4 kuwety
Kuwety szklane - 4 szt., d =1 cm.

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ
ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

str. 4

SZKŁO

Zlewki 100 ml - 2szt.
Kolbki miarowe 50 ml - 4szt.
Pipety wielomiarowe 5 ml i 10 ml.
Tryskawka z wodą destylowaną.

ODCZYNNIKI

Roztwór KNO

3

(lub innej soli, np.KCl) 1 mol dm

-3

.

Roztwór KOH (lub NaOH) 0.1 mol dm

-3

.

Roztwór fioletu krystalicznego 10

-4

mol dm

-3

.

WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Zmierzyć widmo fioletu krystalicznego o stężeniu 2 · 10

-5

mol dm

-3

.

Wyznaczyć długość fali dla maksymalnej absorpcji.

2. Zmierzyć zmianę absorbancji w czasie, roztworów zawierających fiolet krystaliczny o stężeniu 2

x

10

-5

mol

dm

-3

, OH

-

o stężeniu 10

-2

mol dm

-3

, obcą sól o stężeniach, 0,00, 0,01, 0,05, 0,10, 0,20, 0,25 1 mol dm

-3

.

Czas rozpoczęcia reakcji przyjąć za równy momentowi dodania do roztworów jonów OH

-

. Absorbancję

mierzyć co 5 minut od chwili rozpoczęcia reakcji.
Pomiary zakończyć po 30 minutach od chwili rozpoczęcia reakcji.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Wyznaczyć stałą szybkości reakcji dla poszczególnych roztworów.

2. Wykreślić zależność

( )

log

k f

I

=

na papierze milimetrowym.

3. Na podstawie wykresu wyznaczyć wartość liczbową stałej Debye'a-Hückel'a.
Porównać z wartością literaturową.

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ
ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

str. 5

Wzór tabeli i schematu opracowania

……………………………..

Wydział

……………………………….

Kierunek

Studia niestacjonarne

………………………………………………

Imi

ę

i Nazwisko studenta

…………………………………...

Data wykonywania

ć

wiczenia:

Nr grupy: …………

Nr zespołu: ………….

………..……………

Nr

ć

wiczenia:

…………………………………….

Nazwisko Prowadz

ą

cego:

1. Temat

ć

wiczenia:

2. Cel

ć

wiczenia:

3. Pomiary:
4. Obliczenia:
5. Wykresy:
6. Wnioski: