CHEMIA FIZYCZNA

Ćwiczenie 8

Wyznaczanie stałej szybkości reakcji utleniania jonów tiosiarczanowych

W ćwiczeniu przeprowadzana jest reakcja utleniania jonów tiosiarczanowych za pomocą jonów żelaza(III). Przebieg reakcji można przedstawić sumarycznym równaniem:

W rzeczywistości reakcja składa się z dwóch etapów:

etap I reakcja powolna

etap II reakcja szybka

Ponieważ o szybkości całego procesu decyduje etap najwolniejszy, dlatego sumaryczna szybkość reakcji jest określona przez szybkość etapu I. Jest to reakcja drugiego rzędu. Równanie kinetyczne ma więc postać:

(1)

gdzie: [S₂O₃^2-] i [Fe³⁺] - stężenia obu jonów w danej chwili t,

k - stała szybkości reakcji.

Oznaczając początkowe stężenie [S₂O₃^2-] jako a, a [Fe³⁺] jako b oraz stężenie produktu reakcji w czasie t jako x otrzymujemy:

(2)

a po scałkowaniu tego równania:

(3)

Reakcja jonów żelaza(III) z jonami tiosiarczanowymi katalizowana jest przez jony miedzi(II). Szybkość reakcji w obecności jonów miedzi jest proporcjonalna do ich stężenia, równanie kinetyczne przyjmuje więc postać:

(4)

Ponieważ stężenie katalizatora podczas reakcji jest stałe, iloczyn stałej szybkości k i stężenia jonów miedzi(II) też jest stałe, można wstawić w ich miejsce wartość k' i uprościć równie kinetyczne:

(5)

Postęp reakcji śledzony jest poprzez pomiar stężenia jonów żelaza(III), które tworzą barwny związek kompleksowy z jonami tiocyjanianowymi (rodankowymi) dodanymi do mieszaniny reakcyjnej. Barwa tego kompleksu jest intensywnie czerwona, a w miarę przebiegu reakcji ubywa jonów żelaza(III) reagujących z jonami tiosiarczanowymi i roztwór staje się coraz bledszy. Stężenie określane jest metodą spektrofotometryczną poprzez pomiar absorbancji roztworu i na podstawie równania Lamberta-Beera. Roztwór jonów żelaza(III) powinien być lekko zakwaszony HCl, aby uniknąć hydrolizy tych jonów. Wartość pH tego roztworu powinna wynosić około 2.5.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałych szybkości opisanej reakcji bez katalizatora i z katalizatorem.

LITERATURA

1. Praca zbiorowa, Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1982.

2. Praca zbiorowa, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980.

3. Barrow G.M., Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1978.

4. Pauling L., Pauling P., Chemia, PWN, Warszawa 1983.

6. Praca zbiorowa, Fizyczne podstawy chemii, Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1982.

7. Górski A., Chemia, t.1 , PWN, Warszawa 1974.

ZAGADNIENIA TEORETYCZNE

- szybkość reakcji chemicznych,

- stała szybkości,

- rzędowość reakcji chemicznych,

- cząsteczkowość reakcji chemicznych,

- czas połowicznej przemiany,

- wpływ temperatury na szybkość reakcji chemicznych,

- reakcje katalityczne,

- kataliza homogeniczna i heterogeniczna,

- mechanizm działania katalizatorów.

SPRZĘT I ODCZYNNIKI

- spektrofotometr,

- kuwety o grubości 1 cm - 3 szt.,

- kolbka miarowa 50 cm³,

- pipeta 10 cm³,

- pipeta 5 cm³,

- FeCl₃ 2.3*10^-3 mol/dm³ zakwaszony kwasem solnym,

- Na₂S_2­O₃ 6*10^-3 mol/dm³,

- KSCN 0.25 mol/dm³,

- CuSO₄ 5*10^-6 mol/dm³.

WYKONANIE POMIARÓW

I. Wyznaczanie molowego współczynnika absorpcji rodankowego kompleksu żelaza(III)

1. Do kolbki o pojemności 50 cm³ wlać kolejno następujące roztwory:

- 5 cm³ roztworu FeCl₃ o stężeniu 2.3*10^-3 mol/dm³, zakwaszonego kwasem solnym,

- 10 cm³ roztworu rodanku potasu o stężeniu 0.25 mol/dm³,

- uzupełnić roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną.

2. Zmierzyć absorbancję roztworu przy długości fali 480 nm, stosując wodę jako odnośnik.

UWAGA Etapy II i III ćwiczenia należy prowadzić równolegle. Po przygotowaniu mieszaniny reakcyjnej z punktu II należy przygotować mieszaninę reakcyjną opisaną w punkcie III.

II. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji bez katalizatora

1. Do kolbki o pojemności 50 cm³ wlać kolejno następujące roztwory:

- 5 cm³ roztworu FeCl₃ o stężeniu 2.3*10^-3 mol/dm³,

- 10 cm³ roztworu KSCN o stężeniu 0.25 mol/dm³,

- 10 cm³ roztworu Na₂S₂O₃ o stężeniu 6*10^-3 mol/dm³,

- uzupełnić szybko roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną.

W momencie dodawania roztworu tiosiarczanu sodu do kolbki włączyć stoper.

2. Po wymieszaniu roztworu w kolbce wlać go do kuwetki i mierzyć absorbancję co 10 minut w ciągu 90 minut przy długości fali 480 nm, stosując wodę jako odnośnik.

III. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji z katalizatorem

1. Do kolbki o pojemności 50 cm³ wlać kolejno następujące roztwory:

- 5 cm³ roztworu FeCl₃ o stężeniu 2.3*10^-3 mol/dm³,

- 10 cm³ roztworu KSCN o stężeniu 0.25 mol/dm³,

- 5 cm³ roztworu CuSO₄ o stężeniu 5*10^-6 mol/dm³

- 10 cm³ roztworu Na₂S₂O₃ o stężeniu 6*10^-3 mol/dm³,

- uzupełnić szybko roztwór w kolbce do kreski wodą destylowaną.

W momencie dodawania roztworu tiosiarczanu sodu do kolbki włączyć stoper.

2. Po wymieszaniu roztworu w kolbce wlać go do kuwetki i mierzyć absorbancję co 10 minut w ciągu 90 minut przy długości fali 480 nm, stosując wodę jako odnośnik.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Obliczyć molowy współczynnik absorpcji () dla rodankowego kompleksu żelaza(III) korzystając z równania:

(6)

gdzie: A - absorbancja roztworu,

c - stężenie molowe jonów żelaza(III) [mol/dm³],

l - grubość kuwetki [cm].

2. Obliczyć dla każdego czasu aktualne stężenie jonów żelaza(III):

(7)

gdzie: a - początkowe stężenie jonów żelaza(III),

x - stężenie produktu reakcji.

3. Obliczyć dla każdego czasu aktualne stężenie jonów S₂O₃^2-:

(8)

gdzie: b - początkowe stężenie jonów tiosiarczanowych,

4. Obliczyć wartości stałych szybkości dla reakcji bez katalizatora i z katalizatorem korzystając z równania 3.

5. Obliczyć średnie wartości stałych szybkości dla reakcji bez katalizatora (k) i z katalizatorem (k').

6. Wyniki obliczeń dla reakcji bez katalizatora i z katalizatorem umieścić w tabeli 1.

Tabela 1. Wyniki eksperymentów i obliczeń

Czas [min]	Absorbancja A	[Fe^3+] [mol/dm^3]	[S2O3^2-] [mol/dm^3]	k [mol^-1*dm^3*min]

7. Omówić wpływ dodatku jonów miedzi(II) do mieszaniny reakcyjnej na szybkość przeprowadzanej reakcji.

4

---