Określanie rzędu reakcji , stałej szybkości reakcji oraz energii aktywacji termicznej.

I. Zagadnienia teoretyczne .

Szybkość reakcji - miarą szybkości reakcji jest zmniejszenie ilości jednego z reagentów następujące w określonym okresie czasu. Gdy objętość układu reakcyjnego jest stała , to zmiana ilości reagenta odpowiada zmianie jego stężenia. Dla układów ciekłych szybkość reakcji to szybkość zmiany stężenia molowego reagenta. Szybkość reakcji wyraża się w jednostkach czasu i jest wielkością dodatnią.

A + B C + D A + 2B produkty

d[A] d[C] d[A] d[B]

szybkość = - __ = + __ szybkość = - __ = - __

dt dt dt dt

Mechanizm reakcji - polega na 1.[spotkaniu się cząsteczek substratów , przegrupowaniu atomów i elektronów w chwili zderzenia oraz oddaleniu się od siebie utworzonych cząsteczek produktów.].Reakcje zachodzą etapami , stąd też zakłada się istnienie produktów przejściowych , utworzonych przez substraty w pierwszym etapie reakcji , a następnie ulegających przekształceniu w dalszych etapach w produkty ostateczne.

Szybkość a mechanizm reakcji - 2.[Szybkość pojedynczego etapu reakcji jest proporcjonalna do iloczynu stężeń cząstek uczestniczących jako reagenty w danym etapie.].Powyższa zasada nie może być stosowana w przypadku reakcji złożonych. Jeśli etap początkowy przebiega powoli w stosunku do kolejnych etapów , to jest on etapem decydującym o szybkości reakcji i szybkość reakcji sumarycznej równa jest szybkości etapu początkowego.

Reakcja I rzędu - 3.[reakcja, której szybkość w danej temperaturze zależy jedynie od pierwszej potęgi stężenia pojedynczego reagenta.] szybkość = k[A]

Reakcja II rzędu - jej szybkość jest proporcjonalna do kwadratu stężenia jednego z reagentów lub do iloczynu stężeń dwóch reagentów. szybkość = k[A]² lub k[A][B]

Reakcja III rzędu - szybkość = k[A]³ lub k[A]²[B] lub k[A][B][C]

Zależność szybkości reakcji od temperatury - 4.[Równania kinetyczne i stałe szybkości reakcji wyznacza się na podstawie danych kinetycznych dla określonych temperatur.] Na podstawie przeprowadzanych doświadczeń dotyczących kinetyki można stwierdzić , że wartość występującej w równaniach kinetycznych funkcji stężeniowej nie ulega zmianie , zaś wartość stałej szybkości wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Wymiar stałej szybkości reakcji (k) I , II i III rzędu wyznacza się w oparciu o powyższe wzory oraz zależność :

d[A]

szybkość reakcji = - __ .Wartości stałej reakcji są wyrażane odpowiednio : dla reakcji I rzędu - w

dt

odwrotnościach jednostek czasu , dla reakcji II rzędu - dm³∗mol^-1∗s^-1.

Odwrotność stałej szybkości 5.[określa czas , w którym następuje dostrzegalny przebieg reakcji przy jednostkowych stężeniach reagentów].

II. Część doświadczalna.

1. Aparatura i odczynniki :

• 2 kolby o pojemności 250 ml,

• 4 kolby stożkowe o pojemności 100 ml,

• biureta,

• pipeta o szybkim wlocie o pojemności 25 ml,

• 0,1 molowe roztwory : NaOH , HCl , CH₃COOC₂H₅

• błękit bromotymolowy.

2.Wykonanie ćwiczenia :

Do czystej i suchej kolby o pojemności 250 ml wlano 100 ml octanu etylu, do drugiej kolby o tej samej pojemności wlano 100 ml NaOH. Oba roztwory połączono, wlewając roztwór zasady do kolby z estrem, zawartość intensywnie mieszano. Po upływie kolejno 3, 6, 12, 24, 48 i 96 minut pobrano pipetą 25 ml mieszaniny i wlano do kolbki stożkowej zawierającej 15 ml kwasu solnego. Roztwór HCl miał na celu zahamowanie dalszego przebiegu reakcji. Każdą próbkę miareczkowano kolejno roztworem NaOH wobec błękitu bromotymolowego.

3.Wyniki pomiarów przedstawia wydruk komputerowy i wykres zależności : 1/a-x = f(t)

III. Interpretacja wyników :

1.Reakcja poddana analizie według źródeł literaturowych jest rzędu II zaś według naszych przyjmuje wartości różne od 2 w zależności od założonego poziomu tolerancji. I tak dla :

80% n = 0,5

50% n = 0,75

40% n = 1,0

30% n = 1,0

Wykres zależności 1/a-x = f(t) dla reakcji II rzędu jest linią prostą , w naszym przypadku zaś wykres nawet przy dużej tolerancji odbiega od literaturowego.

Zastosowana metoda określania rzędu reakcji ma sens i zbliżone do literaturowych wyniki tylko w przypadku, gdy mieszanina przereaguje przynajmniej w 80%. Kolejne pomiary należałoby przeprowadzić po upływie 3, 6, 12, i 24 godzin, czego w przypadku naszego doświadczenia nie można było wykonać.

2.Analiza błędów :

Otrzymane wyniki świadczą o tym, że podczas doświadczenia popełniono szereg błędów na rozmiar, których składają się zapewne :

• niedokładności związane z odmierzaniem objętości reagentów (dokładność pipety i osoby pipetującej),

• błąd paralaksy biurety - tzn. odczytana wartość nie odpowiada rzeczywistej,

• temperatura - szybkość reakcji zależy od temperatury (rośnie wraz z jej wzrostem), która w naszym przypadku nie była zgodna z literaturową (25°C), gdyż wynosiła zaledwie 19°C.

• błąd związany z czasem - nie jest możliwe równoczesne pobranie 15 ml reagującej mieszaniny i umieszczenie jej w kolbce, zawierającej hamujący dalszy przebieg reakcji roztwór kwasu solnego - czas więc nie jest określony precyzyjnie.

• błąd miareczkowania - polega na tym, że punkt końcowy miareczkowania (punkt zmiany barwy wskaźnika z pomarańczowej na błękitną) nie pokrywa się z punktem równoważnikowym miareczkowania. Ta wizualna metoda określania zmiany barwy wiąże się więc z indywidualnym postrzeganiem zbliżonych barw, a to jest rzecz względna.

• zaokrąglenia w obliczeniach.

IV. Literatura :

[1], [2], [3], [4], [5] Gordon M. Barrow „Chemia fizyczna” , PWN ,Warszawa 1971 (tłumaczenie z języka angielskiego)

---