Ćwiczenie 10

Kinetyka reakcji: wyznaczanie stałej szybkości reakcji bez katalizatora

i z katalizatorem.

Celem ćwiczenie jest wyznaczenie stałych szybkości reakcji utleniania jonów tiosiarczanowych (S₂O₃^2-) za pomocą jonów żelaza(III) Fe³⁺ bez katalizatora i z katalizatorem.

Reakcja przebiega według równania sumarycznego:

2Fe³⁺ + 2S₂O₃^2- → 2Fe²⁺ + S₄O₆^2-

W rzeczywistości reakcja przebiega w dwóch etapach

I. Fe³⁺ + S₂O₃^2- → FeS₂O₃⁺ etap powolny

II. FeS₂O₃⁺ + FeS₂O₃⁺ → 2Fe²⁺ + S₄O₆^2- etap szybki

Ponieważ szybkości całego procesu decyduje etap najwolniejszy sumaryczna szybkość reakcji jest określona przez szybkość etapu I, który jest reakcją drugiego rzędu.

Równanie kinetyczne przybiera zatem postać:

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

Po scałkowaniu tego równania otrzymujemy:

Reakcja jonów żelaza(III) z jonami tiosiarczanowymi katalizowana jest przez jony miedzi(II). Szybkość reakcji w obecności jonów miedzi jest proporcjonalna do ich stężenia.

Tak więc równanie kinetyczne przyjmuje postać:

Ponieważ stężenie katalizatora podczas reakcji jest stałe, iloczyn stałej szybkości k i stężenia jonów miedzi(II) [Cu²⁺] też jest stały. W miejsce k _· [Cu²⁺] można wstawić k' i uprościć równanie kinetyczne:

Postęp reakcji śledzony jest poprzez pomiar stężenia jonów Fe³⁺, które tworzą barwny związek kompleksowy z jonami rodanowymi SCN^- 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.

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

1. Wyznaczanie molowego współczynnika absorpcji rodanowego kompleksu żelaza(III).

Do kolbki o pojemności 50 cm³ wlać kolejno:

- 5 cm³ roztworu FeCl₃ o stężeniu 2,3 · 10^-3 mol/dm³

- 10 cm³ KSCN o stężeniu 0,25 mol/dm³

Następnie uzupełnić roztwór w kolbce wodą destylowaną do kreski.

Zmierzyć absorbancję roztworu w zakresie pomiarowym 430-470 nm co 5 nm, stosując wodę destylowaną jako odnośnik. Odczytać długość fali, przy której występuje maksimum absorbancji dla tego kompleksu.

Obliczyć molowy współczynnik ekstynkcji dla λ_max ze wzoru:

2. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji bez katalizatora.

Do kolbki o pojemności 50 cm³ wlać kolejno roztwory:

- 5 cm³ roztworu FeCl₃ - 2,3·10^-3 mol/dm³

- 10 cm³ roztworu KSCN - 0,25 mol/dm³

- 10 cm³ roztworu Na₂S₂O₃ - 6·10^-3 mol/dm³

Następnie SZYBKO uzupełnić roztwór w kolbce wodą destylowaną do kreski.

Po wymieszaniu roztworu w kolbce wlać do kuwetki i mierzyć absorbancję po upływie ustalonego czasu z zakresu 10 - 30 min. przy długości fali ustalonej w punkcie 1. stosując wodę jako odnośnik.

3. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji z katalizatorem.

Do kolbki o pojemności 50 cm³ wlać kolejno roztwory:

- 5 cm³ roztworu FeCl₃ - 2,3 · 10^-3 mol/dm³

- 10 cm³ roztworu KSCN - 0,25 mol/dm³

- 5 cm³ roztworu CuSO₄ - 5 · 10^-5 mol/dm³

- 10 cm³ roztworu Na₂S₂O₃ - 6 ·10^-3 mol/dm³

Następnie uzupełnić roztwór w kolbce wodą destylowaną do kreski.

Po wymieszaniu roztworu w kolbce wlać do kuwetki i mierzyć absorbancję po upływie takiego samego czasu jak w punkcie 2. przy ustalonej długości fali w punkcie 1. stosując wodę jako odnośnik.

Opracowanie wyników

1. Obliczyć molowy współczynnik absorpcji (ε) dla rodankowego kompleksu żelaza(III)

korzystając z równania:

gdzie:

A -absorbancja roztworu

c- stężenie molowe jonów żelaza (III) [2,3 · 10^-3 mol/dm³]

l - grubość kuwety (1 cm)

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

gdzie:

a - początkowe stężenie jonów żelaza(III) [2,3 · 10^-3 mol/dm³]

x - stężenie produktu reakcji [mol/dm³]

a następnie wartość x ze wzoru:

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

[S₂O₃^2-] = b - x

gdzie:

b - początkowe stężenie jonów S₂O₃² [6,0 · 10^-3 mol/dm³mol/dm³]

a - początkowe stężenie jonów żelaza(III) [2,3 · 10^-3 mol/dm³]

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

Po podstawieniu stałych wartości a i b

otrzymujemy ostateczny wzór pozwalający obliczyć wartość k z katalizatorem i bez katalizatora

Otrzymane wyniki należy umieścić w tabeli

Czas [min]	ABSORBANCJA A	[Fe^3+] [mol/dm^3]	[S2O3^2-] [mol/dm^3]	k/k' [mol^-1· dm^3· min]
Reakcja bez udziału katalizatora
Reakcja z udziałem katalizatora

Każda para wykonująca ćwiczenie ustala własny czas reakcji (10 - 30 min.), jednakowy dla reakcji bez udziału katalizatora i z katalizatorem. Pomiar można wykonać kilka razy dla różnego czasu.

Katedra i Zakład Chemii Medycznej

- 2 -