Физическая химия. Кинетика и катализ. Калинина Т.А - 20 стр.

UptoLike

39
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 24
Исследование кинетики термического разложения
перманганата калия
Цель работы: познакомиться с особенностями топохимических реак-
ций и определить параметры кинетического уравнения
Ерофеева для термического разложения перманганата
калия.
Общие теоретические сведения
Реакции типа А
тв
В
тв
+ С
газ
, у которых химическое взаимо-
действие не осложнено диффузионными процессами, называются то-
похимическими. Такие реакции начинаются обычно не на всей повер-
хности исходного твердого вещества, а на отдельных точках, где свя-
зи между ближайшими частицами ослаблены.
Для топохимических реакций характерно нарастание скорости
реакции в начальный момент процесса, т.к. идет увеличение поверх-
ности раздела между исходной и вновь образующейся фазами. Далее
скорость процесса достигает максимального значения с последую-
щим постепенным спадом до нуля. Внешним признаком топохимиче-
ских реакций служит S-образный вид кинетической кривой.
Уравнение, описывающее кинетику топохимических реакций,
выведено Б.В. Ерофеевым. Оно было получено на основании вероят-
ности взаимодействия молекул данной системы:
0
1
pd
Pe
τ
τ
=− , (24.1)
где Р вероятность того, что молекулы данной системы прореагиру-
ют к моменту времени τ; р вероятность того, что молекулы прореа-
гируют в течение времени от τ до τ + dτ.
Если система состоит из большого числа молекул, то Р можно
приравнять к доле прореагировавших молекул α :
0
1
pd
e
τ
τ
α
=− . (24.2)
40
В общем случае вероятность взаимодействия молекул в момент
времени от τ до τ + dτ пропорциональна суммарной поверхности реак-
ции S, т. е. p = const S. Поверхность реакции изменяется во времени:
Sconst
τ
= ,
где n эмпирическая константа, тогда
n
pk
τ
= , (24.3)
где k' константа.
Подставив значение p из (24.3) в равенство (24.2), получаем:
1
n
k
e
τ
α
=−
, (24.4)
где k константа скорости, n показатель степени.
В данной работе предлагается познакомиться с одним из мето-
дов изучения топохимических реакций на примере реакции термичес-
кого разложения перманганата калия. Принцип метода заключается в
измерении объема кислорода, выделившегося при разложении пер-
манганата калия по уравнению реакции
2 KMnO
4
= K
2
MnO
4
+ MnO
2
+ O
2
.
Реактивы и оборудование
Термоустановка, ступка с пестиком, аналитические весы, экси-
катор, секундомер; KMnO
4
(сухой).
Работа производится на установке, изображенной на рис. 24.1.
Рис. 24.1. Термоустановка для изучения
топохимической реакции:
1
реакционная пробирка;
2
кварцевая пробирка (бюкс) с KMnO
4
;
3
колпачок реакционной пробирки;
4
кран;
5
бюретка;
6
вспомогательный сосуд для выравни-
вания уровня жидкости;
7
термостат.
1
7
2
4
64
5
3
                                                                             В общем случае вероятность взаимодействия молекул в момент
                 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 24                               времени от τ до τ + dτ пропорциональна суммарной поверхности реак-
                                                                      ции S, т. е. p = const S. Поверхность реакции изменяется во времени:
      Исследование кинетики термического разложения                                                   S = const τ n ,
                    перманганата калия                                где n – эмпирическая константа, тогда
Цель работы: познакомиться с особенностями топохимических реак-                                       p = k ′τ n ,                    (24.3)
             ций и определить параметры кинетического уравнения       где k' – константа.
             Ерофеева для термического разложения перманганата               Подставив значение p из (24.3) в равенство (24.2), получаем:
             калия.                                                                                           n
                                                                                                 α = 1 − e − kτ ,                    (24.4)
                                                                      где k – константа скорости, n – показатель степени.
                 Общие теоретические сведения                                В данной работе предлагается познакомиться с одним из мето-
      Реакции типа Атв → Втв + Сгаз, у которых химическое взаимо-     дов изучения топохимических реакций на примере реакции термичес-
действие не осложнено диффузионными процессами, называются то-        кого разложения перманганата калия. Принцип метода заключается в
похимическими. Такие реакции начинаются обычно не на всей повер-      измерении объема кислорода, выделившегося при разложении пер-
хности исходного твердого вещества, а на отдельных точках, где свя-   манганата калия по уравнению реакции
зи между ближайшими частицами ослаблены.                                                2 KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 .
      Для топохимических реакций характерно нарастание скорости
реакции в начальный момент процесса, т.к. идет увеличение поверх-                          Реактивы и оборудование
ности раздела между исходной и вновь образующейся фазами. Далее              Термоустановка, ступка с пестиком, аналитические весы, экси-
скорость процесса достигает максимального значения с последую-        катор, секундомер; KMnO4 (сухой).
щим постепенным спадом до нуля. Внешним признаком топохимиче-               Работа производится на установке, изображенной на рис. 24.1.
ских реакций служит S-образный вид кинетической кривой.
      Уравнение, описывающее кинетику топохимических реакций,
                                                                            3                   4
выведено Б.В. Ерофеевым. Оно было получено на основании вероят-
ности взаимодействия молекул данной системы:
                                      τ                                                             64
                                      ∫
                                     − pdτ
                          P = 1− e    0
                                         ,                  (24.1)                                   Рис. 24.1. Термоустановка для изучения
                                                                                                     топохимической реакции:
где Р – вероятность того, что молекулы данной системы прореагиру-
                                                                                                     1 – реакционная пробирка;
ют к моменту времени τ; р – вероятность того, что молекулы прореа-                    7              2 – кварцевая пробирка (бюкс) с KMnO4;
гируют в течение времени от τ до τ + dτ.                                2
                                                                                                     3 – колпачок реакционной пробирки;
      Если система состоит из большого числа молекул, то Р можно                                     4 – кран;
приравнять к доле прореагировавших молекул α :                          1
                                                                                                     5 – бюретка;
                                      τ
                                                                                      5              6 – вспомогательный сосуд для выравни-
                                      ∫
                                     − pdτ                                                               вания уровня жидкости;
                          α = 1− e    0
                                             .              (24.2)                                   7 – термостат.


                                39                                                                       40