ЗАНЯТИЕ № 3

Тема: 1 . Формальная кинетика .

2 . Изучение кинетики реакции гидролиза сахарозы в присутствии ионов водорода ( практическая работа № 3).

Цель: Усвоить основные понятия химической кинетики . Научиться рассчитывать константу скорости химической реакции любого порядка , а также время протекания реакции в заданной степени превращения исходного вещества. Усвоить Поляриметрический метод определения скорости реакции гидролиза сахарозы .

Профессиональная ориентация студентов

Химическая кинетика закладывает фундамент для изучения биохимии , фармакокинетики лекарств , фармакологии , клинической диагностики . Пользуясь положениями химической кинетики , можно определить скорость поступления лекарственных веществ в кровь и время полувыведения их из организма (так устанавливают оптимальные терапевтические дозы лекарств для детей и взрослых).

Знание кинетических законов химических процессов лежит в основе оптимизации поиска биологически активных веществ, поскольку дает возможность изучать реакционную способность , устанавливать механизмы химического взаимодействия и, таким образом , выбирать оптимальные условия синтеза и анализа. Фармакокинетические исследования, связанные с изучением скорости усвоения и выведения лекарственных препаратов в организме , позволяют интерпретировать механизмы их физиологического действия .

Базовый уровень знаний и умений студентов

 Знания, приобретенные при изучении математики, физики, общей и неорганической химии на I курсе.

Программа самоподготовки студентов

 Подготовиться к практическому занятию по материалам учебников и лекций, обратив внимание на следующие вопросы:

Тема 1 . Формальная кинетика . Сложные реакции .

1 . Что такое химическая кинетика ?

2 . Как классифицируют химические реакции по :

а ) степени сложности ;

б) по количеству фаз ;

в ) по количеству молекул

3 . Что означает ” определить механизм химической реакции “ ?

4 . Что такое скорость химической реакции ?

5 . Что такое средняя и истинная скорости химической реакции ? Как их можно определить ?

6 . Какой математический выглядит закон действующих масс для простых и сложных реакций ?

7 . Какой физический смысл константы скорости химической реакции ? От каких факторов она зависит?

8 . Что такое Молекулярность и порядок реакции ?

9 . Что такое порядок реакции по реагентом и всей реакции в целом?

10 . Каковы основные причины несовпадения порядке реакции с Молекулярность ?

11 . Какие методы определения порядка реакции и консчтанты скорости реакции ?

12 . Формулы для расчетов констант скорости реакций I, II , III и 0 порядков . Какова их размерность ?

13 . Что такое ” период полупревращения ” ?

Тема 2 . Изучение кинетики реакции гидролиза сахарозы в присутствии ионов водорода .

1 . Какая молекулярность и порядок реакции гидролиза сахарозы ?

2 . Какая методика используется для изучения скорости гидролиза сахарозы ?

3 . В какую сторону обращают плоскость поляризации света сахароза , глюкоза и фруктоза ?

4 . Какие методы расчета константы скорости реакции можно использовать в этой работе?

5 . Как выглядит формула для вычисления константы скорости реакции гидролиза сахарозы ?

6 . В каких координатах строят график для вычисления константы скорости реакции гидролиза сахарозы ?

Информационная часть к практической работе № 3 “Изучение кинетики реакции гидролиза сахарозы в присутствии ионов водорода”

 Реакция гидролиза свекловичного сахара (сахарозы) происходит по схеме:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

                                     сахароза           глюкоза    фруктоза

Эта реакция получила свое название (реакция инверсии ) от изменения угла вращения плоскости поляризации света , проходящего через раствор. Причиной инверсии является то , что водный раствор сахарозы вращает плоскость поляризации света вправо , а раствор , образующийся в результате гидролиза ( эквимолярных смесь фруктозы и глюкозы ) – влево. Поскольку реакция идет практически до конца , происходит изменение направления плоскости поляризации .

Реакция инверсии сахарозы является биомолекулярными , но в водных растворах , когда можно пренебречь изменением концентрации воды в смеси в результате прохождения реакции , скорость ее описывается уравнением реакции первого порядка :

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        (1)

Интегрирование данного уравнения дает:

,                                     (2)

где k – константа скорости реакции, τ – время от начала опыта, С₀ – начальная концентрация сахарозы и С_τ – концентрация сахарозы в момент времени τ.

В нейтральных растворах реакция инверсии происходит медленно , но ее скорость значительно возрастает в присутствии ионов водорода , причем , прямо пропорционально их концентрации.

За ходом реакции можно наблюдать за изменением величины и знака угла вращения плоскости ( α ) с тем, для чего реакция проводится в трубке поляриметра .

Возможность использования поляриметра связана с тем , что сахароза вращает плоскость поляризации вправо . Глюкоза , которая образуется при инверсии сахарозы , также вращает плоскость поляризации вправо . Но фруктоза , которая также образуется при инверсии сахарозы вращает плоскость поляризации влево.

Удельное вращение поляризации сахарозы α0с = 66,550 , глюкозы α0г = 52,50 и фруктозы α0ф = -90,90 . Поэтому в ходе реакции правое вращение поляризации постепенно уменьшается до нуля , после чего поляризация становится левовращающий .

Угол вращения плоскости при поляризации α при постоянной толщине слоя жидкости прямо пропорциональна концентрации оптически активного вещества С:

     α = α₀·С,                                              (3)

где α0 – коэффициент пропорциональности, который называется вращением поляризации (α = α0 при с = 1 г / л). Знаки “” и “-” соответствуют правому и левому вращению плоскости поляризации.

 Известно, что угол вращения плоскости поляризации имеет аддитивные свойства, поэтому угол вращения в момент τ равна:

α_τ = α₀·n_τ + α(1 – n_τ)                                             (4)

где α0 – угол вращения плоскости поляризации при исходной концентрации сахарозы С0, т.е. при количестве сахарозы n = 1, α – угол вращения плоскости поляризации в растворе, когда вся сахароза практически полностью преобразуется в глюкозу и фруктозу, а ее концентрация составит (1 – nτ) .

 После преобразований получим:

                                                                                  (5)

Уравнение ( 5 ) позволяет вычислять величину константы скорости реакции непосредственно из измеренных углов вращения. Углы вращения измеряют с помощью поляриметра .

Вращением анализатора можно добиться такого положения , при котором призмы Николя скрещиваются , вследствие чего свет гасится . Если поляриметрической трубку заполнить раствором с оптически активным веществом , то свет не будет гаснуть . Чтобы погасить его , надо вернуть анализатор на определенный угол , который определяется величиной оптической активности раствора.

В распространенном полутемном поляриметр поле зрения резко разделено по интенсивности освещения на две части . При определенном повороте анализатора можно найти такое положение его , когда обе половины поля будут освещены одинаково. Угол поворота анализатора отсчитывают по шкале ( лимбу ) , которая вращается вместе с анализатором , и по верхнему нониусу .

Значение константы скорости реакции можно рассчитать также и графическим методом . Для этого уравнения ( 5 ) записывают в виде:

                                                         .                                      (6)

Строят график в координатах ln (α_τ – α) от t, а константу скорости определяют как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс.

Методика выполнения практической работы № 3 “Изучение кинетики реакции гидролиза сахарозы в присутствии ионов водорода “

Взвешивают 10 г сахара , высыпают в мерную колбу на 50 мл и доливают водой до метки . В отдельной колбе на 50 мл готовят 6 н раствор HCl . Обе колбы выдерживают 10-15 мин . в термостате при температуре 350С .

От приготовленного раствора сахара отбирают пипеткой 25 мл в плоскодонную колбу и туда же выливают 25 мл 6 н раствора HCl . Смесь растворов перемешивают , после чего колбу помещают в термостат при 350С . Момент смешивания отмечают по часам и отбирают пробу . Следующие три пробы отбирают через 5-10 мин . , Фиксируя время отбора проб , и следующие 7-9 проб отбирают через 15-30 мин . Последнюю пробу берут в конце рабочего дня.

В отдельную колбу с длинной узкой шейкой в начале опыта наливают порцию реакционной смеси , обозначают уровень жидкости в узкой шейке и помещают в термостат с температурой 60 -700С (не выше !) . Считают , что при такой температуре реакция успевает до конца опыта полностью завершиться .

Изменение концентрации сахарозы в процессе реакции определяют с помощью поляриметра .

Сначала устанавливают нулевое положение поляриметра , при котором освещенность обеих половин светового поля одинакова. Резкости изображения достигают перемещением источника освещения или определенным передвижением окуляра . Нулевое положение находят несколько раз в принимают его среднее значение . При этом ноль шкалы может не совпадать с нулем нониуса .

Чистую поляриметрической трубку ополаскивают исследуемым раствором и заполняют ее так , чтобы образовался выпуклый мениск , после чего стороны надвигают сухое покровное стекло и навинчивают прижимное кольцо. При этом следят , чтобы в трубке не осталась пузырек воздуха . Наполненную трубку обтирают , чтобы была обеспечена прозрачность стекла, и помещают в желоб поляриметра .

Первую пробу , как уже было отмечено , отбирают сразу же после того, как смешают растворы сахарозы с раствором кислоты. Определяют при этом угол вращения плоскости поляризации . Перед заполнением поляриметрической трубки следующей пробой ее 2-3 раза ополаскивают 3-5 мл смеси , после чего заполняют этой смесью и термостатируют .

Угол вращения для каждой пробы нужно измерять 2-3 раза можно скорее, потому что реакция идет и в поляриметрической трубке . Поэтому за время отсчета принимают среднее время с момента первого и последнего отсчета. По угол отсчета принимают среднюю величину всех отсчетов .

Результаты измерения заносятся в таблицу .

Таблица

 

По результатам измерения вычисляют k из формулы (5), после чего находят его среднее значение.

 Рассчитывают значение константы скорости реакции с помощью графического метода и сравнивают его со значением k, полученным методом подстановки.

Ситуационные задачи

1. Найдите начальную скорость реакции : Н2О2 + 2HI = 2H2O + I2 если смешали одинаковые объемы 0,02 моль / л раствора Н2О2 и 0,05 моль / л раствора HI . Константа скорости 0,06 л2 / ( моль2 • с).

2. Газовая реакция 2 NO + O2 = N2O4 третьего порядка . Напишите кинетическое уравнение реакции и предусмотрите , как изменится скорость реакции при увеличении общего давления в 3 раза.

3. Напишите кинетические уравнения для гетерогенных систем :

А ) С (к) , СО ( г ) , СО2 (г ) ;

Б ) С (к) , Н2 ( г ) , СН4 (г ) ;

В) Fe ( к ) , FeО ( к ) , О2 ( г).

4. Определите срок хранения таблеток анальгина при 293 К ( время разложения 10 % препарата) , если при данной температуре константа скорости разложения k = 1,5 • 10^-9 с^-1.

5. Разложение спазмолитика в водном растворе проходит по механизму реакции и порядка . Вычислите время разложения 10 % препарата при 293 К , если период полупревращения при 293 К составляет 150 часов.

Исходный уровень знаний и умений студентов

Студент должен знать :

1 . Классификация химических реакций .

2 . Уравнение для расчета констант скорости химической реакции различных порядков .

3 . Размерность скорости химической реакции и констант скорости реакций различных порядков .

4 . Методы определения порядка реакции .

5 . Что такое ” период полураспада ” исходного вещества.

Студент должен уметь :

1 . Определять константу скорости реакции по экспериментальным данным .

2 . Рассчитывать константы скорости реакций различных порядков .

3 . Определять срок хранения лекарств , если известна константа скорости распада препарата .

4 . Рассчитывать скорость химической реакции .

Источники информации:

1.     Евстратова К.И., Купина И.А., Малахова Е.Е. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1990. –  487с.

2.     Красовский И.В., Вайль Е.И., Безуглый В.Д. Физическая и коллоидная химия. – К.: Вища школа., 1983. – 345 с.

3.     Амирханова Н.А., Беляева Л.С., Белоногов В.А. Задачник по химии. – Уфа: Изд-во УГАТУ, 2002. – 117 с.

4.     Бугреева Е.В., Евстратова К.И.,  Купина Н.А. Практикум по физической и коллоидной химии. – М.: Высш. шк., 1990. – 255 с.

5.     Материалы сайта http://www.tdmu.edu.te.ua/