ЗАНЯТИЕ № 4
Тема: 1 . Влияние различных факторов на скорость химической реакции . Каталитические реакции (практическая работа № 4).
2 . Определение энергии активации реакции .
Цель: Научить студентов рассчитывать изменение скорости реакции в зависимости от температуры , энергию активации процесса и ознакомить с теоретическими основами метода “ускоренного старения ” . Усвоить суть катализа , проверить селективность действия некоторых катализаторов .
Профессиональная ориентация студентов
Вопрос о скорости химических реакций имеет важное теоретическое и практическое значение для фармации . Исследование зависимости скорости реакций от различных факторов дает возможность интенсифицировать технологические процессы фармацевтических производств , а также повысить эффективность воздействия на организм различных лекарственных средств.
Экспериментальное изучение влияния температуры и других параметров на скорость разложения биологически активных веществ позволяет научно обосновать и указать сроки хранения лекарственных средств. Правило Вант – Гоффа лежит в основе метода “ускоренного старения“, который применяется для определения сроков годности лекарственных средств. Этот метод позволяет сократить время, необходимое для установления сроков годности препаратов и определить оптимальную температуру их хранения.
В фармацевтической практике широко используют ферментативные препараты: пепсин при гастрите , лидазы при ожогах , стрептазы для лечения тромбоза и т.д. Знание механизма каталитических реакций позволяет обоснованно подбирать тот или др. катализатор, селективный для определенного типа реакции .
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. Влияние различных факторов на скорость химической реакции . каталитические реакции
1 . От каких факторов зависит скорость химической реакции ? Приведите примеры .
2 . Какой физический смысл температурного коэффициента в правиле Вант – Гоффа ?
3 . Метод “ускоренного старения лекарств ” .
2 . Какие особенности присущи катализаторам ?
3 . Какие виды катализа различают ?
4 . Гомогенный , ферментативный и гетерогенный катализ .
5 . Из каких стадий состоит гетерогенный каталитический процесс?
6 . Чем объясняют механизм гомогенного катализа ; гетерогенного катализа?
7 . Что такое каталитическая константа скорости для гомогенных реакций ?
Тема 2 . Определение энергии активации реакции .
1 . Каковы основные положения теории активных столкновений ?
2 . Что называется энергией активации ? Методы ее определения .
3 . Какой физический смысл передекспоненцийного множителя в уравнении Аррениуса ?
4 . Что называется активным комплексом ?
5 . Что такое энергетический барьер?
6 . Что называется координатой реакции ?
7 . Что собой представляет трансмиссионный коэффициент ?
Практическая работа № 4 ” Влияние различных факторов на скорость химической реакции . Каталитические реакции “
Опыт 1 . Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ . Взаимодействие тиосульфата натрия с серной кислотой .
На лист черной бумаги поставить три стакана . В первый стакан отмерить 15мл раствора тиосульфата , во второй – 10 мл тиосульфата и 5 мл воды , в третьей – 5 мл тиосульфата и 10 мл воды .
Отмерить пипеткой 5 мл серной кислоты , вылить ее в первый стакан , включить секундомер и помешать стеклянной палочкой раствор. Отметить время появления заметного помутнения раствора. Реакция происходит по уравнению : Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2SO3 + S .
Затем снова отмерить 5 мл кислоты и вылить во второй стакан. То же самое проделать в третий раз с самим разбавленным раствором. Сравнить время прохождения реакции .
Опыт 2 . Зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ .
Четыре пробирки наполнить на одну треть раствором соляной кислоты. Затем бросить туда кусочки металлов : в первую пробирку – медь , во вторую – алюминий , в третью – цинк , в четвертую – магний. Записать уравнения реакций и в какой из пробирок наблюдается интенсивное выделение водорода.
Опыт 3 . Зависимость скорости химической реакции от величины поверхности реагирующего вещества . Взаимодействие карбоната кальция с соляной кислотой .
Берут две одинаковые навески CaCO3 ( мела ) по 1 ч. Одну из навесок растереть в ступке в порошок. В стаканы наливают одинаковое количество соляной кислоты. В один стакан высыпают порошок CaCO3 , а во второй – кусочки . Скорость их растворения заметно отличается . Запишите результаты наблюдений . Реакция происходит по уравнению : CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2 .
Опыт 4. Зависимость скорости химической реакции от температуры.
А) Взаимодействие тиосульфата натрия с серной кислотой.
В один стакан налить 20 мл тиосульфата натрия и 10 мл воды, во второй стакан – 10 мл серной кислоты. Нагреть растворы в обоих стаканах соответственно до 40 и 600С. Затем включить секундомер и слить оба раствора в ранее подготовленный стакан. Указать время появления заметного помутнения раствора. То же сделать с растворами при температуре 200С. По полученным данным рассчитать декадный температурный коэффициент по формуле:
= γ2
комнатная температура ( 20 0С) , τ – время реакции . Попадает значение γ в теоретические границы ?
Б ) Окисление иодида калия азотной кислотой .
В два стакана наливают одинаковое количество ( по 25 мл ) азотной кислоты. Один стакан оставляют при комнатной температуре, а второй нагревают примерно до 800С . Затем ставят стаканы рядом и к каждому раствору добавляют по 10 мл раствора иодида калия. Объясните наблюдаемые явления в обоих стаканах . Реакция происходит по уравнению : 8HNO3 + 6KJ = 6KNO3 + 3J2 + 4H2O + 2NO .
Опыт 5 . Автокатализ . Автокаталитический действие иона Мп2+ на реакцию восстановления перманганата калия щавелевой кислотой .
В две пробирки внести по 1 мл 5 % раствора щавелевой кислоты Н2С2О4 и по 3 капли 2 н . раствора серной кислоты. В одну из пробирок добавить несколько капель раствора сульфата марганца ( II) . Из пипетки по каплям добавляют в две пробирки раствор перманганата калия. Наблюдают его обесцвечивания.
В которой из пробирок реакция проходит быстрее? Проследите в течение 2-3 мин . за изменением скорости реакции во второй пробирке . Заметьте ее постепенное ускорение . Реакция проходит по уравнению :
2 КМпО4 + 5 Н2С2О4 + 3 Н2SО4 = 2 Мп SО 4 + 10 СО2 + К2SО4 + 8 Н2О.
Почему эта реакция называется автокаталитической? Что в ней является катализатором ?
Опыт 6 . Гомогенный катализ . Каталитическое восстановление железа (III).
В две пробирки внести по 1 мл 0.5 н . раствора роданида калия и по 1 капле 0.5 н . раствора хлорида железа (III). Что происходит? В одну из пробирок добавить 1 каплю 1 н . раствора сульфата меди . В две пробирки влить по 1 мл тиосульфата натрия. Наблюдают разную скорость обесцвечивания растворов , которое происходит вследствие восстановления железа (ІІІ) к железу (II) тиосульфатом натрия. Напишите уравнения реакций:
а) взаимодействия хлорида железа (III) с роданидом калия , в результате которого образуется Fe ( SCN )3 красного цвета ;
б) восстановление железа (ІІІ) в железо (II) тиосульфатом натрия, происходит по уравнению :
2Fe ( SCN )3 + 2Na2S2O3 = Na2S4O6 + 2Fe ( SCN )2 + 2NaSCN .
Какой цвет имеет Fe ( SCN )2? Что является катализатором в данном опыте?
Опыт 7 . Гетерогенный катализ . Каталитический распад пероксида водорода.
В пробирку вносят 1 мл 10 % раствора пероксида водорода . Укажите , что в обычных условиях заметного разложения пероксида водорода не будет. Добавить к раствору несколько крупинок диоксида марганца или диоксида свинца . Наблюдают энергичное разложение пероксида водорода . Какой газ выделяется ? Написать уравнение реакции . Чем является диоксид марганца и диоксид свинца в этом опыте ?
Ситуационные задачи
1 . Во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры на 40 º , если температурный коэффициент скорости реакции равен 3 ?
2 . Вычислите температурный коэффициент скорости реакции разложения муравьиной кислоты на СО2 и Н2 в присутствии золотого катализатора , если константа скорости этой реакции при 413 К составляет 5,5 · 10-4 с -1 , а при 458 К – 9,2 · 10-3 с -1 .
3 . При повышении температуры на 30 º С скорость реакции возросла в 9 раз . Вычислите температурный коэффициент .
4 . При определении срока годности амидопирина ускоренным методом было установлено , что константа скорости разложения амидопирина при 353 К составляет 1,64 · 10-5 мин -1. Вычислите срок хранения ( время разложения 10 % вещества) таблеток при 293 К.
5 . Для одной из реакций опытным путем были определены две константы скорости при двух температурах : для 443 К k = 0,0067 c – 1, для 508 К k = 0,1059 c -1. Определите значение энергии активации данной реакции .
6 . Какой должна быть энергия активации , чтобы скорость реакции увеличилась в 5 раз при росте температуры от 300 до 320 К ?
Исходный уровень знаний и умений студентов
Студент должен знать :
1 . Факторы , от которых зависит скорость химической реакции .
2 . Математическое выражение уравнений Вант – Гоффа и Аррениуса .
3 . Содержание понятий: декадный температурный коэффициент , энергия активации , переходный комплекс , катализ .
4 . Основные положения теории активных столкновений и теории переходного состояния .
5 . Способы расчета энергии активации .
6 . Принципы действия катализаторов .
Студент должен уметь :
1 . Рассчитывать изменение скорости реакции в зависимости от температуры.
2 . Определять температурный коэффициент реакции .
3 . Определять срок хранения лекарств методом “ускоренного старения” .
4 . Определять энергию активации реакций .
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/
