ЗАНЯТТЯ № 3

Тема: 1. Формальна кінетика.

2. Вивчення кінетики реакції гідролізу сахарози в присутності йонів Гідрогену (практична робота № 3).

Мета:  Засвоїти основні поняття хімічної кінетики. Навчитися розраховувати константу швидкості хімічної реакції будь-якого порядку, а також час перебігу реакції до заданого ступеня перетворення вихідної речовини. Засвоїти поляриметричний метод визначення швидкості реакції гідролізу сахарози.

Професійна орієнтація студентів

Хімічна кінетика закладає фундамент для вивчення біохімії, фармакокінетики ліків, фармакології, клінічної діагностики. Користуючись положеннями хімічної кінетики, можна визначити швидкість надходження лікарських речовин у кров та час напіввиведення їх з організму (так встановлюють оптимальні терапевтичні дози ліків для дітей та дорослих).

Знання кінетичних законів хімічних процесів лежить в основі оптимізації пошуку біологічно-активних речовин, оскільки дає можливість вивчати реакційну здатність, встановлювати механізми хімічної взаємодії і, таким чином, вибирати оптимальні умови синтезу та аналізу. Фармакокінетичні дослідження, пов’язані з вивченням швидкості засвоєння та виведення лікарських препаратів в організмі, дозволяють інтерпретувати механізми їх фізіологічної дії.

Базовий рівень знань та вмінь студентів

Знання, набуті при вивченні математики, фізики, загальної та неорганічної хімії на І курсі.

Програма самопідготовки студентів

Підготуватись до практичного заняття за матеріалами підручників і лекцій, звернувши увагу на такі питання:

Тема 1. Формальна кінетика. Складні реакції.

1. Що таке хімічна кінетика?

1.     Як класифікують хімічні реакції за:

а) ступенем складності;

б) за кількістю фаз;

в) за кількістю молекул.

2.     Що означає “визначити механізм хімічної реакції”?

3.     Що таке швидкість хімічної реакції?

4.     Що таке середня та істинна швидкості хімічної реакції? Як їх можна визначити?

5.     Який математичний вигляд має закон діючих мас для простих і складних реакцій?

6.     Який фізичний зміст константи швидкості хімічної реакції? Від яких факторів вона залежить?

7.     Що таке молекулярність і порядок реакції?

8.     Що таке порядок реакції за реагентом і всієї реакції в цілому?

9.     Які основні причини неспівпадання порядку реакції з молекулярністю?

10.  Які є методи визначення порядку реакції і консчтанти швидкості реакції?

11.  Формули для розрахунків констант швидкості реакцій І, ІІ, ІІІ та 0 порядків. Яка їх розмірність?

12.  Що таке “період напівперетворення”?

Тема 2. Вивчення кінетики реакції гідролізу сахарози в присутності йонів Гідрогену.

1.     Яка молекулярність та порядок реакції гідролізу сахарози?

2.     Яка методика використовується для вивчення швидкості гідролізу сахарози?

3.     В яку сторону обертають площину поляризації світла сахароза, глюкоза і  фруктоза?

4.     Які методи розрахунку константи швидкості реакції можна використати в цій роботі?

5.     Який вигляд має формула для обчислення константи швидкості реакції гідролізу сахарози?

6.     В яких координатах будують графік для обчислення константи швидкості реакції гідролізу сахарози?

Інформаційна частина до практичної роботи № 3 “Вивчення кінетики реакції гідролізу сахарози в присутності йонів Гідрогену”

Реакція гідролізу бурякового цукру (сахарози) відбувається за схемою:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

                                    сахароза           глюкоза    фруктоза

Ця реакція одержала свою назву (реакція інверсії) від зміни кута обертання площини поляризації світла, яке проходить через розчин. Причиною інверсії є те, що водний розчин сахарози обертає площину поляризації світла вправо, а розчин, що утворюється в результаті гідролізу (еквімолярна суміш фруктози і глюкози) – вліво. Оскільки реакція іде практично до кінця, відбувається зміна напрямку площини поляризації.

Реакція інверсії сахарози є бімолекулярною, але у водних розчинах, коли можна знехтувати зміною концентрації води в суміші в результаті проходження реакції, швидкість її описується рівнянням реакції першого порядку:

                                       (1)

Інтегрування даного рівняння дає:

,                                      (2)

де k – константа швидкості реакції, τ – час від початку досліду, С₀ – початкова концентрація сахарози і С_τ – концентрація сахарози в момент часу τ.

В нейтральних розчинах реакція інверсії відбувається повільно, але її швидкість значно зростає в присутності йонів Гідрогену, до того ж, прямо пропорційно їх концентрації.

За ходом реакції можна спостерігати за зміною величини і знака кута обертання площини (α) з часом, для чого реакція проводиться в трубці поляриметра.

Можливість використання поляриметра пов’язана з тим, що сахароза обертає площину поляризації вправо. Глюкоза, яка утворюється при інверсії сахарози, також обертає площину поляризації вправо. Але фруктоза, яка також утворюється при інверсії сахарози обертає площину поляризації вліво.

Питоме обертання поляризації сахарози α_0с = 66,55⁰, глюкози α_0г = 52,5⁰ і фруктози α_0ф = –90,9⁰. Тому в ході реакції праве обертання поляризації поступово зменшується до нуля, після чого поляризація стає лівообертаючою.

Кут обертання площини під час поляризації α при сталій товщині шару рідини  прямо пропорційний концентрації оптично-активної речовини С:

     α = α₀·С,                                    (3)

де α₀ – коефіцієнт пропорційності, який називається обертанням поляризації (α = α₀ при с = 1 г/л). Знаки “+” і “-“ відповідають правому і лівому обертанню площини поляризації.

Відомо, що кут обертання площини поляризації має аддитивні властивості, тому кут обертання в момент τ дорівнюватиме:

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

де α₀ – кут обертання площини поляризації при вихідній концентрації сахарози С₀, тобто при кількості сахарози n = 1, α – кут обертання площини поляризації в розчині, коли вся сахароза практично повністю перетвориться в глюкозу і фруктозу, а її концентрація становитиме (1 – n_τ).

Після перетворень отримаємо:

                                                                                       (5)

Рівняння (5) дає змогу обчислювати величину константи швидкості реакції безпосередньо з виміряних кутів обертання. Кути обертання вимірюють за допомогою поляриметра.

Обертанням аналізатора можна домогтися такого положення, при якому призми Ніколя схрещуються, внаслідок чого світло гаситься. Якщо поляриметричну трубку заповнити розчином з оптично активною речовиною, то світло не буде гаснути. Щоб погасити його, треба повернути аналізатор на певний кут, який визначається величиною оптичної активності розчину.

У найпоширенішому напівтемному поляриметрі поле зору різко розділене за інтенсивністю освітлення на дві частини. При певному повороті аналізатора можна знайти таке положення його, коли обидві половини поля будуть освітлені однаково.  Кут повороту аналізатора відраховують по шкалі (лімбу), яка обертається разом з аналізатором, і по верхньому ноніусу.

Значення константи швидкості реакції можна розрахувати також і графічним методом. Для цього рівняння (5) записують у вигляді:

                   .                            (6)

Будують графік в координатах ln (α_τ – α) від t, а константу швидкості визначають як тангенс кута нахилу прямої до осі абсцис.

Методика виконання практичної роботи № 3 “Вивчення кінетики реакції гідролізу сахарози в присутності йонів Гідрогену”

Зважують 10 г цукру, висипають у мірну колбу на 50 мл і доливають водою до мітки. В окремій колбі на 50 мл готують 6 н розчин HCl. Обидві колби витримують 10–15 хв. у термостаті при температурі 35⁰С.

Від приготованого розчину цукру відбирають піпеткою 25 мл у плоскодонну колбу і туди ж виливають 25 мл 6 н розчину HCl. Суміш розчинів перемішують, після чого колбу вміщують у термостат при 35⁰С. Момент змішування відмічають за годинником і відбирають пробу. Наступні три проби відбирають через 5–10 хв., фіксуючи час відбору проб, і наступні 7–9 проб відбирають через 15–30 хв. Останню пробу беруть у кінці робочого дня.

В окрему колбу з довгою вузькою шийкою на початку досліду наливають порцію реакційної суміші, позначають рівень рідини на вузькій шийці і вміщують у термостат з температурою 60–70⁰С (не вище!). Вважають, що при такій температурі реакція встигає до кінця досліду повністю завершитись.

Зміну концентрації сахарози в процесі реакції визначають за допомогою поляриметра.

Спочатку встановлюють нульове положення поляриметра, при якому освітленість обох половин світлового поля однакова. Різкості зображення досягають переміщенням джерела освітлення або певним пересуванням окуляра. Нульове положення знаходять кілька разів в беруть його середнє значення. При цьому нуль шкали може не збігатися з нулем ноніуса.

Чисту поляриметричну трубку ополіскують досліджуваним розчином і заповнюють її так, щоб утворився випуклий меніск, після чого збоку насувають сухе покривне скло і нагвинчують притискне кільце. При цьому стежать, щоб у трубці не залишилася бульбашка повітря. Наповнену трубку обтирають, щоб була забезпечена прозорість скла, і вміщують у жолоб поляриметра.

Першу пробу, як уже було зазначено, відбирають відразу ж після того, як змішають розчини сахарози з розчином кислоти. Визначають при цьому кут обертання площини поляризації . Перед заповненням поляриметричної трубки наступною пробою її 2-3 рази ополіскують 3–5 мл суміші, після чого заповнюють цією сумішшю і термостатують.

Кут обертання для кожної проби треба вимірювати 2-3 рази якомога швидше, тому що реакція триває і в поляриметричній трубці. Тому за час відліку беруть середній час з моментів першого й останнього відліку. За кут відліку беруть середню величину всіх відліків.

Результати вимірювання заносять у таблицю.

Таблиця

 

За результатами вимірювання обчислюють k з формули (5), після чого знаходять його середнє значення.

         Розраховують значення константи швидкості реакції за допомогою графічного методу і порівнюють його із значенням k, одержаним методом підстановки.

Ситуаційні задачі

1.     Знайдіть початкову швидкість реакції: Н₂О₂ + 2HI = 2H₂O + I₂ якщо змішали однакові об’єми 0,02 моль/л розчину Н₂О₂ та 0,05 моль/л розчину HI. Константа швидкості 0,06 л²/(моль²·с).

2.     Газова реакція 2 NO + O₂ = N₂O₄ третього порядку. Напишіть кінетичне рівняння реакції і передбачте, як зміниться швидкість реакції при збільшенні загального тиску в 3 рази.

3.     Реакція С₂Н₄Br₂ + 2KI = C₂H₄I₂ + 2KBr прискорюється в 3 рази при збільшенні концентрації С₂Н₄Br₂ в 3 рази і в 4 рази – при збільшенні концентрації KI в 4 рази. Складіть кінетичне рівняння реакції. Який загальний порядок реакції?

4.     Реакція відбувається в газовій фазі: А + 2Б + В = Г. При збільшенні тиску компоненту А в 2 рази швидкість реакції зросла в 4 рази. При збільшенні тиску компоненту Б в 2 рази швидкість не змінилась. При збільшенні тиску компоненту В в 2 рази швидкість зросла в 2 рази. Який порядок реакції за кожним реагентом і загальний? Напишіть кінетичне рівняння реакції і обчисліть зміну швидкості реакції при збільшенні загального тиску в 2 рази.

5.     В оборотній реакції А ↔ В константа швидкості прямої та зворотної реакцій відповідно дорівнюють 0,3 і 0,1 с^-1. У вихідному стані система містить тільки речовину А. Обчисліть константу рівноваги. За який час концентрація А зменшиться вдвічі?

6.     Напишіть кінетичні рівняння для гетерогенних систем:

А) С _(к), СО_(г), СО_{2 (г)};

Б) С _(к), Н_{2 (г)}, СН_{4 (г)};

В) Fe _(к), FeО _(к), О_{2 (г)}.

7.     Визначте термін зберігання таблеток анальгіну при 293 К (час розкладу 10% препарату), якщо при даній температурі константа швидкості розкладу k = 1,5·10^-9 с^-1.

8.     Реакція І порядку проходить на 20% за 60 хвилин. Яка швидкість реакції при концентрації реагенту 0,02 моль/л?

9.     Розклад спазмолітика у водному розчині проходить за механізмом реакції І порядку. Обчисліть час розкладу 10% препарату при 293 К, якщо період напівперетворення при 293 К становить 150 годин.

10. Реакція між речовинами А і В відбувається за рівнянням А + 2В = С. Концентрація речовини А дорівнює 1.5 моль/л, речовини В – 3 моль/л. Константа швидкості реакції дорівнює 0.4. Обчислити швидкість реакції: а) в початковий момент часу; б) через деякий час, коли прореагує 75% речовини А.

11. В посудині міститься 0.025 г радону. Період напіврозпаду радону дорівнює 3.82 дня. Яка кількість радону в процентах і за масою залишиться через 14 днів?

12. Константа швидкості реакції 2 порядку:

СН₃СООС₂Н₅ + NaOH = CH₃COONa + C₂H₅OH дорівнює 5.4 л/(моль*хв). Скільки ефіру прореагує через 10 хв. при однакових початкових концентраціях реагентів 0.2 моль/л?

13. При вивченні кінетики гідролізу сахарози надлишком 0,5М розчину HCl при 70⁰С визначали кут обертання площини поляризації a у різні проміжки часу і одержали такі результати:

Визначте константу швидкості реакції методом підстановки експериментальних даних в кінетичне рівняння і графічним методом.

 

Вихідний рівень знань та вмінь студентів

Студент повинен знати:

1.     Класифікацію хімічних реакцій.

2.     Рівняння для розрахунку констант швидкості хімічних реакціїй різних порядків.

3.     Розмірність швидкості хімічної реакції та констант швидкості реакцій різних порядків.

4.     Методи визначення порядку реакції.

5.     Що таке “період напіврозпаду” вихідної речовини.

Студент повинен вміти:

1.     Визначати константу швидкості реакції за експериментальними даними.

2.     Розраховувати константи швидкості реакцій різних порядків.

3.     Визначати термін зберігання ліків, якщо відома константа швидкості розпаду препарату.

4.     Розраховувати швидкість хімічної реакції.

Джерела інформації:

Основні:

1.       Мороз А.С., Яворська Л.П., Луцевич Д.Д. та ін. Біофізична та колоїдна хімія. – Вінниця: Нова книга, 2007. – 600 с.

2.       Кабачний В.І., Осипенко Л.К., Грицан Л.Д. та ін. Фізична та колоїдна хімія – Х.: Прапор, В-во УкрФА, 1999. – 368 с.

3.       Кабачний В.І., Осипенко Л.К., Грицан Л.Д. та ін. Фізична та колоїдна хімія. Збірник задач. – Х.: Золоті сторінки, 2001. – 207 с.

4.       Вовокотруб Н.П., Смик С.Ю., Бойко Р.С. Практикум з фізичної та колоїдної хімії. Електронний навчальний посібник, 2002. – 257 с.

5.       Мороз А.С., Ковальова А.Г. Фізична та колоїдна хімія. – Львів: Світ, 1994. –  280 с.

6.       Матеріали сайту http://www.tdmu.edu.te.ua/

Додаткові:

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.

 

Методичні вказівки обговорені і затверджені:

на засіданні кафедри:

 “5”  червня 2013 р., протокол № 1

Завідувач кафедри загальної хімії                               д.б.н., Фальфушинська Г.І.

 

 

на засіданні циклової методичної комісії

з фармацевтичних дисциплін “18” червня 2013 р., протокол № 5

 

Голова циклової методичної комісії                                  проф. Соколова Л.В.