Окисление щавелевой кислоты перманганатом калия
Введение
Катализ - изменение скорости химической реакции
при воздействии веществ (катализаторов), которые участвуют в реакции, но не
входят в состав продуктов. Катализатор не находится в стехиометрических
отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения
реагентов в продукты. Он не смещает положения равновесия химической реакции и
вблизи от равновесия ускоряет прямую и обратную реакции в равной степени.
Автокатализом называется явление, когда
каталитическое действие на реакцию оказывает какой-либо из её продуктов.
Целью нашей работы являлось изучение зависимости
константы скорости k
автокаталитической реакции окисления щавелевой кислоты перманганатом калия от
температуры и определение энергии активации данной реакции.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
окисление реакция химический скорость
Автокаталитические реакции.
Автокаталитическая реакция - реакция, в которой
один из её продуктов служит катализатором превращения исходных веществ.
Для автокаталитической реакции характерно, что
процесс идёт при возрастающей концентрации катализатора. В начальный период
реакции, в период индукции, скорость реакции неизмеримо мала, затем она
возрастает и лишь при достижении значительной степени превращения начинает
падать в результате убыли концентрации исходных веществ. В результате
кинетическая кривая для продукта реакции имеет S-образный
вид (рис. 1), подобно кинетической кривой продукта двух последовательных
реакций.
Рис. 1. Кинетическая кривая изменения оптической
плотности продукта автокаталитической реакции
Чтобы процесс мог развиться по
автокаталитическому пути, в системе с самого начала должен присутствовать
продукт реакции. Он может быть специально внесён экспериментатором (начальная
затравка) или образовываться без участия катализатора.
В простейшем случае реакции первого порядка по А
и В скорость образования продукта превращения равна
(1)
Обозначая через x прирост [B] в
результате реакции, т. е. полагая x = [B] - [B]0, и
учитывая, что прирост [B] равен убыли [A], получаем
следующее выражение:
(2)
Уравнение такого же вида получается в случае,
если никакой затравки в систему не вносится, но параллельно с
автокаталитическим превращением идёт некаталитическое превращение А в В по
реакции первого порядка. В этом случае
(3)
откуда
(4)
Интегрирование уравнения (2) дает
(5)
или в виде, разрешенном относительно
х,
(6)
Если ввести безразмерные переменные , , то
уравнение (6) примет вид
(7)
Если экспериментально получена
кинетическая кривая автокаталитической реакции, следующей уравнению (2), то для
вычисления константы скорости k пользуемся уравнениями (6 ,7).
Если [В]0 << [A]0, тогда
соотношение (7) записываем в виде
(8)
Построив графически зависимость от t, по наклону
полученной прямой линии можно определить k×[A]0 и k.
Окисление щавелевой кислоты перманганатом калия.
Автокаталитической реакцией является окисление
щавелевой кислоты перманганатом калия.
Эта реакция протекает по сложному
механизму, лимитирующей стадией которого является взаимодействие с ионом Где
лимитирующей стадией сложной химической реакции является та простая реакция,
константа скорости, которой оказывает наибольшее влияние на общую скорость
сложной реакции
(9)
Образовавшийся ион Mn3+ далее
окисляет щавелевую кислоту с образованием CO2 и Mn2+:
(10)
Последний процесс, по-видимому,
является двустадийным.
Учитывая тот факт, что помимо Mn2+ в реакции
образуется MnO2, в системе
протекает диспропорционирование
(11)
Таким образом, записываем вероятную
брутто-реакцию:
(12)
Скорость реакции равна скорости
лимитирующей стадии (9) и пропорциональна произведению концентраций одного из
исходных веществ [] на
концентрацию одного из продуктов [Mn2+]. Поэтому
скорость реакции описывается уравнением, подобным уравнению (2):
интегрирование которого даст
выражения:
(13)
(14)
где
В отсутствие начальной затравки Mn2+ реакция
протекает со значительным временем индукции, это обусловлено протеканием
медленной некаталитической реакции окисления щавелевой кислоты с образованием Mn2+. При
использовании исходной затравки Mn2+ время индукции существенно
уменьшается.
Кинетику этой реакции изучают
спектрофотометрическим методом. Конечный продукт реакции - MnO2,
образующийся в виде мелкодисперсной взвеси, имеет интенсивную полосу поглощения
в видимой области спектра с центром при ~ 400 нм, за его образованием следят на
длине волны 430 нм, при этом значение коэффициента экстинкции исходного в этой
области мало.
При наличии в растворе двух
поглощающих форм ( и MnO2)
оптическая плотность раствора равна
(15)
До начала реакции величина
оптической плотности определяется начальной концентрацией (С0):
по окончании реакции после полного
превращении в и Mn2+
оптическая плотность равна
Отсюда и
Подставляя эти выражения в уравнение
(15), имеем
(16)
Учитывая, что получаем
(17)
Преобразовывая, имеем
(18)
откуда
(19)
Поэтому, регистрируя зависимость оптической
плотности раствора от времени, получаем кинетическую кривую накопления MnO2
в результате автокаталитической реакции.
Экспериментальная часть
Реагенты:
- щавелевая кислота
(H2C2O4∙2H20)
- готовый 0.2 N
раствор перманганата калия (KMnO4);
- хлорид марганца (II)
(MnCl2∙4H2O);
Оборудование:
- 3 мерные колбы на 100 мл и одна на
250 мл
- пипетки
- весы
- секундомер
- спектрофотометр UV-mini-1240
Shimadzu
- кварцевая кювета на 1мм
Приготовление рабочих растворов в мерных колбах
на 100 мл:
№ 1 0.015 М щавелевая кислота
№ 2 0.0075 М перманганат калия
№ 3 0.0025 М хлорид марганца (II)
Подготовка раствора для спектрофотометрии:
Исследования проводились при температурах 25 °C,
30 °C, 35 °C,
40 °C , каждый раствор
должен термостатироваться до нужной температуры. Затем в колбу на 250 мл
налить ̴
200 мл дистиллированной воды и по 5 мл рабочих растворов № 1 и №3. Последним
добавить 5 мл рабочего раствора № 2, после приливания сразу включить
секундомер. Довести раствор до метки, перемешать. Таким образом, концентрации
растворов в реакционной колбе будут:
щавелевой кислоты 0.0003 М,
перманганата калия 0.00015 М ,
хлорида марганца 0.00005 М .
Налить полученный раствор в кювету, поместить её
в спектрофотометр, затем одновременно начать запись кинетики реакции и
остановить секундомер, записать время. После окончания регистрации кинетики
перенести данные в компьютер.
Обработка данных в Origin.
1. Полученные данные представляют таблицу
времени (t, c)
и оптической плотности (D).
Нужно изменить столбик со временем, прибавив ко всем значениям время засечённое
секундомером. Таким образом, можем построить график зависимости оптической
плотности от раствора.
. Оптическая плотность в ходе реакции
повышается из-за образования коричневого осадка MnO2.
На начальном участке (0-200 с) кривая возрастает слабо, происходит накопление
автокатализатора Mn2+,
и при достаточной его концентрации реакция идёт намного быстрее. Далее кривая
выходит на плато, значение которого фиксируется как D∞
- максимальная оптическая плотность. Здесь заканчивается реакция. Затем
начинают собираться более крупные частицы осадка, которые мешают правильной
регистрации оптической плотности, поэтому последний участок не представляет
интереса.
. Далее для обработки понадобится
вычислить значение
.
Для этого берм начальное и максимальное значения
оптической плотности, D
- текущее значение.
Последняя четвертая добавочная
колонка содержит значение
4. Далее были построены графики ξ
- t, , и аппроксимированы
по формулам
для первого графика и для
второго.
5. Вычисленные значения константы скорости
реакции, полученные разными способами
T, °C
|
ξ
- t
|
|
25
|
171 ± 3
|
168 ± 1
|
30
|
303 ± 8
|
295 ± 5
|
35
|
311 ± 7
|
304 ± 5
|
40
|
385 ± 4
|
347 ±5
|
. Далее можем высчитать энергию активации
автокаталитической реакции. Для этого строим график и
из значения наклона находим Ea
Результаты и выводы
(25° C)
= 170 ± 3 л/моль*с
k(30° C)
= 299 ± 9 л/моль*с
k(35° C)
= 308 ± 9 л/моль*с
k(40° C)
= 366 ± 6 л/моль*с
Ea = 41 ± 4
кДж/моль
ВЫВОДЫ
Была получена температурная зависимость
константы скорости автокаталитической реакции и определена энергия активации
данной реакции, Ea
= 41 ± 4 кДж/моль
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эмануэль
Н. М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики, 4-е изд., М.: Высш. шк., 1984.
. Практикум
по физической химии НГУ Химическая кинетика Под редакцией В.А.Рогова, В.Н.
Пармона, Новосибирск, 2013