В разных темах школьного курса химии мы изучаем химические реакция

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НА СКОРОСТЬ
ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
Представляемая работа обсуждалась на 10-ой областной научной конференции
школьников «Математическое и физическое моделирование задач
естествознания» 1 – 2 ноября 2007г. (ТГУ) и на девятой региональной
конференции-конкурсе исследовательских работ старшеклассников «Юные
исследователи – российской науке и технике» (ТПУ) 28-29 марта 2008г
Содержание
Введение
1.Понятие о скорости химической реакции
2. Опытно-экспериментальная работа
2.1. Методика проведения опытов
2.2. Опытные данные
2.3.Взаимодействие растворов иодида калия и
пероксида водорода в кислой среде
2.4. Взаимодействие азотной кислоты с металлами
Заключение
Литература
Введение
В разных темах школьного курса химии мы изучаем химические реакции.
Наибольшую трудность вызывает изучение скорости реакции. Проводимых на
уроках опытов и изучаемого теоретического материала недостаточно для
изучения этого трудного вопроса. В связи с этим возникает проблема
исследования: подобрать опыты, позволяющие демонстрировать зависимость
скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ. Отсюда
вытекает тема исследования: «Исследование влияния концентрации
реагирующих веществ на скорость химической реакции».
Объект исследования: химические реакции
Предмет исследования: скорость химических реакций, ее зависимость от
концентрации реагирующих веществ
Цель исследования: изучить теоретические основы химической кинетики,
провести серию опытов по демонстрации влияния концентрации на скорость
реакции.
Гипотеза исследования связана с предложением о том, что можно через
проведение несложных опытов дать более полное понимание о скорости
химической реакции, а именно о влиянии на нее концентрации реагирующих
веществ. Предлагаемые опыты позволяют выйти за рамки школьного курса
химии, позволят углубить знания о химической кинетике.
Задачи исследования:
1. Изучить учебно-научную литературу о химической кинетике.
1
2. Изучить методику проведения опытов.
3. Провести эксперименты и сделать выводы.
4. Математически обработать результаты.
Элемент новизны нашей работы заключается в том, что мы провели
лабораторные опыты, наглядно подтверждающие зависимость скорости
химической реакции от концентрации веществ.
Методы исследования:
1. Метод анализ и синтеза учебно-научной литературы по этой теме.
2. Эмпирические методы: наблюдение за ходом реакций, приготовление
растворов.
3. Метод математического моделирования.
Этапы исследования:
1. Сентябрь, октябрь 2007 г. Изучение и анализ литературы.
2. Ноябрь, декабрь 2007 г. Проведение эксперимента, систематизация
работы.
3. Январь, февраль 2008 г. Написание работы.
Теоретико-экспериментальное исследование проходило в Итатской
средней школе № 2 с.Томское Томского района Томской области. Было
проведено более 20 опытов.
1. Понятие о скорости химической реакции
Скорость химической реакции измеряется количеством вещества,
вступающего в реакцию или образующего в результате реакции в единицу
времени в единице объема системы ( для гомогенной реакции) или на единице
поверхности раздела фаз ( для гетерогенной реакции).
Химические реакции протекают с разными скоростями. Быстро, но
мгновенно горит сера в соляной кислоте, этилен обеспечивает бромную воду.
Медленно образуется ржавчина на железных предметах и бронзовых
изделиях, гниет листва, разрушаются зубы.
Предсказание скорости химической реакции, а также выяснение её
зависимости от условий проведения процесса – задача химической кинетики –
наука о закономерностях протекания химических реакций во времени.
Если химические реакции происходят в однородной среде, например в
растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ
происходит во всём объеме. Такие реакции называют гомогенными.
Скорость гомогенной реакции (V гомог) определяется как изменение
количества вещества в единицу времени в единице объёма:
V гомог= n / t*v,
где n – изменение числа молей одного из веществ (чаще всего исходного, но
может быть и продукта реакции); t – интервал времени (с, мин); V – объём
газа или раствора (л).
2
Поскольку отношение количества веществ к объёму представляет собой
молярную концентрацию С, то
n/V = C.
Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как
изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:
Vгомог = С(моль)/ t (л*с),
если объём системы не меняется.
2. Опытно-экспериментальная работа
2.1. Методика проведения опытов по взаимодействию тиосульфата
натрия и серной кислоты
Мы проводили реакцию взаимодействия растворов тиосульфата
натрия и серной кислоты:
Na2S2O3 + Н2SO4 = Н2S2O3 + Na 2SO4
S+2 + 2e- = S0 2 1
S+2 – 2e- = S+4 2 1
Н2S2O3 = SO2 +S+ Н2O
Тиосерная кислота сразу же разлагается с выделением оксида серы и серы,
которая находится сначала в коллоидном состоянии, а затем коагулирует. По
внешнему эффекту легко заметить окончание реакции. О скорости реакции
судим по скорости коагуляции серы, которая зависит от концентрации
исходных веществ. Наблюдения за скоростью течения данной реакции
проводим по косвенному признаку – времени, за которое произошла реакция.
Понятно, что чем меньше время течения реакции, тем больше скорость.
Для проведения каждой серии опытов мы брали по 6 пробирок. В первой
серии опытов при постоянной концентрации серной кислоты меняли
концентрацию тиосульфата натрия по схеме: 6 капель тиосульфата и 0 капель
воды; 5 и 1 капель; 4 и 2; 3 и 3; 2 и 4; 1 и 5. В пробирки добавляли 6 капель
серной кислоты, отмечали время окончания реакции.
2.2. Опытные данные
Опыт 1.1. Изменение концентрации тиосульфата натрия Na2S2O3 при
постоянной концентрации серной кислоты H2SO4 .
Число
капель
Na2S2O3
6
5
4
3
Число капель
Н2О
Число капель
H2SO4
0
1
2
3
6
6
6
6
3
Время
протекания
реакции/сек
8
12
16
22
Условная
скорость,
1/ сек
0,152
0,083
0,063
0,045
2
1
4
5
6
6
30
60
0,033
0,017
Опыт 1.2. Изменение концентрации тиосульфата натрия Na2S2O3 при
постоянной концентрации серной кислоты H2SO4 . Исходную концентрацию
тиосульфата уменьшили разбавлением в три раза.
Число
тиосульфата
Капли воды
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
Постоянная
концентрация
H2SO4
6
6
6
6
6
6
Время/сек.
25
34
42
54
75
136
Условная
скорость,
1/ сек
0,040
0,029
0,024
0,019
0,013
0,007
Скорость реакции измеряется в моль/л*сек,
но в наших опытах
установить точную концентрацию веществ достаточно сложно, поэтому мы
высчитали условную скорость, разделив единицу на полученные секунды,
получив секунду в минус первой степени. При анализе полученных результатов
убедились, что скорость химической реакции прямо пропорциональна
концентрации реагирующих веществ.
По полученным данным построили
графики, где наглядно видна эта зависимость.
условная скорость 1/сек
График 1.
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
1
2
3
4
5
6
число капель тиосульфата натрия
4
условная скорость 1/сек
График 2.
0,045
0,04
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
1
2
3
4
5
6
число капель тиосульфата натрия
2.3.Взаимодействие растворов иодида калия и пероксида водорода в
кислой среде (М. Г. Фаерштейн)
Для опыта необходимо 0,001 н. раствор иодида калия, 0,0001 н. раствор
серной кислоты, свежеприготовленный однопроцентный раствор крахмального
клейстера, пероксид водорода, приготовленный разбавлением пергидроля (1:
10), два цилиндра и две мензурки.
Заранее в один из цилиндров наливают 10 мл раствора иодида калия, 10
мл раствора серной кислоты, 20 мл воды и 5 мл крахмального клейстера. Во
второй цилиндр наливают 20 мл раствора иодида калия, 20 мл раствора серной
кислоты И 5 мл крахмального клейстера. В каждый из цилиндров добавляют
одновременно при помешивании по 5 мл пероксида водорода (1: 10).
Голубое окрашивание появляется раньше во втором цилиндре, где
раствор иодида калия был более высокой концентрации. Отсчёт времени ведут
по секундомеру.
2KI-1+ H2SO4 + H2O2 -1 = I20 + K2SO4 + 2H2O-2
2I – 2e- = I20
2 1
2O + 2e- = 2O -2 2 1
При проведении опытов в сосуде с большей концентрацией растворов
синее окрашивание появилось практически сразу же при смешивании
растворов. Во втором сосуде, где концентрация растворов была меньше в 2
раза, синее окрашивание появилось в течение 20 минут.
2.4. Взаимодействие азотной кислоты с металлами
(В. С. Полонский)
В три пробирки наливали равные объёмы (не более половины) 32-, 16- и
8-процентных растворов азотной кислоты и опускали одинаковые кусочки
5
очищенной медной проволоки. Голубая окраска нитрата меди появляется
раньше в пробирке с большей концентрацией раствора. В остальных-позднее.
3Cu0 + 8H+1N+5O3- = 3Cu +2(NO3)2 + 4H2O + 2N+2O-2
Cu – 2e- = Cu+2 2 3
N + 3e- = N+2
3
В первой пробирке синее окрашивание появилось в течение 2-х минут, во
второй - через день. В третьей – через 3 дня.
Заключение
Проведенное
исследование было познавательным и интересным,
позволило:
- выйти за рамки школьного курса химии,
- углубить знания о химической кинетике,
-совершенствовать навыки проведения химического эксперимента,
- составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.
Полученные экспериментальные данные подтвердили, что скорость
химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, данная
закономерность отражается на графиках, построенных по результатам опытов.
Практическая значимость работы заключается в том, что она может быть
использована на элективных курсах и на уроках химии при изучении скорости
химической реакции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Верховский В.Н., Смирнов А.Д. Техника химического эксперимента,
Т.II, М.: Просвещение, 1975, с.219-222
2. Габриелян О.С. Химия -- 11.М.: ДРОФА 2005, стр. 50-51
3. Ольгин О. Давайте похимичим! М.: Детская литература, 2002, с.164-165
4. Химия и жизнь. Солтерсовская химия. Часть III практикум. М.: РХТУ
им. Д.И. Менделеева 1997, стр.218-219
5. Химия. Под редакцией Николаева М.Н. М.: Химия 1989, стр 131-135
6