2NO2(г,бурый) - N2O4(г,бесцветный)
В какую сторону смещается равновесие при охлаждении?
Лабораторная работа № 5. III. Катализ
Теоретическая часть
Вещества, не расходующиеся в результате реакции, но влияющие на её скорость, называются катализаторами. Явление изменения скорости реакции под действием катализаторов называется катализом (разрушение). Такие реакции называются каталитическими. При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему.
Механизм гомогенного катализа объясняют на основе теории промежуточных соединений, согласно которому катализатор (К) образует с одним из исходных веществ промежуточное соединение (АК). Затем последнее реагирует с другим исходным веществом с восстановлением катализатора.
Причина возрастания скорости реакции сводится к уменьшению энергии активации этой реакции. Катализатор может способствовать достижению необходимой для взаимодействия молекул ориентации, повышая энтропию активации.
Установлено что скорость реакции пропорциональна концентрации катализатора.
Действие катализатора на состояние химического равновесия не сказывается, т.к. он ускоряет как прямую, так и обратную реакцию (ускоряет достижение химического равновесия).
При гетерогенном катализе между катализатором (К) и веществом существует поверхность раздела фаз. Реакции при гомогенном катализе протекают на поверхности катализатора. Поэтому активность катализатора (К) зависит от свойств его поверхности: её величины, химического состава, строения и состояния.
Полагают, что на поверхности катализатора -адсорбента имеются активные центры. Вещества адсорбируются на этих центрах, в результате чего увеличивается концентрация их на поверхности катализатора. Под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами и они делаются более реакционноспособными.
Увеличение скорости реакции в присутствии катализатора определяется формулой
ln (k?/k) = 2,3 lg (k?/k) = Еа - Еа? / RT,
где k? и Еа? - константа скорости и энергия активации каталитической реакции соответственно.
Автокаталитическими называются реакции, в которых катализатором является одно из исходных веществ или один из продуктов реакции.
Экспериментальная часть
Гомогенный катализ. В пробирку влить 1 мл раствора хлорида железа FeCl3 и добавить 1 мл раствора родонида калия КСNS. Полученный красного цвета раствор родонида железа Fe(CNS)3 разлить в три пробирки.
В одну прибавить 5-6 капель раствора тиосульфата натрия Na2S+6O3S-2 и отметить время обесцвечивания раствора по реакции
2Fe(SCN)3 + 2Na2S+6O3S-2 = 2Fe(SCN)2 + 2NaSCN + Na2S4O6
В другую пробирку прилить 5-6 капель раствора сульфата меди CuSO4 и добавить столько же раствора тиосульфата натрия Na2S2O3. Отметить время течения реакции.
Каково влияние CuSO4 (катализатора) на скорость реакции?
2. Автокатализ. В три пробирки налить по 1 мл: воды - в первую, 2 н. раствора HNO3 - во вторую и в третью. В первую прилить 1 мл раствора NaNO2 и 1 мл 1 н. раствора H2SO4, во вторую - 2 мл воды, в третью - 1 мл 1 н. раствора NaNО2 и 1 мл 1н. раствора H2SO4.
В первой пробирке содержатся HNO2 и продукты её распада NO и NO2, во второй - HNO3, в третей - HNO3 и NO2.
Затем в каждую пробирку добавить по кусочку меди. Сравнить результаты опытов.
Реакция окисления меди азотной кислотой является типичным автокаталитическим процессом (NO2 - катализатор).
Приведите примеры гомогенного и гетерогенного катализа. Поясните значение терминов катализатор, ингибитор, фермент, каталитический яд. Как современная теория объясняет механизм действия катализаторов?
Лабораторная работа 6. Очистка твердых веществ от примесей
Теоретическая часть
Наиболее употребительными методами очистки являются: для твердых веществ - перекристаллизация и возгонка, для жидкостей- фильтрование и перегонка, для газов - отделение примесей путем поглощения их различными химическими реагентами.
Сущность перекристаллизации заключается в том, что при охлаждении раствор оказывается перенасыщенным только по отношению к основному веществу, в то время как примеси остаются в маточном растворе. Если перекристаллизацию можно повторить несколько раз, то можно достичь глубокой очистки вещества.
Существует несколько видов перекристаллизации: политермическая, изотермическая, перекристаллизация с введением в концентрированный раствор других веществ. Сущность политермической кристаллизации заключается в том, что готовят концентрированный раствор при повышенной температуре, затем его охлаждают до комнатной или до более низкой температуры. Выпадают кристаллы. Чем больше перепад температуры, тем больше образуется кристаллов.
Изотермическая кристаллизация заключается в том, что вещества кристаллизуются при неизменной температуре. Между жидкой фазой и газообразной при данной температуре устанавливается равновесие. Если уменьшить концентрацию паров над раствором, то растворитель будет испаряться, при этом концентрация раствора увеличивается и растворенное вещество кристаллизуется.
Некоторые соли кристаллизуются из концентрированных растворов при введении веществ, которые снижают их растворимость. Этот процесс называется высаливанием. Например, при добавлении спирта к концентрированному на холоде раствору сульфата железа (П) получается обильный осадок чистого FeSО4.7H2О. После кристаллизации остается маточный раствор.
Кроме классического метода очистки веществ перекристаллиизацией, используются также более современные методы: возгонка, зонная плавка (кристаллизация из расплава), транспортные реакции (реакции переноса веществ), дистилляция и ректификация, экстракция, хроматография, электролиз.
Экспериментальная часть
Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией
1. Очистка дихромата калия. Пользуясь таблицей растворимости, рассчитать, какое количество дихромата калия необходимо взять, чтобы получить насыщенный при 60° раствор исходя из объема воды 50 мл (использовать при этом таблицу растворимости).
Отвесить на технохимических весах рассчитанное количество растертого в ступке дихромата калия. Высыпать навеску соли в химический стакан, отмерить цилиндром 50 мл воды и перелить в стакан с бихроматом калия. Стакан с содержимым поставить на асбестовую сетку и нагреть пламенем газовой горелки почти до кипения, помешивая раствор стеклянной палочкой. Раствор нагревают почти до кипения и лишь тогда фильтруют.
Для отделения нерастворимых примесей следует профильтровать горячий раствор сквозь складчатый фильтр в другой стакан, пользуясь воронкой для горячего фильтрования. Непрерывно помешивая, охладить фильтрат до комнатной температуры, а затем в бане со льдом --до 0°.
Выпавшие кристаллы отфильтровать на воронке Бюхнера. Исследовать маточный раствор на наличие в нем примеси сульфата калия. Для этого к 2-3 мл маточного раствора, разбавленного 5--10 мл дистиллированной воды, прибавить 1-2 капли концентрированной соляной кислоты и раствора хлорида бария. Аналогичным образом определить, присутствует ли примесь сульфата калия в выделенном твердом дихромате калия. Сравнитъ полученные результаты.
Перенести дихромат калия в фарфоровую чашку и поставить ее на 30-40 мин в сушильный шкаф (100°). После охлаждения взвесить на технохимичес-ких весах.
Высушивание производить до постоянного веса. Определить выход в процентах по отношению к исходной навеске. Вещество сохранить.
2. Очистка хлорида аммония (натрия, калия). Приготовить насыщенный раствор хлорида аммония при 60°, взяв для этого 50 мл воды и рассчитанное количество соли (использовать при этом таблицу растворимости).
Нагретый почти до кипени раствор профильтровать через воронку для горячего фильтрования, фильтрат перелить в фарфоровую чашку, поставить на баню и упарить до половины начального объема. Перенести содержимое чашки в стакан и охладить в ванне со льдом. Выпавшие кристаллы отфильтровать на воронке Бюхнера, высушить на воздухе. Вычислить выход в процентах.
Очистка возгонкой
Очитка йода. На дно низкого стакана без носика положить 5 г кристаллического йода и 0,2 г йодида калия. Вставить в этот стакан колбочку, имеющую внизу отросток. Наполнить колбочку холодной проточной водой. Поместить прибор на асбестовую сетку и осторожно нагревать дно стакана пламенем газовой горелки. Следить за тем, чтобы вода в колбочке была во время опыта холодной. Что наблюдается? Кристаллы возогнанного йода собрать в бюкс или на часовое стекло и взвесить. Определить выход йода в процентах.
Лабораторная работа 7. Растворы. Растворимость солей. Произведение растворимости
молекулярный катализ углерод
Теоретическая часть
Процесс химического растворения твердого вещества в воде (и не только в воде) в случае равновесия в растворе малорастворимого (или практически нерастворимого вещества) можно выразить уравнением.
CaSO4 + (n+m)H2O [Ca(H2O)n]2+ + [SO4 (H2O)m]2-
Это уравнение в явном виде показывает, что важнейшей причиной растворения является гидратация ионов Ca 2+ и SO42-.
В случае равновесия в растворе малорастворимого (или практически нерастворимого вещества) выражение для константы равновесия в насыщенном растворе можно записать с использованием равновесных концентраций
Kc = [[Ca(H2O)n]2+] [[SO4 (H2O)m]2-] / [[H2O]n+m
Так как равновесная концентрация воды в разбавленном растворе практически постоянна, можно записать
KГ(CaSO4) = Kc .[H2O]n+m =[[Ca(H2O)n]2+] [[SO4 (H2O)m]2-]
То же самое упрощенно
KГ(CaSO4) = [Ca 2+aq][ SO42-aq] или KГ(CaSO4) =[Ca 2+][ SO42-]
Получившаяся величина (KГ) носит название константы гидратации.
В рамках теории электролитической диссоциации равновесие в растворе CaSO4 записывается так:
CaSO4 Ca 2+ + SO42-
Соответствующая константа называется произведением растворимости и обозначается буквами ПР:
ПР(CaSO4) = [Ca 2+][ SO42-]
Определение растворимости дихромата калия. Приготовить насыщенный при комнатной температуре раствор дихромата калия. Пользуясь таблицей растворимости, рассчитать количество дихромата, требуемое для насыщения 50 мл воды (взять 10% избытка дихромата), перенести в колбу объемом 100 мл и прилить 50 мл воды. Перемешать содержимое колбы 2-3 мин. и измерить температуру раствора. Затем отфильтровать нерастворившуюся соль, собирая фильтрат в сухую колбу.
Взвесить фарфоровую чашку на технохимических весах, от полученного фильтрата отобрать 20 мл раствора и перенести в чашку, взвесить чашку с раствором. Поставить чашку на водяную баню и упарить досуха, затем чашку поместить в сушильный шкаф. После высушивания и охлаждения, взвесить чашку с веществом и определить растворимость. Полученные результаты занести в таблицу:
1.Температура насыщения раствора, оС
2. Объем раствора, взятого для выпаривания, мл
3. Масса фарфоровой чашки, г
4. Масса чашки с раствором, г
5. Масса раствора, г
6. Масса чашки с сухой солью, г
7. Масса сухой соли, г
8. Растворимость, г в 100 г воды
Влияние температуры на растворимость солей
1. Алюмокалиевые квасцы (KAl(SO4)2.12H2O). В пробирку с 3 мл воды положить около 2 г алюмокалиевых квасцов. Наблюдать, растворяются ли квасцы в этом количестве воды на холоду? Если нет, то нагреть содержимоепробирки почти до кипения. Что наблюдается? Дать раствору остыть. Что происходит при этом? Как меняется растворимость квасцов с изменением температуры?
2. Хлорид натрия. Растворить при нагревании около 2 г хлорида натрия в 3 мл воды. Слить прозрачный горячий раствор в сухую пробирку. Что наблюдается при охлаждении раствора?
3. Ацетат кальция. В сухую пробирку налить немного насыщенного раствора ацетата кальция и нагреть его, а затем охладить струей воды из водопроводного крана. Что наблюдается?
Используя таблицу растворимости, начертить кривые растворимости квасцов, хлорида натрия и ацетата кальция, отложив по оси абсцисс температуру, а по оси ординат -- концентрацию насыщенного раствора.
Приготовление пересыщенных растворов
1. Пентагидрат сульфата меди (СuSO4.5H2O). Рассчитать, какое количество кристаллогидрата сульфата меди (медного купороса) надо взять на 10 мл воды, чтобы приготовить раствор, насыщенный при 60°. Полученный при нагревании раствор довести почти до кипения и быстро отфильтровать через складчатый фильтр на воронке для горячего фильтрования (воронка должна быть горячей). Пробирку с фильтратом закрыть кусочком ваты. Если в фильтрате образовались кристаллы, их необходимо перевести в раствор осторожным нагреванием.
Раствор охладить и внести в него маленький кристаллик исходной соли. Что наблюдается? Изменяется ли температура раствора?
Нагреть пробирку с содержимым, чтобы снова получить прозрачный раствор, осторожно охладить его и потереть стеклянной палочкой внутрен-нюю стенку пробирки с раствором. Объяснить выпадение кристаллов.