مقاله کامل گزارش كار شيمي عمومي يك

گزارش كار شيمي عمومي يك
سينتيك
(اندازه گيري سرعت واكنش هاي شيميايي و تعيين اثر غلظت بر آنها)
نام استاد : خانم دكتر يگانه
اعضاي گروه : وحيد لطفي و هادي نايبي
نام آزمايش :
اندازه گيري سرعت واكنش هاي شيميايي و تعيين اثر غلظت بر آنها .
وسايل و مواد مورد نياز :
6 عدد بشر ، سه عدد پي پت مدرج 10 ميلي ليتري ، كرنومتر ، محلول پتاسيم يدات 0.2 مولار (1.70 گرم در 250ميلي ليتر) ، سديم پيرو سولفيت () ، اسيد سولفوريك 3 مولار ، چسب نشاسته (براي تشخيص راحت تر) و آب مقطر .
مفاهيم وابسته :
مقدمه :
مطالعه ي عواملي كه بر سرعت واكنش هاي شيميايي مؤثرند ، علاوه بر ديدگاه تئوري از نظر صنعتي نيز حائز اهميت است . چرا كه مي توان شرايط عمل را براي مناسب ترين حالت پيش بيني كرد .
كليه ي برخورد هاي بين مولكول ها منجر به واكنش نمي شود ، بلكه با مقايسه ي كل برخورد هاي محاسبه شده در واحد زمان با سرعت مشاهده شده يك واكنش ، ملاحظه مي شود كه تنها كسر كوچكي از آنها مؤثر مي باشند . وقتي در مورد يك واكنش معين در اثر تغيير يكي از شرايط آزمايش ، عده ي كل برخورد ها در واحد زمان ، يا تعداد برخورد هاي مؤثر و يا تركيبي از اين دو عامل بيشتر مي شود ، سرعت واكنش افزايش مي يابد . سرعت اكثر واكنش هاي شيميايي با ازدياد دما افزايش مي يابد . همچنين غلظت موادي كه بر هم اثر مي كنند نيز در آن مؤثر است ، زيرا با ازدياد غلظت يكي از اجزا ، تجمع مولكول ها در يك حجم معيين بيشتر شده ، عده ي كل برخورد ها در واحد زمان افزايش مي يابد ، لذا سرعت واكنش بيشتر مي شود . كاتاليزور نيز از ديگر ترموديناميك عوامل مؤثر بر سرعت واكنش مي باشد .
سينتيك :
مبحث سينتيك مكمل مبحث ترموديناميك است . ترموديناميك مي تواند انجام پذير بودن يا نبودن واكنش را پيش بيني كند . واكنش هايي كه از لحاظ ترموديناميك مجاز مي باشند را از لحاظ سينتيكي بررسي مي كنيم ، زيرا ممكن است سرعت واكنش به قدري كُند باشند كه عملاً آنها را بي اثر بدانيم .
اختلاف ترموديناميك و سينتيك در بررسي پديده هاي مختلف در چند مورد است :
ترموديناميك بر يك منطق رياضي استوار است و نتيجه ي بررسي به صورت يك جواب قطعي ارائه مي شود ، ولي روش هاي سينتيكي تنها بر مبناي يك منطق رياضي شكل نمي گيرند و معمولاً بر اساس سعي و خطا است .
ترموديناميك به مسير فرآيند بستگي ندارد و فقط به حالت ابتدايي و نهايي بستگي دارد ، در حالي كه روشهاي سينتيكي به مكانيزم فرآيند بستگي دارند .
سرعت واكنش :
اگر واكنش را در نظر بگيريم سرعت واكنش را مي توان چنين تعريف كرد :

مي توان سرعت يك واكنش را با سرعت مصرف مواد اوليه يا توليد محصولات نشان داد ، واكنش زير را در نظر بگيريد :
اگر مواد اوليه به ميزان ضرايب استوكيومتري واكنش مورد استفاده قرار گيرند و در صورتي كه واكنش به ميزان پيشرفت كند (1<0<) داريم :

را پارامتر پيشرفت واكنش مي گويند ، پارامتر پيشرفت واكنش براي يك ماده ي اوليه به صورت نسبت ماده ي اوليه واكنش داده به كل ماده ي اوليه تعريف مي شود . از طرفي پارامتر پيشرفت براي يك محصول به صورت نسبت ماده ي توليد شده به ميزان نهايي تعريف مي شود . با توجه به اين تعاريف براي در واكنش فوق داريم :

بنابراين زماني كه واكنش به ميزان پيشرفت كرده است ، مقدار A ، B ، C و D موجود به ترتيب عبارت اند از ، ، و . با جايگذاري اين مقادير در رابطه ي سرعت ها داريم :
رابطه ي اخير را مي توان به صورت زير مرتب نمود :

با استفاده از رابطه ي بالا مي توان سرعت به سرعت مصرف يا توليد هر يك از مواد اوليه يا محصولات تبديل نمود . لازم به توضيح است كه سرعت مصرف مواد اوليه منفي است در صورتي كه سرعت توليد محصولات و سرعت واكنش منفي مي باشد .
درجه ي واكنش :
معمولاً سرعت هر واكنش با حاصلضرب غلظت مواد اوليه آن متناسب است . يعني براي واكنش قسمت قبل داريم :
نماهاي و به مكانيزم واكنش بستگي دارند و بايد به طور تجربي تعيين گردد . ضريب K را ثابت سرعت مي نامند و تابع دما مي باشد . اگر و باشد ، يعني
نما ها با ضرايب استوكيومتري برابر باشند ، واكنش را بنيادي گويند و در صورتي كه و باشد ، واكنش را غير بنيادي مي نامند . از لحاظ مولكولي واكنش بنيادي واكنشي است كه طي يك مرحله (يك يا چند برخورد همزمان بين دو يا چند ذره) انجام شود ولي واكنش غير بنيادي واكنشي است كه در چند مرحله انجام شود .
مجموع توان هاي جملات غلظتي را درجه ي واكنش گويند . درجه ي واكنش در واكنش هاي بنيادي تعداد برخورد هاي همزماني است كه منجر به واكنش مي شوند .
در صورتي كه از روابط ديفرانسيلي معادله ي سرعت واكنش هاي درجه صفر و يك و … انتگرال گيري كنيم مي توان روابطي بين غلظت و زمان بدست آورد كه براي هر درجه شكل خاصي دارند .در اين محاسبات فرض مي شود دما و حجم ظرف در طول واكنش ثابت بماند و واكنش ها برگشت ناپذير باشند .
تعيين درجه ي واكنش به صورت تجربي :
براي بررسي مكانيزم واكنش دانستن معادله ي سرعت آن ضروري است . محاسبه ي معادله ي سرعت و درجه ي آن به وسيله ي روش هاي تجربي مختلف تعيين مي گردد كه پنج روش مي باشند :
الف) روش سرعت اوليه
ب) روش نيمه عمر
ج) روش رسم منحني پاول
د) روش ترسيمي
ه) روش كاهش مرتبه ي واكنش
شرح آزمايش :
براي بررسي اثر غلظت مواد اوليه بر سرعت واكنش پتاسيم يدات و سديم پيرو سولفيت در محيط اسيدي به صورت زير عمل مي كنيم (معادله ي موازنه شده در قسمت معادله ي واكنش ، آورده شده است .):

در اين آزمايش در صورتي كه غلظت يون يدات در محيط كافي باشد ، تمام يون هاي سولفيت موجود در محلول ، با اكسايش تبديل به يون هاي سولفات شده ، يد نيز در محلول توليد مي شود . با توجه به اين كه چسب نشاسته حتي در حضور غلظت هاي كم يد ، آبي رنگ مي شود ، بر اساس شدت و مدت زمان تغيير رنگ محلول مي توان به سرعت واكنش پي برد .
به طور تجربي هم براي معادله ي سرعت اين واكنش درجه ي هر يك از مواد اوليه يك بدست آمده است .
براي راحتي كار محلول ها را الف و ب مي ناميم :
الف) محلول پتاسيم يدات همراه با آب مقطر (به منظور كاهش غلظت) .(براي تهيه ي اين محلول مقدار 2.15 گرم پتاسيم يدات جامد را در آب مقطر حل كرده و حجم آن را به 500 ميلي ليتر برسانيد .)
ب) محلول سديم پيرو سولفيت همراه با اسيد سولفوريك و چسب نشاسته . (براي تهيه ي اين محلول مقدار 200 ميلي ليتر آب مقطر را جوشانده ، حدود دو گرم نشاسته كه در آب سرد معلق شده ، كم كم به آن اضافه مي كنيد و مخلوط را سه دقيقه بجوشانيد . سپس تا دماي آزمايشگاه سرد كنيد و يك ميلي ليتر اسيد سولفوريك 3 مولار و 0.3 گرم سديم پيرو سولفيت به آن اضافه مي كنيم و حجم ان را به 500 ميلي ليتر برسانيد .)
البته اين محلول ها قبلاً آماده شده اند .
اكنون محلول هاي الف و ب را از ظرف اصلي به 2 تا از بشر ها انتقال مي دهيم و در بشر ديگر آب مقطر مي ريزيم و روي ميز كار قرار مي دهيم . طبق جدول زير محلول هاي الف و ب را به اندازه ي ذكر شده توسط پي پت ها از بشر هاي اصلي به دو بشر ديگر انتقال مي دهيم .
پس از اين مرحله اين دو بشر را همزمان به بشر آخر مي ريزيم و همان لحظه كرنومتر را فعال مي كنيم .
بشر حاوي دو محلول الف و ب را تكان مي دهيم و بلافاصله با مشاهده ي رنگ آبي تيره كرنومتر را متوقف مي كنيم و زمان واكنش را يادداشت مي كنيم .
اين آزمايش را به ازاي مقادير مختلف براي غلظت پتاسيم يدات (مطابق جدول) و هر كدام را سه مرتبه تكرار مي كنيم و زمان ها را يادداشت مي كنيم . در اين آزمايش ها غلظت سديم پيرو سولفيت و حجم كل محلول ثابت است و تنها عاملي كه موجب تغيير سرعت مي شود ، غلظت پتاسيم يدات است .
محاسبات :
داده هاي حاصل از آزمايش در جدول زير آمده است :
براي غلظت اوليه هم داريم :
غلظت اوليه پتاسيم يدات
و براي سديم پيرو سولفيت اوليه داريم:
غلظت اوليه سديم پيرو سولفيت
اما با اضافه كردن آب مقطر به محلول الف غلظت آن تغيير مي يابد ، كه مي توان از رابطه ي زير براي محاسبه غلظت بعد از رقيق شدن استفاده كرد :

حال با توجه به داده هاي دو جدول بالايي منحني تغييرات غلظت را نسبت به زمان رسم مي كنيم :
و براي محاسبه ي سرعت متوسط واكنش شيب خط گذرنده از دو نقطه ي A و E را بدست مي آوريم ، البته بايد ضريب استوكيومتري را در اين محاسبه وارد كنيم :

و از آنجا كه طبق دستور كار آزمايش ، معادله ي سرعت كلي اين آزمايش به صورت زير است ، براي 5 نقطه ي روي نمودار ، سرعت لحظه اي را بر حسب شيب خط در آن نقاط محاسبه كرده و با استفاده از معادله ي سرعت كلي و غلظت مواد اوليه ثابت سرعت واكنش را بدست مي آوريم :
با توجه به تقريبي بودن محاسبات شيب خطوط و تفاوت هاي جزئي در مقادير K از آن ها ميانگين مي گيريم :
حال اگر دوباره در نمودار دقت كنيم ، متوجه مي شويم كه با كاهش غلظت مواد واكنش دهنده ، نرخ مصرف يا سرعت آن ها نيز كاهش مي يابد . پس با گذشت زمان ، مقدار سرعت

فایل : 8 صفحه

فرمت : Word