Работа 2. Изучение кинетики реакции разложения мочевины в водных растворах методом измерения электропроводности

В данной работе одним из электрохимических методов следует изучить кинетику реакции разложения мочевины в водных растворах, аналитически и графически определить среднюю константу скорости и энергию активации реакции.

Известно, что мочевина в водных растворах при температуре 50⁰С и выше разлагается. Первым этапом разложения является ее изомеризация – превращение в цианит аммония с последующим переходом из цианита в карбонат и далее – в аммиак и углекислоту:

Реакция превращения цианита в карбонат протекает практически необратимо и по мономолекулярному механизму. В результате образования карбоната электропроводность раствора со временем растет. Это позволяет измерять скорость реакции, поскольку приращение электропроводности можно считать пропорциональным концентрации конечного продукта.

Как уже указывалось, исследуемая реакция является реакцией первого порядка, поэтому расчет константы скорости реакции ведется по уравнению

где – начальная концентрация мочевины; х – концентрация мочевины, прореагировавшей к данному моменту времени; ( ) – концентрация мочевины, не прореагировавшей к данному моменту времени; t – время данного замера от начала реакции.

Принимаем, что увеличение электропроводности во времени пропорционально количеству образовавшегося карбоната или количеству прореагировавшей мочевины.

Обозначим: - электропроводность раствора в момент начала реакции; – электропроводность в данный момент времени t; – электропроводность, соответствующая последнему измерению, когда процесс разложения мочевины полностью закончен.

Тогда, ,

.

Таким образом, расчеты можно проводить по уравнению

За величину принимают первое измеренное значение электропроводности.

Вычислив константу скорости реакции для каждого момента времени, определяют ее среднее значение и сравнивают с величиной k, полученной графическим путем по тангенсу угла наклона прямой к оси t на графике от t.

По двум константам скорости, при двух температурах, рассчитывают величину энергии активации для данной реакции.

Порядок выполнения работы

1. Наполнить термостат дистиллированной водой (примерно 100 мл), и установить в него стаканчик с 100 мл дистиллированной воды и магнитной мешалкой (уровень воды в термостате должен быть выше уровня рабочего раствора в стаканчике). Закрыть термостат крышкой.

2. Установить электроды для измерения электропроводности и термодатчик в соответствующие отверстия в крышке. Подсоединить электроды с помощью универсального кабеля к разъемам «I,R», а термодатчик к разъему «1». Оставшиеся отверстия в крышке закрыть пробками.

3. Включить контроллер, компьютер и запустить программу управления УЛК «Химия» - elsms2.exe.

4. В появившемся окне «Добро пожаловать в УЛК» необходимо выбрать вариант «Работа с контроллером» и нажать кнопку «Вход».

5. Для того чтобы в ходе работы проводить измерения температуры и электропроводности в окне «Управление» в группе элементов «Измерительные каналы» нужно поставить галочки напротив датчиков 1 и 6. При этом в столбце «Текущее значение» появятся текущие значения температуры (t, ⁰С) и электропроводности (L, мСм).

6. Далее необходимо установить следующие «Параметры измерения»: число измерений – 20, интервал измерений – 180 секунд, включить автоматический режим и усреднение.

7. Для быстрого термостатирования ячейки необходимо обеспечить в ней интенсивное перемешивание. Для этого в группе элементов «Исполнительные устройства» установить скорость перемешивания 3 и нажатием на кнопку включить мешалку.

8. Включить «Термостат» и установить требуемую температуру.

9. Т.к. в данном эксперименте измеряется электропроводность, то необходимо включить «Источник переменного напряжения».

10. Когда температура ячейки установится, нужно растворить навеску мочевины (1 г) и одновременно включить секундомер. Через 1 минуту отключить мешалку и нажать кнопку «Измерение». С этого момента начинается отсчет времени опыта.

11. В окне «Обмен данными с контроллером» будет отображаться кривая изменения измеряемого параметра. Для выбора нужной зависимости необходимо выбрать соответствующий канал.

12. Измерения заканчиваются путем нажатия кнопки «Стоп». После этого экспериментальные данные передаются в программу.

13. Чтобы сохранить данные нужно перейти в окно «Результат» и нажать на значок «Добавить график». В специальном окне определяется соответствие между координатами графика и данными, полученными на измерительных каналах. Необходимо выбрать для оси Х «Время», а для оси У – «Проводимость» и нажать кнопку «Принять». Далее нажать на значок «Дискета», который расположен в правой части окна над таблицей с экспериментальными данными, и сохранить в соответствующую папку.

14. Чтобы довести реакцию до конца и определить значение , температуру в термостате необходимо поднять до 95⁰С и выдержать раствор в течение 1 часа. Затем охладить раствор до первоначальной температуры и определить .

Экспериментальные и расчетные данные оформить в виде таблицы 2, предваряя ее следующими данными.

Температура опыта ⁰С

Концентрация раствора мочевины моль∙л^-1

Таблица 2. Измерение электропроводности во времени и расчет константы

скорости разложения мочевины в водном растворе.

№	t, мин	, мСм			k, мин-1

=

k (найденная графически)=