Опыт 4. Автокаталитическая реакция перманганата калия с щавелевой кислотой

Эта реакция выражается следующим уравнением:

2 KMnO ₄ + 5 H ₂ C ₂ O ₄ + 3 H ₂ SO ₄ = 2 MnSO ₄ + K ₂ SO ₄ + 10 CO ₂ + 8 H ₂ O

или в ионной форме

2 MnO₄ ^- + 5 H₂C₂O ₄ + 6 H ⁺ = 2 Mn ^{2 +} + 10 CO ₂ + 8 H ₂ O.

Реакция протекает очень медленно. По мере увеличения концентрации ионов Mn ^{2 +} увеличивается скорость их взаимодействия с ионами MnO₄ ^– с образованием Mn ^{3 +}:

MnO₄ ^- + 4 Mn ^{2 +} + 8 H ⁺ = 5 Mn ^{3 +} + 4 H ₂ O.

Затем ионы Mn ^{3 +} быстро взаимодействуют с щавелевой кислотой:

H₂C₂O₄ + 2 Mn ^{3 +} = 2 Mn ^{2 +} + 2CO ₂ + 2 H ⁺.

При этом ион Mn ^{3 +} вновь переходит в ион Mn ^{2 +}, поэтому, если в реакционную смесь сразу добавить ионы Mn ^{2 +}, скорость реакции резко увеличивается. Таким образом реакция перманганата калия с щавелевой кислотой является автокаталитической.

Проведение опыта

1. В каждую из двух пробирок налейте по 1 мл 0,02 М раствора перманганата калия и 0,1 М раствора щавелевой кислоты.

2. Прибавьте в каждую пробирку по пять капель 2 М раствора серной кислоты для создания достаточной кислотности.

3. Одну пробирку оставьте для сравнения, а в другую добавьте 3 капли 0,1 М раствора соли двухвалентного марганца (MnCl ₂ или MnSO ₄) и включите секундомер.

4. Отметьте время, через которое обесцветились растворы в первой и во второй пробирках.

Обработка результатов

1. Результаты измерений, расчетов и выводы занесите в табл. 4.

2. Отметьте цвета растворов в начале реакции и после ее завершения.

3. Вычислите условную скорость реакции по формуле:

где t - время протекания реакции.

4. Сделайте вывод относительно эффективности действия ионов двухвалентного марганца.

Таблица 4

Наличие катализатора	Время протекания реакции t, с	Условная скорость реакции r i = 1000 / t i	Наблюдения и выводы
отсутствует
MnCl2 или MnSO 4

Контрольные вопросы и задачи для защиты лабораторной работы

Задачи 1 – 4. Энергия активации реакции разложения пероксида водорода в водной среде при температуре 22 ⁰ С равна 75,6 кДж / моль. При применении данного катализатора энергия активации уменьшается до указанного значения. Оцените, во сколько раз увеличивается константа скорости каталитической реакции при 22 ⁰ С, если предположить, что предэкспоненциальные множители каталитической и некаталитической реакций равны.

 

№ задачи	Катализатор	Энергия активации, кДж/моль
	Fe ^2 +
	I ^-	56,5
	Pt
	Каталаза (фермент)

5. Оцените, во сколько раз скорость реакции разложения пероксида водорода, катализируемой ферментом каталаза, больше при 22 ⁰ С чем скорость той же реакции, катализируемой ионами Fe ^{2 +}. Для решения воспользуйтесь данными для задач 1 и 4. Предэкспоненциальные множители реакций равны.

6. Некаталитическое разложение ацетальдегида при 800 К по уравнению:

CH ₃ CHO = CH ₄ + CO

имеет энергию активации Е ₁ = 190,4 кДж / моль. Применение иода в качестве катализатора уменьшает энергию активации до значения Е ₂ = 136,0 кДж / моль. Оцените температуру, при которой скорость некаталитической реакции станет равна скорости каталитической реакции при температуре Т = 800 К, если предположить, что предэкспоненциальные множители каталитической и некаталитической реакций равны.

7. Реакция разложения ацетальдегида в газовой фазе:

СН₃СОН ® СН₄ + СО

имеет энергию активации 190 кДж/моль. При температуре 627 ⁰ С под действием паров йода в качестве катализатора константа скорости увеличивается в 10000 раз. Вычислите энергию активации каталитической реакции, предполагая, что предэкспоненциальные множители каталитической и некаталитической реакций равны.

8. Энергия активации реакции 2 SO₂ + O₂ = 2 SO₃ равна Е _А = 280 кДж / моль. При применении катализатора (V₂O₅) энергия активации уменьшается до 92 кДж/моль. Оцените, во сколько раз увеличиваются константы скорости некаталитической реакций и каталитической реакций при повышении температуры от 450 ⁰ С до 500 ⁰ С.

9. Скорость реакции термического распада оксида азота (I) 2 N₂O = 2 N₂ + O₂ резко возрастает в присутствии газообразного брома, который является катализатором. Порядок реакции по N₂O равен единице. Установлено, что при увеличении концентрации брома в 2,2 раза скорость реакции возрастает в 1,48 раза. Определите порядок реакции по брому и напишите кинетическое уравнение реакции.

10. Предполагают, что реакция разложения муравьиной кислоты (реакция эндотермическая)

НСООН ® СО + Н ₂ О

в водном растворе в присутствии ионов водорода протекает по следующему механизму:

1. НСООН + Н ⁺ ® (НСООН ₂) ⁺,

2. (НСООН ₂) ⁺ ® (НСО) ⁺ + Н ₂ О,

3. (НСО) ⁺ ® СО + Н ⁺.

Изобразите (качественно) диаграмму потенциальной энергии для данной каталитической реакции.

11. Реакция разложения в газовой фазе A ® B + D катализируется парами вещества К. Известно, что порядок каталитической реакции по веществу А равен 1. Установлено, что при увеличении концентрации К в 2,8 раза скорость реакции возрастает в 1,67 раза. Определите порядок реакции по веществу К и напишите кинетическое уравнение реакции.

12. Энергия активации реакции разложения пероксида водорода, катализируемой ионами йода I ^– равна Е ₁ = 56,5 кДж/моль, а энергия активации той же реакции, катализируемой ионами Fe ^{2 +} равна Е ₂ = 42,0 кДж/моль. Определите, константа скорости какой реакции больше и во сколько раз при 22 ⁰ С. Считать, что предэкспоненциальные множители реакций равны.

13. Реакция 2 Н₂ + О₂ = 2 Н₂О на поверхности твердого катализатора CdO при определенных условиях описывается кинетическим уравнением:

.

 

Как изменится скорость реакции при увеличении общего давления в системе в 2 раза?

 

 

	E
		A, В, K

AK

 

 

АВК ^¹

E АК

(AВ) ^¹

Р

 

Рис. 1. Энергетическая диаграмма для гомогенной каталитической реакции, протекающей по стадийному механизму: 1 – некаталитическая реакция; 2 – каталитическая реакция.

AВ ^¹ - переходное состояние некаталитической реакции;

АК ^¹, AВK ^¹ - переходные состояния каталитической реакции;