Изучение кинетики реакции йодирования ацетона спектрофотометрическим методом. Определение порядков реакции по реагентам

Новосибирский государственный университет

Лабораторная работа по химической кинетике

Тема: Изучение кинетики реакции йодирования ацетона

спектрофотометрическим методом

Выполнили:

Студенты 742 группы

Казакова Юлия

Рыбин Вячеслав

Новосибирск 2010

Теоретическая часть.

Цель работы: Определение порядков реакции по реагентам.

Реакция йодирования ацетона

CH₃COCH₃+I₂→CH₂COCH₂I+HI

Идет с заметной скоростью как в кислой, так и в щелочной средах. Механизм этой реакции в этих средах различен. В растворе сильных кислот в водной среде схема реакции может быть представлена в виде:

CH₃COCH₃+H₃O⁺↔ CH₃C(OH)CH₃⁺+H₂O (быстро)

CH₃C(OH)CH₃⁺+H₂O↔ CH₃COCH₃ (енольная форма) +H₃O⁺ (медленно)

CH₃COCH₃ (енольная форма) +I₂→CH₂COCH₂I+HI (быстро)

Было доказано, что эффективная константа скорости К_эф не зависит от концентрации йода и не изменяется при замене йода на бром. Вместе с тем скорость реакции прямо пропорциональна концентрации ионов H₃O⁺. Это отвечает механизму, в котором общая скорость реакции определяется процессом енолизации ацетона. В этом случае скорость реакции равна:

W=K₂[CH₃C(OH)CH₃⁺][H₂O]

Учитывая, что константа равновесия протонирования ацетона равна:

K_p=[CH₃C(OH)CH₃⁺][H₂O]/[CH₃COCH₃][H₃O⁺]

Тогда выражение для скорости реакции нетрудно привести к виду

W=K_рK₂[CH₃COCH₃][H₃O⁺]

В этом случае эффективная константа скорости равна

К_эф=K_рK₂

Кинетические исследования проводят спектрофотометрическим методом.

Определение порядков реакции по реагентам и энергии активации реакции.

Данная реакция является примером медленно идущей реакции, поэтому для неё хорошо применим метод расчета по начальной скорости. Хотя концентрация йода не входит в кинетическое уравнение, кинетику удобно исследовать именно по убыли йода, применяя спектрофотометрический метод. Обозначим начальные концентрации ацетона и ионов водорода соответственно С_А С_Н. Тогда скорость реакции с учетом уравнения запишется в виде

W=dP/dt=K_оп(С_А-[P])(С_Н+[P])=K_опС_АС_Н(1-[P]/С_А)(1+[P]/С_H)

Где [P]-концентрация образующегося продукта-йодацетона.

Если начальные концентрации реагентов выбраны так, что начальная концентрация йода значительно меньше, чем начальные концентрации остальных реагентов, то в этом случае скорость реакции можно представить в виде

W=K_опС_АС_Н

Отсюда

K_оп=W/С_АС_Н

Поскольку в ходе реакции происходит расходование йода, то скорость реакции удобно измерять по изменению оптической плотности D раствора на длине волны поглощения йода:

W=-1/(l ε)*(dD/dt)

Тогда

K_оп=-1/(l εС_АС_Н )*(dD/dt) (1)

Таким образом, для определения K_оп нужно изучить зависимость D от t в начальный период реакции и определить угловой коэффициент (dD/dt).

Экспериментальная часть:

При фотометрировании используют длину волны λ = 410нм.

1. Приготовили два раствора:

А – точный раствор йода с концетрацией 1,1*10^-3  (1,097*10^-3)

Для этого навеску йода (0,0557г) растворили в колбе на 200мл в небольшом количестве 10%-ого раствора KI, довели до метки.

В – титрованный раствор соляной кислоты с концентрацией 1,0000 М.

2. В  колбах на 50 мл точным разбавление водой приготовили три раствора из раствора А, концентрациями 0,5*10^-4; 1,0*10^-4; 5,0*10^-4 М, для этого взяли 2,3 мл, 4,5 мл, 22,7 мл раствора А соответственно.

Измерили оптическую плотность растворов, относительно воды. Из экспериментальных данных проверили   закон Бугера –Ламберта-Бера:                          

D=E*L*C

При  λ = 410нм,  L = 1см.

D	С,моль/л	E
0,178	0,5*10-4	3560
0,371	1,0*10-4	3710
1,977	5,0*10-4	3954

Из уравнения прямой находим коэффициент экстинкции: Е=3741,33 л/моль*см^-1

По формулам рассчитываем k_оп и W.Данные для расчетов и результаты приведены в следующей таблице:

Номер опыта	C ацетона, Моль/л	C HCl, моль/л	C йода, моль/л	<dD/dt>	kоп, 10-5 л/(моль*см)	W 10-7
1	0,1	0,1	1,1*10-4	-0,000391	1,0451	1, 045
2	0,05	0,1	1,1*10-4	-0,000219	1,1707	0,585
3	0,1	0,05	1,1*10-4	-0,000258	1,1383	1,069
4	0,1	0,05	0,7*10-4	-0,000256	1,3685	0,684
5	0,15	0,1	1,1*10-4	-0,000736	1,3115	1,962
6	0,1	0,15	1,1*10-4	-0,000845	1,5057	2,259

                            <k_оп>=1,2566*10^-5 ± 0,1695 л/(моль*см)  ≈           1,2*10^-5л/(моль*см)

ВЫВОДЫ

Из полученных данных видно, что скорость реакции не зависит от концентрации йода, так как в опытах 3 и 4 (различающихся только концентрацией йода) наблюдалась одинаковая скорость реакции . Из опытов 2,3 видно, что скорость реакции одинаково зависит и от концентрации кислоты и от концентрации ацетона, т.е. порядки реакции по ацетону и по кислоте совпадают и равны единице (т.к. при увеличении концентрации одного из реагентов в два раза скорость реакции возрастает во столько же раз). Все выше сказанное подтверждает предложенный нами механизм реакции йодирования ацетона, так если бы стадия образования енольной формы не была бы лимитирующей, то енольная форма могла бы накапливаться, и как следствие скорость реакции стала бы зависеть от концентрации йода, но это не соответствует действительности. К_оп=1,2*10^-5л/(моль*см)