Задание 1. Изучение скорости реакции иодирования ацетона
В данной работе следует ознакомиться с методом отбора проб при изучении кинетики реакции и определить среднюю константу скорости, энергию активации и температурный коэффициент скорости реакции.
Реакция иодирования ацетона протекает по уравнению
СН3СОСН3 + I2 → СН3СОСН2I + Н+ + I-
Процесс протекает автокаталитически, так как ускоряется одним из продуктов реакции (ионами водорода). В отсутствии ионов водорода (в нейтральном разбавленном водном растворе) он протекает очень медленно. Иодирование ацетона протекает в две стадии:
1) обратимая реакция энолизации ацетона
сн3—с—сн3 → сн3-с=сн2
о он
2) взаимодействие йода с энольной формой
СН3—С=СН2 +I2 — СН8—С—СН2 I+ Н+ + I-
I !
ОН О
Первая реакция протекает медленно, вторая — быстро и практически до конца. Поэтому скорость процесса определяется скоростью энолизации ацетона, она пропорциональна концентрации водородных ионов, но не зависит от концентрации иода:
где C0 — начальная концентрация ацетона; Coн+ — начальная концентрация ионов водорода; C х — концентрация ацетона, подвергшегося превращению за время t (убыль концентрации); t — время от начала реакции до данного измерения.
Ход реакции контролируется по анализу проб, периодически отбираемых из реакционной смеси.
Последовательность выполнения работы. Установить термостат на заданную температуру. В мерную колбу емкостью 250 мл налить 25 мл 0,1 н. раствора иода в 4%-ном растворе KI, добавить 25 мл 1М НС1 (содержание кислоты может быть увеличено или уменьшено по указанию преподавателя) и долить водой до объема ниже метки примерно на 30-35 мл. Колбу с рабочим раствором и другую колбу с дистиллированной водой погрузить в термостат. Спустя 15—20 мин в колбу с реакционной смесью добавить примерно 1,5 г ацетона (навеску ацетона отвесить на аналитических весах в закрытом сосуде) или влить 25 мл 1 н. водного раствора ацетона. Момент вливания ацетона отметить по часам. После вливания ацетона объем раствора в колбе быстро довести до метки дистиллированной водой, выдержанной в термостате, тщательно взболтать и тотчас отобрать пипеткой 25 мл пробы, отмечая этот момент по часам.
За начало реакции (t = 0) принять время вливания ацетона в реакционную смесь. Колбу с реакционной смесью закрыть пробкой во избежание улетучивания ацетона. Отобранную пробу влить в колбу для титрования, содержащую 25 мл 0,1 н. раствора NaHCO3. Содержание иода определять титрованием 0,01 н. раствором Na2S2O3 в присутствии крахмала. За ходом реакции наблюдать по результатам анализа проб через определенные промежутки времени. Во время отбора проб колбу из термостата не вынимать. В течение опыта рекомендуется взять не менее семи-восьми проб.
Вторую пробу отобрать через 10 мин после первой и по результатам титрований определить время, через которое надлежит брать следующие пробы. Расход гипосульфита на каждую последующую пробу должен изменяться на 1-3 мл.
По ходу реакции время между последовательными титрованиями постепенно следует увеличивать (например, первые три титрования проводят через 10 мин, затем два титрования — через 15 мин, еще два титрования — через 20 мин, затем еще одно титрование — через 25 мин). Чем выше температура, при которой производятся исследования, и чем больше содержание кислоты в реакционной смеси, тем чаще следует отбирать пробы. Результаты измерений записать в таблицу 28:
Таблица 28
Температура опыта..... Количество 1М НС1 …….
| Номер измерения | Время измерения (по часам) | Время от начала реакции, мин | Количество 0,01 н. раствора Na2S2O3, мл | C 0 (СН3)2СО г-экв/л | СоН+ г-экв/л | Сх г-экв/л | k (с указанием ее размерности) |
Концентрация ацетона Сх определяется по уравнению
где nt - количество 0,01 н. Na2S2O3, израсходованное на титрование данной пробы, мл; no — количество 0,01 н. Na2S2O3, которое должно было быть израсходовано на титрование в момент начала реакции, мл; NNa 2 s 2 o 3 — нормальность раствора.
Значение п0 практически определить не удается, так как от момента вливания ацетона до момента взятия первой пробы протекает значительное время. Поэтому п0 определяют по графику. Для этого на миллиметровой бумаге построить график в координатах п — t и экстраполяцией полученной прямой до t = 0 определить п0.
Используя значения C 0 , CоН+, сх и t, вычислить константу скорости k . После этого определить величину kср и вычислить температурный коэффициент и энергию активации (значение k при другой температуре взять из справочника).
Вопросы для самоконтроля
1. Почему скорость реакции иодирования ацетона не зависит от концентрации иода?
2. Для чего при титровании применяется раствор бикарбоната натрия?
3. Почему реакцию иодирования ацетона можно назвать автокаталитической?
4. Почему навеску ацетона необходимо брать на аналитических весах?
5. Каким еще методом можно было бы контролировать скорость реакции иодирования ацетона?