Задание 3. Изучение скорости реакции разложения мочевины в водных растворах
В данной работе с использованием метода определения электропроводности следует изучить кинетику реакции, аналитически и графически определить среднюю константу скорости и энергию активации реакции.
Мочевина в водных растворах при 50° и выше изомеризуется, т. е. превращается в цианат аммония с последующим переходом из цианата в карбонат
СО (NH2)2 ↔ NH4CNO
NH4CNO + 2Н2O →(NH4)2 CO3 → 2NH3+CO2 + H2O
Реакция превращения цианата в карбонат протекает практически необратимо. В результате образования карбоната электропроводность раствора со временем растет. Это позволяет измерять скорость реакции, поскольку приращение электропроводности можно считать пропорциональным концентрации конечного продукта.
Последовательность выполнения работы. В термостат, установленный предварительно на определенную температуру, поместить на 20 мин колбу, содержащую 100 мл дистиллированной воды. Так как исследования ведутся при температурах выше 45°, поверхность воды в термостате следует покрывать слоем парафина для уменьшения испарения.
После проверки температурного режима термостата следует подготовить прибор для измерения электропроводности, включить его в сеть. Затем приготовить раствор мочевины определенной концентрации. На аналитических весах отвесить навеску мочевины и поместить ее в мерную колбу емкостью 50 мл и довести объем раствора в колбе до метки дистиллированной водой, выдержанной в термостате.
Время начала и конца растворения мочевины фиксировать по часам и среднее время принять за время начала реакции. В момент конца растворения включить секундомер. Колбу с раствором закрыть пробкой и поместить в термостат.
Работа выполняется двумя экспериментаторами. Один из работающих подготовляет схему для измерения электропроводности. Сосуд для измерения электропроводности, снабженный притертой крышкой, быстро сполоснуть приготовленным раствором и заполнить этим раствором. Электроды должны быть погружены в раствор на 0,5‒1 см ниже его уровня. Затем сосуд укрепить в термостате так, чтобы уровень воды в термостате был выше уровня раствора в сосуде.
Через 10‒15 мин после начала реакции приступить к измерениям электропроводности. В течение работы необходимо произвести два-три измерения через 5 мин, четыре-пять измерений — через 10 мин, два-три измерения - через 20 мин, два-три измерения — через 30 мин и одно — через час.
Одновременно с термостатированием основного раствора другой работающий переливает оставшуюся часть исследуемого раствора в колбу, снабженную обратным холодильником, и ставит ее в водяную баню с тем, чтобы довести реакцию до конца.
Через 3‒4 часа раствор охладить до температуры опыта и измерить его электропроводность. Для этого сосуд для измерения электропроводности вынуть из термостата, раствор из него вылить и заполнить его охлажденным раствором (предварительно сосуд сполоснуть данным раствором), после чего снова погрузить на 20 мин в термостат до установления температуры опыта. Электропроводность, полученную при этой температуре, записать.
Результаты измерений записать в рабочую тетрадь и обработать точно так же, как и в предыдущем задании 2.
Результаты промежуточных измерений, полученные после первого и последующих кипячений, для расчета константы скорости не используются и нужны только для определения конца реакции, когда электропроводность перестает меняться и принимает максимальное значение.
Вопросы для самоконтроля
1. Почему реакции гидратации уксусного ангидрида и гидролиза мочевины являются реакциями первого порядка? В чем причина отклонения порядка реакции от молекулярности в этом случае?
2. Каким образом по экспериментальным данным можно установить, что реакция гидролиза мочевины или гидратации уксусного ангидрида является реакцией первого порядка?