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实践项目二
化学反应速率的测定及化学平衡的移动

一、目的要求

(1)会测定化学反应速率。

(2)能通过改变浓度、压力、温度对化学平衡产生影响。

二、基本原理

化学反应速率是以单位时间内反应物浓度或生成物浓度的变化来计算的。化学反应速率与各反应物浓度幂的乘积成正比。在可逆反应中,当正、逆反应速率相等时,即达到了化学平衡。外界条件如浓度、压力、温度等改变时,化学平衡发生移动。温度对化学反应速率有显著的影响,催化剂可以剧烈地改变反应速率。

三、试剂与仪器

1.试剂

(1)0.05 mol·L -1 KIO 3  100 mL

(2)0.05 mol·L -1 NaHSO 3 80 mL

(3)5 g·L -1 淀粉溶液  2 mL

(4)0.01 mol·L -1 FeCl 3 2 mL

(5)0.03 mol·L -1 KSCN   2 mL

(6)3% H 2 O 2 3 mL

(7)固体MnO 2 2 g

注:5 g·L -1 淀粉溶液的配制——先用少量水将5 g可溶性淀粉调成浆状,然后倒入100~200 mL沸水中,冷却后加水稀释到1000 mL。

2.仪器

(1)秒表  1只

(2)温度计  100 ℃×2

(3)试管  16支

(4)试管刷  1支

(5)玻璃棒  1支

(6)NO 2 平衡仪  1只

(7)烧杯  500 mL×3,100 mL×1

(8)量筒  50 mL×1,10 mL×1

四、操作步骤

1.浓度对化学反应速率的影响

KIO 3 可氧化NaHSO 3 而本身被还原,其反应如下:

反应生成的I 2 使淀粉变蓝。如果在溶液中先加入淀粉作指示剂,则淀粉变蓝所需时间t的长短即可用来表示反应速率。时间t和反应速率成反比,而1/t则和化学反应速率成正比。如果固定NaHSO 3 的浓度,改变KIO 3 的浓度,则可以得到1/t和KIO 3 浓度变化之间的直线关系。操作如下:

(1)取一支10 mL量筒,量取10 mL 0.05 mol·L -1 NaHSO 3 倒入烧杯中,用50 mL量筒量取35 mL蒸馏水也倒入小烧杯中,搅拌均匀。

(2)加入4滴淀粉溶液,搅拌均匀。

(3)用10 mL量筒量取5 mL 0.05 mol·L -1 KIO 3 溶液,迅速加入盛有NaHSO 3 的烧杯,立即按动秒表,并搅拌溶液。当溶液变蓝时,马上停止秒表,记录溶液变蓝时间,填入表1-8 中。

用同样的方法,改变KIO 3 的浓度,记下每次溶液变蓝所需要的时间。

表1-8 不同浓度的反应速度

(4)根据上表数据,以KIO 3 的摩尔浓度c×1000为横坐标,(1/t)×100为纵坐标,绘制曲线,横坐标以2 cm为单位,纵坐标以1 cm为单位。

2.温度对化学反应速率的影响

(1)在一只100 mL烧杯中加入10 mL 0.05 mol·L -1 NaHSO 3 和35 mL水,摇匀。

(2)加入4滴淀粉溶液,搅拌均匀。

(3)用量筒取10 mL 0.05 mol·L -1 KIO 3 溶液加入另一试管中。室温下倒入NaHSO 3 中,立即计时,记录溶液变蓝的时间,填入表1-9 中。

表1-9 不同温度下的反应速率

(4)同样的方法,把盛有10 mL 0.05 mol·L -1 NaHSO 3 、30 mL水的烧杯和盛有10 mL 0.05 mol·L -1 KIO 3 的试管放入水浴,加热到比室温高10 ℃时,取出KIO 3 倒入NaHSO 3 中,立即计时,记录溶液变蓝需用的时间。

(5)用同样方法改变温度至比室温高20 ℃,记录每次溶液变蓝的时间。

(6)根据实验结果,做出温度对化学反应速率的影响曲线。

3.催化剂对化学反应速率的影响

(1)在一支试管中加入3 mL 3% H 2 O 2 溶液,观察是否有气泡产生。

(2)加入少量MnO 2 ,观察气泡产生情况,试证明放出的气体是氧气。

4.浓度对化学平衡的影响

(1)取稀FeCl 3 (0.01 mol·L -1 )溶液和稀KSCN(0.03 mol·L -1 )溶液各5滴放在小烧杯中混合。由于生成[Fe(SCN) n ] 3- n 而使溶液呈深红色:

(2)将所得溶液用30 mL蒸馏水稀释。

(3)取三支试管编号为A,B,C,分别加入稀释后的溶液2 mL。

(4)在A试管中加入少量饱和FeCl 3 溶液,充分振荡混合,注意颜色变化,并与C试管中溶液比较。

(5)在B试管中加入少量饱和KSCN溶液,充分振荡混合,注意颜色变化,并与C试管中溶液比较。

根据化学平衡定律,解释各试管中颜色变化。

5.温度对化学平衡的影响

取一支带有两个玻璃球的平衡仪,其中N 2 O 4 处于平衡状态,其反应如下:

NO 2 为深棕色气体,N 2 O 4 为无色气体。这两种气体混合物,随两者含量不同而呈现出由淡棕色至深棕色的颜色变化。将一支玻璃球浸入热水中,另一支玻璃球浸入冰水中,观察两支玻璃球中气体颜色变化。从观察到的现象指出玻璃球中气体平衡移动方向,并解释。

五、注意事项

(1)时间的记录:两支试管分装两个反应物,当第二支试管中溶液快速倒入近一半时开始计时,混合后的试管边振荡边观察,出现蓝色后立即停止计时。为便于计时,两人合作。

(2)水浴加热:烧杯下应放石棉网,杯内同时放入分装两反应物的试管,并且在其一中放温度计,待温度升至比原温度高10 ℃、20 ℃时混合两试管,观察现象,并记录时间。

六、思考题

(1)实验如何验证浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响?

(2)如何判断化学平衡移动方向?本实验如何验证浓度、温度对化学平衡的影响?

案例
冬天与甘油

发动机被誉为汽车的心脏,我们都知道发动机的运行需要机油来保持润滑,但是发动机当中同样还有一种特别重要的液体,那就是防冻液。防冻液的全称为防冻冷却液,意为有防冻功能的冷却液。防冻液可以防止在寒冷冬季停车时冷却液结冰而胀裂散热器和冻坏发动机气缸体或盖。防冻液能耐受最低温的极限是根据日常所驾车的环境决定的,如果是在寒冷的北方,就要选择耐受最低温为零下三十五摄氏度,或者是零下四十五度的防冻液进行加注,以避免低温使防冻液结冰,进而造成发动机缸体爆裂。

汽车防冻剂的种类很多,丙三醇[C 3 H 5 (OH) 3 ,俗名甘油]就是其中一种,它利用了稀溶液依数性中的凝固点降低的性质达到防冻效果。对于难挥发非电解质的稀溶液,蒸气压下降和溶液的质量摩尔浓度成正比,寒冷的冬季在汽车的冷却液中加入甘油可以降低水溶液的凝固点,防止其结冰。

稀溶液除了能使凝固点降低,还会使沸点升高,因此它还有另外一种特性,那就是防沸腾。国家规定防冻液的沸点最低要大于105 ℃,而发动机的水温一般在90 ℃左右,这样的做法能最大限度地保持发动机不开锅,如果发动机发生高温开锅,高温会对发动机的缸体造成伤害,使发动机的缸体和缸盖变形,最终导致气缸垫变形,从而发生发动机漏油和漏水的故障。

习题

1.凡是符合理想气体状态方程的气体就是理想气体吗?为什么实际气体在高温低压下可以近似看作理想气体?

2.应用分压定律和分体积定律的条件是什么?

3.一个反应的活化能为320 kJ·mol -1 ,另一反应的活化能为69 kJ·mol -1 ,在相似的条件下哪一反应进行得较快,为什么?

4.在一个容积为1.00 L的密闭容器中放入5.00 g C 2 H 6 (g),该容器能耐压1.013 MPa。试问C 2 H 6 (g)在此容器中允许加热的最高温度是多少?

5.有一气柜容积为2000 m 3 ,内装氢气使气柜中压力保持在104.0 kPa。设夏季最高温度为42℃,冬季最低温度为-38 ℃。问气柜在最低温度时比最高温度时多装多少氢气?

6.设有一混合气体,压力为101.3 kPa,其中含CO 2 、O 2 、C 2 H 4 、H 2 四种气体。用气体分析仪进行分析,气体取样0.1 L,首先用氢氧化钠溶液吸收CO 2 ,吸收后剩余气体为9.71×10 -2 L,接着用焦性没食子酸溶液吸收O 2 后,还剩9.60×10 -2 L,再用浓硫酸吸收C 2 H 4 ,最后尚余6.32×10 -2 L。试求各种气体的物质的量分数及分压?

7.20℃时把乙烷和丁烷的混合气体充入一个抽成真空的20.0 L的容器中,充入气体质量为38.97 g时,压力达到101.325 kPa。试计算混合气体中乙烷和丁烷的物质的量分数与分压?

8.一容器中有4.4 g CO 2 、14 g N 2 和12.8 g O 2 ,总压为2.026×10 5 Pa,求各组分的分压。

9.在27℃时,测得某一煤气罐压力为500 kPa,体积为30 L,经取样分析其各组分气体,CO的体积百分数为60%,H 2 的体积百分数为10%,其他气体的体积百分数为30%。试求CO、H 2 的分压以及CO和H 2 的物质的量。

10.反应 ,在523 K时将0.70 mol的PCl 5 注入2.0 L密闭容器中,平衡时有0.50 mol PCl 5 分解。试计算:(1)该温度下的平衡常数 及PCl 5 的分解百分率。(2)若温度不变,在上述平衡体系中再加入0.10 mol的Cl 2 ,计算再次平衡时各物质的平衡浓度和PCl 5 的总分解百分率。

11.25℃时,五氯化磷分解的化学方程式为 ,将0.700 mol PCl 5 (g)置于2.00 L的密闭容器内,达到平衡时有0.200 mol分解。试计算该温度下的 和PCl 5 的平衡转化率α。

12.合成氨的原料中,氮气和氢气的摩尔比为1∶3。在400 ℃和1013.25 kPa下达到平衡时,可产生体积分数为3.85%的NH 3 (V%),试求:

(1)反应 的K p

(2)如果要得到体积分数为5%的NH 3 ,总压需要多大?

(3)如果将混合物的总压增加到5066.25 kPa,平衡时NH 3 的体积分数为多少?

13.今有A和B两种气体参加反应,若A的分压增大1倍,反应速率增加1倍;若B的分压增大1倍,反应速率增加3倍。求:

(1)试写出该反应的速率方程。

(2)若将总压减小1倍,反应速率如何变化?

14.295 K时,反应2NO+Cl 2 →2NOCl,其反应物浓度与反应速率关系的数据如表1-10,问:

表1-10 气体浓度

(1)不同反应物反应级数各为多少?

(2)写出反应的速率方程。

(3)反应的速率常数为多少?

15.反应2NO(g)+2H 2 (g)→N 2 (g)+2H 2 O(g)的反应速率表达式为ν=c 2 (NO 2 )c(H 2 ),试讨论下列各种条件变化时对反应速率有何影响。

(1)NO的浓度增加一倍;

(2)有催化剂参加;

(3)将反应器的容积增大;

(4)将反应器的容积增大一倍;

(5)向反应体系中加入一定量的N 2

16.CO(CH 2 COOH) 2 在水溶液中分解为丙酮和二氧化碳,分解反应的速率常数在283 K时为1.08×10 -4 mol·L -1 ·s -1 ,333 K时为5.48×10 -2 mol·L -1 ·s -1 ,试计算在303 K时,分解反应的速率常数。

17.反应C 2 H 5 Br(g)→C 2 H 4 (g)+HBr(g),在650 K时的速率常数是2.0×10 -5 s -1 ,活化能为226 kJ·mol -1 ,求反应速率常数为6.00×10 -5 s -1 时的温度。

18.对于反应C 2 H 5 Cl(g)→C 2 H 4 (g)+HCl(g),指前因子A=1.6×10 14 s -1 ,E a =246.9 kJ·mol -1 ,求其700 K时的速率常数。

19.30 g乙醇(B)溶于50 g四氯化碳(A)中形成溶液,其密度为ρ=1.28×10 3 kg·m -3 ,试用质量分数、物质的量分数、质量浓度和质量摩尔浓度来表示该溶液的组成。

20.质量分数为0.37,密度为1.19 g/mL的盐酸的物质的量浓度是多少?

21.在25 ℃时,C 6 H 12 (环己烷A)的饱和蒸气压为13.33 kPa,在该温度下,840 g C 6 H 12 中溶解0.5 mo1某种非挥发性有机化合物B,求该溶液的蒸气压。已知M(C 6 H 12 )=84 g·mo1 -1

22.370 K时,乙醇在水中稀溶液的亨利系数为930 kPa。现有乙醇的摩尔分数为2.00×10 -2 的水溶液,问当此水溶液气-液平衡时气相中乙醇的分压力是多少?

23.质量分数为0.03的乙醇溶液,在p=101.3 kPa下,其沸腾温度为97.11 ℃。在该温度下,纯水的饱和蒸气压为91.3 kPa。计算在97.11℃时,乙醇的物质的量分数为0.010的水溶液的蒸气压。假设上述溶液为理想稀溶液。

24.已知HCl溶液的浓度c(HCl)为6.078 mo1·L -1 ,密度(ρ)为1.096 g·mL -1

试用:(1)质量分数;(2)物质的量分数;(3)HCl的质量摩尔浓度分别表示该溶液的组成。

25.将合成氨的原料气通过水洗塔除去其中的二氧化碳气体。已知气体混合物中含有28%(体积分数)二氧化碳,水洗塔的操作压力为1013.25 kPa,操作温度为293 K。计算此条件下,每千克水能吸收多少二氧化碳(已知293 K时亨利常数k x 为1.438×10 5 kPa)?

26.若干克摩尔质量为400 g·mol -1 的不挥发的有机物溶于180 g水中,测得该溶液在101.3 kPa时沸点为100.468 ℃(水的K f =1.87,K b =0.52,60 ℃时水的饱和蒸气压为19.91 kPa,水的摩尔质量为0.018 kg·mol -1 )。该题中水的凝固点取273.15 K。

求:(1)溶液中该有机物的质量为多少克?

(2)该溶液在101.3 kPa的凝固点为多少?

(3)该溶液在60 ℃时的蒸气压为多少?

27.在291 K下HCl(g)溶于苯中达到平衡,气相中HCl的分压为101.325 kPa时,溶液中HCl的物质的量分数为0.0425。已知291 K时苯的饱和蒸气压为10.0 kPa。若291 K时HCl和苯的蒸气总压为101.325 kPa,求100 g苯中溶解多少克HCl(提示:溶剂服从拉乌尔定律,溶质服从亨利定律,溶液的总压等于溶剂和溶质的蒸气压总和)?

28.在100 g苯中加入13.76 g联苯(C 6 H 5 C 6 H 5 ),所形成溶液的沸点为82.4 ℃。已知纯苯的沸点为80.1 ℃。求苯的沸点升高常数。

29.90 g H 2 O中溶解某物质B 2 g,测得溶液的沸点升高0.0333 K,求溶质B的摩尔质量M B 。已知K b =0.52 K·kg·mol -1

30.在298 K时,空气中氧的物质的量分数约为0.21,试计算298 K温度下1 L水中溶解的氧气体积。已知298 K时,氧气的k x =4.40×10 6 kPa。 Z3FknoSpSbD8kx6nwjf5RHgkL45AOYEsa2vLFhPNCjo8GJ46fTBjdLPqagCAZPwn

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