- 1. PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CN HOÁ HỌC-THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC THÍ NGHIỆM HOÁ LÍ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 4: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG PHÂN HỦY ION CỦA MANGAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG GVHD: PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến I. MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM - Xác định hằng số tốc độ phản ứng phân hủy phức ion [Mn(C2O4)3]3- bằng phương pháp xây dựng đồ thị. - Xác định thời gian bán hủy phức ion [Mn(C2O4)3]3- từ hằng số tốc độ phản ứng và theo đồ thị. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Phương pháp trắc quang được ứng dụng phổ biến để nghiên cứu động học phản ứng trong trường hợp tác chất có màu khác với màu của sản phẩm. - Trong bài thực nghiệm này nghiên cứu động học phản ứng phân hủy phức ion Мn+3 . Ion Мn+3 tác dụng với axit oxalic cho ra phức [Mn(C2O4)3]3- có màu nâu. Phản ứng phân hủy phức [Mn(C2O4)3]3- diễn ra dưới tác dụng của ánh sáng được mô tả theo phương trình sau: [Mn(C2O4)3]3- → Mn2+ + 2.5C2O4 2- + CO2. - Sản phẩm của phản ứng phân hủy không màu. Mặc dù cơ chế phản ứng khá phức tạp, nhưng sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng theo thời gian tuân theo phương trình động học của phản ứng bậc 1. Hằng số tốc độ k tại nhiệt độ xác định được tính theo phương trình động học phản ứng bậc 1 như sau: Ngày thí nghiệm: 01/03/2023 ĐIỂM Lớp: 211281B Nhóm: 3 Tên: Trần Duy Khoa MSSV: 21128341 Tên: Đinh Nhật Hoàng MSSV: 21128337 Chữ ký GVHD Tên: Đinh Thanh Trường MSSV: 21128261
- 2. С0 và Сτ – nồng độ ban đầu và nồng độ phức ion [Mn(C2O4)3]3- còn lại tại thời điểm τ; τ – thời gian diễn ra phản ứng, tính từ thời điểm bắt đầu phản ứng đến thời điểm khảo sát. - Nồng độ phức ion được xác định bằng phương pháp trắc quang, đo mật độ quang của dung dịch phức ion [Mn(C2O4)3]3- theo thời gian τ . Theo định luật Lambert –Beer, ta có: I = I0 e-εСl (2), Trong đó: I0 và I – cường độ chùm sáng đơn sắc ban đầu và cường độ chùm sáng đó sau khi đi qua lớp dung dịch; С – nồng độ mol/l; ε – hệ số hấp thu mol; l – bề dày lớp dung dịch (chiều rộng cuvet chứa dung dịch cần đo). - Biến đổi phương trình (2) ta được: I/I0 = e-εcl Lấy loga 2 vế của phương trình trên: 𝑙 𝑛 𝐼 𝐼0 = – ε С l hoặc ln 𝐼0 𝐼 = 2,303 lg 𝐼0 𝐼 = ε с l. Từ đây: lg 𝐼0 𝐼 = 𝜀⋅𝐶⋅𝑙 2,303 = ε' с l. lg 𝐼0 𝐼 = D gọi là mật độ quang của dung dịch. D = ε' с l, nên mật độ quang của dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ chất. Do vậy, tỉ lệ nồng độ đầu và nồng độ còn lại tại thời điểm τ trong phương trình động học phản ứng bậc 1 có thể được thay thể bởi tỉ lệ mật độ quang tại thời điểm ban đầu đầu và mật độ quang tại thời điểm τ: 0 0 τ τ C D = C D , Thế vào phương trình (1) giá trị D0 và Dτ thu được phương trình động học dạng sau: k = 1 𝜏 𝑙𝑛 𝐷0 𝐷𝜏 , hay 𝑙𝑛 𝐷0 𝐷𝜏 = kτ - Xây dựng đường hồi qui tuyến tính 𝑙 𝑛 𝐷0 𝐷𝜏 = f(𝜏), hệ số góc sẽ là hằng số tốc độ phản ứng khảo sát (tgα = k). - III. THỰC NGHIỆM 1. Dụng cụ và hóa chất:
- 3. lượng Hóa chất Số lượng Máy trắc quang Cuvet l=1cm Pipet 2, 5, 10 mL Becher 25 mL Đồng hồ đếm giây Dung dịch MnSO4 0.1M Dung dịch H2C2O4 0.1M Dung dịch KMnO4 0.1N Nước cất 2. Quy trình thí nghiệm: - Bật máy trắc quang, cài đặt bước sóng chùm sáng đơn sắc λ = 440 nm. Hút 1mL dung dịch MnSO4 0.1M và 7 mL dung dịch H2C2O4 0.1M cho vào becher 25mL, thu được hỗn hợp không màu. Hút tiếp 1mL KMnO4 cho vào hỗn hợp trên, khuấy đều, thu được phức ion [Mn(C2O4)3]3- màu nâu. - Sau khi thu được phức [Mn(C2O4)3]3- màu nâu, ngay lập tức cho vào cuvet l=1cm và tiến hành đo mật độ quang theo thời gian. Sử dụng nước cất làm mẫu so sánh. Mật độ quang của dung dịch phức đo tại thời điểm τ=0, sau mỗi 1 phút trong 5 phút đầu, sau mỗi 2 phút trong thời gian tiếp theo cho đến khi mật độ quang của dung dịch giảm còn 0.1. - Theo bảng kết quả số liệu đo được, xây dưng đồ thị 𝑙𝑛 𝐷0 𝐷𝜏 = f(𝜏) (hình 2) và Dτ = f(τ) (hình 1). Hình 1. Đồ thị D = f() Hình 2. Đồ thị ln(D0/Dτ) = f() - Đồ thị số 1 (hình 1) đi qua trục tọa độ, có hệ số góc bằng hằng số tốc độ phản ứng phân hủy phức (tgα = k). Từ giá trị k thu được, tính thời gian bán hủy theo công thức sau: τ1/2 = ln2/k, - Thời gian bán hủy còn có thể thu được dựa vào đồ thị số 2 (hình 2) bằng cách sau: kẻ 1 đường thẳng xuất phát từ điểm D0/2 trên trục tung, song song với trục hoành; tại điểm giao nhau giữa đường thẳng vừa kẻ với đồ thị, kẻ đường song song với trục tung. Điểm giao nhau giữa đường vừa kẻ và trục hoành chính là thời gian bán hủy τ1/2.
- 4. VÀ BÀN LUẬN Thí nghiệm mẫu MnSO4 0.1M; H2C2O4 0.1M; KMnO4 0.1N 1. Lần thí nghiệm thứ 1 №, lần 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 τ, s 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Dt 0.5851 0.5352 0.4866 0.4479 0.4148 0.3901 0.3751 0.3636 0.3559 0.3487 0.3410 ln ( 𝐷𝑜 𝐷τ ) 0 0.0891 0.1843 0.2672 0.3440 0.4054 0.4446 0.4757 0.4971 0.5176 0.5399 k, s-1 - 0.0015 0.0015 0.0015 0.0014 0.0014 0.0012 0.0011 0.0010 0.0010 0.0009 Với: - № là số lần ghi kết quả. - τ, s là thời điểm khảo sát mật độ quang. - ln ( 𝐷𝑜 𝐷τ ) là tỉ lệ giữa mật độ quang ban đầu và mật độ quang tại thời điểm t. Từ số liệu bảng trên, ta lần lượt vẽ được các đồ thị D = f() và ln(D0/Dτ) = f(). y = 0.5426e-0.0009x R² = 0.9322 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 100 200 300 400 500 600 700 Mật độ quang của dung dịch Thời gian (s) Đồ thị D = f()
- 5. trình hồi qui ở đồ thị ln(D0/Dτ) = f() ta dễ dàng xác định được hệ số hồi qui đồng thời là hằng số tốc độ phản ứng bậc 1 của phản ứng phân hủy phức Mn là k= 0.0009 s-1 . - Độ tuyến tính của đồ thị R2 = 0.927. 2. Lần thí nghiệm thứ 2 №, lần 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 τ, s 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Dt 0.6360 0.5723 0.5129 0.4660 0.4300 0.4027 0.3819 0.3648 0.3515 0.3416 0.3340 ln ( 𝐷𝑜 𝐷τ ) 0 0.1055 0.2151 0.3110 0.3914 0.4570 0.5100 0.5558 0.5930 0.6216 0.6441 k, s-1 - 0.0018 0.0018 0.0017 0.0016 0.0015 0.0014 0.0013 0.0012 0.0012 0.0011 Với: - № là số lần ghi kết quả. - τ, s là thời điểm khảo sát mật độ quang. - ln ( 𝐷𝑜 𝐷τ ) là tỉ lệ giữa mật độ quang ban đầu và mật độ quang tại thời điểm t. Từ số liệu bảng trên, ta lần lượt vẽ được các đồ thị D = f() và ln(D0/Dτ) = f(). y = 0.0009x + 0.0755 R² = 0.927 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0 100 200 300 400 500 600 700 ln(D 0 /D τ ) = f() Thời gian (s) Đồ thị ln(D0/Dτ) = f()
- 6. trình hồi qui ở đồ thị ln(D0/Dτ) = f() ta dễ dàng xác định được hệ số hồi qui đồng thời là hằng số tốc độ phản ứng bậc 1 của phản ứng phân hủy phức Mn là k= 0.0011 s-1 . - Độ tuyến tính của đồ thị R2 = 0.946. 3. Lần thí nghiệm thứ 3 №, lần 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 τ, s 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Dt 0.6143 0.5655 0.5131 0.4677 0.4320 0.4042 0.3860 0.3686 0.3548 0.3454 0.3362 ln ( 𝐷𝑜 𝐷τ ) 0 0.0828 0.1800 0.2727 0.3521 0.4186 0.4646 0.5108 0.5489 0.5758 0.6028 y = 0.5865e-0.0011x R² = 0.9487 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0 100 200 300 400 500 600 700 Mật độ quang của dung dịch Thời gian (s) Đồ thị D = f() y = 0.0011x + 0.081 R² = 0.946 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0 100 200 300 400 500 600 700 ln(D 0 /D τ ) = f() Thời gian (s) Đồ thị ln(D0/Dτ) = f()
- 7. 0.0015 0.0015 0.0015 0.0014 0.0013 0.0012 0.0011 0.0011 0.0010 Với: - № là số lần ghi kết quả. - τ, s là thời điểm khảo sát mật độ quang. - ln ( 𝐷𝑜 𝐷τ ) là tỉ lệ giữa mật độ quang ban đầu và mật độ quang tại thời điểm t. Từ số liệu bảng trên, ta lần lượt vẽ được các đồ thị D = f() và ln(D0/Dτ) = f(). - Từ phương trình hồi qui ở đồ thị ln(D0/Dτ) = f() ta dễ dàng xác định được hệ số hồi qui đồng thời là hằng số tốc độ phản ứng bậc 1 của phản ứng phân hủy phức Mn là k= 0.0010 s-1 . - Độ tuyến tính của đồ thị R2 = 0.9557. ❖ Nhận xét: y = 0.5781e-0.0010x R² = 0.9593 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0 100 200 300 400 500 600 700 Mật độ quang của dung dịch Thời gian (s) Đồ thị D = f() y = 0.0010x + 0.0607 R² = 0.9557 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0 100 200 300 400 500 600 700 ln(D0/Dτ) = f( ) Thời gian (s) Đồ thị ln(D0/Dτ) = f()
- 8. lần thí nghiệm đo máy trắc quang UV vis ta đã khảo sát được quy luật động học của phản ứng phân hủy phức của Mangan là phản ứng động học bậc 1. (Do độ tuyến tính của cả ba lần đo đều có R2 đều gần bằng 1). - Việc khảo sát động học bằng máy trắc quang sẽ dễ dàng tìm được hằng số tốc độ phản ứng là k = 0.0010 s-1 . - Từ hằng số tốc độ vừa tìm được ta có thể tính được thời gian bán hủy của phản ứng phân hủy phức Mn 𝜏1/2 = 𝑙𝑛2 𝑘 = 𝑙𝑛2 0,0010 = 693.15 (𝑠). V. CÂU HỎI THẢO LUẬN 1. Xác định bậc tổng quát của các phản ứng đơn giản sau: a) C2H6 → 2CH3• → Phản ứng bậc 1 b) 2Br• → Br2; → Phản ứng bậc 2 c) CH3• + C2H6 → CH4 + C2H5•; → Phản ứng bậc 2 d) 2NO + O2 → 2NO2; → Phản ứng bậc 3 2. Bậc phản ứng và phân tử số khác nhau như thế nào? - Phân tử số phản ứng là số phân tử tương tác đồng thời với nhau để trực tiếp gây ra biến hóa học trong một phản ứng cơ bản. Còn phản ứng cơ bản (hay phản ứng sơ cấp) là phản ứng chỉ một giai đoạn duy nhất, chất phản ứng tương tác với nhau trực tiếp cho sản phẩm phản ứng. Dựa vào khái niệm phân tử số phản ứng, chúng ta có thể phân biệt ba loại phản ứng: phản ứng đơn phân tử, lưỡng phân tử và tam phân tử. - Bậc phản ứng đối với một chất cho trước là số mũ nồng độ của chất ấy trong phương trình động học của phản ứng. So sánh - Bậc phản ứng có thể là số nguyên dương, và cũng có thể là âm, không hoặc phân số, còn phân tử số có giá trị nguyên, dương. Trị số cao nhất của bậc phản ứng và phân tử số là ba. - Khái niệm phân tử số chỉ được áp dụng cho phản ứng cơ bản (1 giai đoạn) không áp dụng cho phản ứng phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn (phản ứng cơ bản), còn bậc phản ứng chỉ được xác định bằng thực nghiệm. 3. Tại thời điểm xác định, tốc độ đốt cháy pentan trong khí oxy lấy dư bằng 0,50 mol·l–1·s–1. Hãy tính tốc độ tạo thành СО2,tốc độ tạo thành hơi nước và tốc độ tiêu tốn oxy tại thời điểm đó. Phương trình đốt cháy: C5H12 + 8O2 → 5CO2 + 6H2O Áp dụng công thức tốc độ phản ứng: V = - [dC5H12]/𝑑𝑡 = - 1/8 x[dO2 ] 𝑑𝑡 = 1/5 x[dCO2 ] 𝑑𝑡 = 1/6 x[dH2O] 𝑑𝑡 Tốc độ tạo thành СО2 : VCO2 = -5x[dC5H12] = 5x(-0.50) = 2.5 (mol·l–1 ·s–1 ) Tốc độ tạo thành hơi nước: VH2O = -6x[dC5H12] = 6x(-0.50) = 3 (mol·l–1 ·s–1 ) Tốc độ tiêu tốn oxy tại thời điểm này: VO2 = 8x[dC5H12] = 8x(-0.50) = -4 (mol·l–1 ·s–1 ) 4. Tại 320°С hằng số tốc độ phản ứng bậc 1 SO2Cl2 → SO2 + Cl2 bằng 2·10–5 s–1. Tính độ phân hủy SO2Cl2 sau 90 phút.
- 9. độ k tại nhiệt độ xác định được tính theo phương trình động học phản ứng bậc 1 như sau: k= 1 τ ln ( 𝐶𝑜 𝐶τ ) Giả sử nồng độ ban đầu của SO2Cl2 là 1M Gọi x là nồng độ SO2Cl2 còn lại sau 90 phút k= 1 τ ln ( 𝐶𝑜 𝐶τ ) = 1 90𝑥60 ln ( 1 𝑥 ) = 2𝑥10−5 s-1 => x = 0.8976 (M). Độ phân hủy SO2Cl2 sau 90 phút = 1 – 0.8976 = 0.1024 (M). 5. Khi nghiên cứu động học của một phản ứng phân hủy bằng phương pháp trắc quang, người ta thu được bảng số liệu sau: τ, min 0 2 4 7 11 15 20 D 1.3 1.0 0.78 0.53 0.31 0.19 0.095 Hãy xác định hằng số tốc độ phản ứng và thời gian bán hủy Ta lập bảng: τ, min 0 2 4 7 11 15 20 D 1.3 1.0 0.78 0.53 0.31 0.19 0.095 ln D 0.262 0 -0.248 -0.635 -1.171 -1.661 -2.354 1/D 0.769 1 1.282 1.887 3.226 5.263 10.526 Từ bảng số liệu tra, ta vẽ đồ thị biểu diễn D, ln(D/Dt) và 1/D theo τ để xác định bậc phản ứng: Từ đồ thị, ta xác định được bậc của phản ứng là bậc 1 Hằng số tốc độ phản ứng k = 0.00217 (s-1 ) Thời gian bán hủy: 𝜏1/2 = ln 2 𝑘 = 319.4 (s-1 ) 6. Nêu các sai số có thể ảnh hưởng kết quả đo trong bài thí nghiệm trên. - Thao tác lâu dẫn đến phức bị phân hủy một phần nên kết quả không được chính xác. - Sai số do dụng cụ thí nghiệm.
- 10. chất không chính xác hoặc hóa chất không chính xác. - Không lau cuvet khi cho vào máy. --HẾT--
|
