1612729234-f204a36a1e721af405194e29352ad3c1 (827564), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Необходимое оборудование и материалы

– стаканчики на 25 мл – 2 шт.;

– спектрофотометр, кварцевая кювета толщиной 1 см;

– секундомер, компьютер;

Исходные реактивы:

– 3 N раствор H₂SO₄;

– 0,6 N раствор H₂SO₄;

– 5·10^–3 M раствор Ce(SO₄)₂ в 3N H₂SO₄;

– 0,25 M раствор Fe(Phen)₃SO₄ в 0,6 N H₂SO₄;

– KBrO₃ или NaBrO₃ (кристаллический);

– малоновая кислота СО₂НСН₂СО₂Н (кристаллическая);

Варианты выполнения лабораторной работы

Вариант 1. Наблюдение различных режимов колебаний

Исследуют протекание реакции БЖ в трёх рабочих растворах с различной концентрацией малоновой кислоты, объём растворов – 10 мл, концентрации реагентов приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Концентрации реагентов в рабочих растворах для опытов 1–3

Навески KBrO₃ и малоновой кислоты, рассчитанные на общий объём рабочего раствора 10 мл, помещают в два стаканчика, добавляют в каждый по 4 мл 3N H₂SO₄.

Запись кинетической кривой

Включают спектрофотометр, переходят в режим «кинетика», задают длину волны 380 нм, время записи – 20 мин, интервал между точками – 2 с (для опытов 1–2) или 0,5 с (для опыта 3), диапазон измерения оптической плотности (0,0–1,2). Проводят подготовку к записи кинетической кривой, как указано в описании прибора.

Перед началом опыта объединяют в одном стаканчике приготовленные растворы KBrO₃ (4 мл) и малоновой кислоты (4 мл), добавляют 2 мл готового раствора Ce(SO₄)₂, перемешивают.

Кювету заполняют этим раствором на 2/3, устанавливают в кюветное отделение спектрофотометра, включают запись. Некоторое время заметных изменений оптической плотности может не происходить.

Колебательный режим возникает примерно через 10 мин после начала реакции. Вскоре после этого нужно осторожно перемешать раствор в кювете тонкой стеклянной или пластиковой палочкой. После наблюдения за колебаниями в течение нескольких минут перемешать раствор ещё раз и исследовать влияние добавления ионов Br^– и Ag⁺ на протекание реакции (см. ниже вариант 2).

Дождаться окончания записи кинетической кривой. Сохранить данные, как указано в описании прибора. Если используется спектрофотометр “Agilent 8453”, нужно дождаться завершения автоматической обработки и сохранения данных.

Выполнить опыты 2 и 3 аналогичным образом.

Проследить за изменением формы колебаний при уменьшении параметра . Попытаться объяснить это изменение на основе знания механизма реакции БЖ.

Вариант 2. Исследование зависимости периода и амплитуды колебаний от концентраций реагентов (опыты 4–7)

В квазигармоническом режиме исследовать зависимость периода и амплитуды колебаний от концентраций малоновой кислоты и бромата калия. Исследовать протекание реакции в четырёх рабочих растворах, концентрации реагентов в растворах приведены в табл. 5.3.

Навески KBrO₃ и малоновой кислоты, рассчитанные на общий объём рабочего раствора 10 мл, помещают в два стаканчика, добавляют в каждый стаканчик по 4 мл 3N H₂SO₄.

Таблица 5.3

Концентрации реагентов в рабочих растворах для опытов 4–7

	Опыт 4	Опыт 5	Опыт 6	Опыт 7
[Сe(SO4)2]0, M	10–3	10–3	10–3	10–3
[BrO3–]0, M	6·10–2	6·10–2	1·10–1	1·10–2
[CH2(COOH)2]0, M	0,8	1,5	1,2	1,2
[H2SO4]0, M	1,5	1,5	1,5	1,5

Выполнить запись кинетической кривой, как указано выше.

Выполнить опыты 5–7 аналогичным образом. Нарисовать графики зависимости периода колебаний от логарифма концентрации бромата и малоновой кислоты. Ввиду того что процесс в целях упрощения методики проводят в кювете без перемешивания, амплитуду и период колебаний измеряют по первым периодам после перемешивания. При построении зависимостей учесть также значение периода колебаний, полученное в опыте 3.

Вариант 3. Влияния выбора катализатора на реакцию Бело-усова – Жаботинского

Колебания в реакции окисления малоновой кислоты броматом возможны не только при использовании в качестве катализатора ионов церия. Подходящим катализатором является, например, фенантролиновый комплекс железа Fe(Phen)₃SO₄. Эта система удобна тем, что визуально наблюдается более заметное изменение окраски раствора, цвет меняется от красного к бледно-синему.

При выполнении опыта используют два готовых раствора:

– раствор 1: 0,6 N H₂SO₄;

– раствор 2: 0,25 M Fe(Phen)₃SO₄ в 0,6 N H₂SO₄.

Кроме этого, два раствора объёмом 3 мл каждый студенты готовят самостоятельно:

– раствор 3: 0,32 М KBrO₃ в 0,6 N H₂SO₄;

– раствор 4: 1,2 М малоновая кислота в 0,6 N H₂SO₄.

Включают спектрофотометр, переходят в режим «кинетика», задают длину волны 500 нм, время записи – 10 мин, интервал между точками – 2 с, диапазон измерения оптической плотности (0,0–1,2). Проводят подготовку к записи кинетической кривой, как указано в описании прибора.

Для приготовления рабочего раствора смешивают 3,0 мл раствора 3 и 3,0 мл раствора 4, затем добавляют 0,1 мл раствора 2 и перемешивают. Заполняют полученным раствором кювету (l = 1 см) и включают регистрацию кинетики, рекомендуется использовать спектрофотометр “Agilent 8453” или аналогичный. Выделяют спектры поглощения двух устойчивых состояний, между которыми происходят переходы. Следует сохранить эти спектры, используя клавишу PrtScr и программу Paint. В этой системе хорошо видно, почему перемешивание раствора приводит к возобновлению колебаний оптической плотности.

Отчёт о работе К-17 должен содержать:

– дату выполнения работы;

– название спектрофотометра;

– сведения о начальной концентрации реагентов;

– кинетические кривые, соответствующие выбранному варианту выполнения работы (зависимость оптической плотности от времени);

– если есть возможность – спектры поглощения двух устойчивых состояний, между которыми происходят переходы;

– интерпретацию полученных данных.

Контрольные вопросы к работе К-17

1. Первая колебательная реакция в жидкой фазе, открытая Белоусовым.

2. Модель Лотка – Вольтерра (хищник – жертва). Покажите, что эта модель при малых отклонениях от равновесия приводит к незатухающим колебаниям.

3. Другие примеры систем, в которых наблюдаются химические колебания.

4. Опишите состав системы в выполняемой лабораторной работе.

5. Механизм Филда – Кереша – Нойеса реакции Белоусова –Жаботинского. Пользуясь схемой механизма, приведённой в методическом пособии, поясните последовательность процессов, происходящих в системе. Чем обусловлено изменение окраски раствора?

6. Упрощённая модель реакции – орегонатор Филда и Нойеса.

Библиографический список к работе К-17

1. Goldbeter A. Biochemical oscillations and cellular rhythms: the molecular bases of periodic and chaotic behavior, Cambridge University Press: Cambridge, U. K., 1996.

2. Колебания и бегущие волны в химических системах. М.: Мир, 1988. (Oscillations and traveling waves in chemical systems // Eds. R. J. Field, M. Burger, A Wiley-Interscience. N. Y., 1985).

3. Жаботинский А. М. Периодические процессы окисления малоновой кислоты в растворе (исследование кинетики реакции Белоусова) // Биофизика. 1964. Т. 9. C. 306–311.

4. Zaikin A. N., Zhabotinskii A. M. Concentration wave propagation in a two-dimensional, liquid-phase self-oscillating system // Nature. 1970. Vol. 225. P. 535–537.

5. Demas J. N., Dimente D. An oscillating chemical reaction with a luminescent indicator // J. Chem. Educ. 1973. Vol. 50. P. 357–358.

6. Жаботинский А. М. Периодические окислительные реакции в жидкой фазе // ДАН СССР. 1964. Т. 157. C. 392–395.

7. Kasperek G. J., Bruice T. C. Observations of an oscillating reaction. The reaction of potassium bromate, ceric sulface and dicarboxylic acid // Inogr. Chem. 1971. Vol. 10. P. 382–386.

8. Bornmann L., Busse H., Hess B. Oscillatory oxidation of malonic acid by bromate. part 3. CO₂ and BrO₃^– titration // Z. Naturforsch. C. 1973. Vol. 28. P. 514–516.

9. Noszticzius Z. Periodic carbon monooxide evolution in an oscillating reaction // J. Phys. Chem. 1977. Vol. 81. P. 185–186.

10. Jacobs S. S., Epstein I. R. Effects of chloride ion on oscillations in the bromate-cerium-malonic acid system // J. Am. Chem. Soc. 1976. Vol. 98. P. 1721.

11. Field R. J. Chemistry of inorganic systems exhibiting non-monotonic behavior. in Theoretical chemistry: periodicities in chemistry and biology (Eds. H. Eyring, D. Henderson). N. Y.: Academic Press, 1978. Vol. 4. P. 53–110.

12. Noyes R. M., Field R. J., Tompson R. C. Mechanism of reaction of Br(V) with weak, one-electron reducing agents // J. Am. Chem. Soc. 1971. Vol. 93. P. 7315–7316.

13. Field R. J., Noyes R. M. Oscillations in chemical systems, Part 4. Limit cycle behavior in a model of a real chemical reaction // J. Chem. Phys. 1974. Vol. 60. P. 1877–1884.

14. Bray W. C. A periodic reaction in homogeneous solution and its relation to catalysis // J. Am. Chem. Soc. 1921. Vol. 43. P. 1262–1267.

15. Field R. J., Noyes R. M. Oscillations in chemical systems, Part 5. Quantitative explanation of band migration in the Belousov–Zhabotinskii reaction // J. Am. Chem. Soc. 1974. Vol. 96. P. 2001–2006.

16. Tyson J. J., Keener J. P. Singular perturbation theory of traveling waves in excitable media (a review) // Physica D. 1988. Vol. 32. P. 327–361.

17. Жаботинский А. М. Концентрационные колебания. М.: Наука, 1974.

6. Гомогенный И ГЕТЕРОГЕННЫЙ катализ

Характеристики

Список файлов лабораторной работы