Проекты

Влияние концентрации веществ на протекание колебательных реакций

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект - от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Метод» среди работ учащихся 10-11 классов

Направление работы: Химическая кинетика
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1584
Предметы: Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект − от знаний к практике, от практики к результату» 17 апреля 2019 года

Актуальность работы

Колебание – это понятный всем процесс. На бытовом языке его сможет объяснить каждый, ведь колебания окружают нас повсюду. К данному процессу можно отнести биение сердца, приливы и отливы, суточные колебания температуры, шелест листьев, так как при трении листьев друг о друга, тоже образуются колебания.

Существуют и колебательные химические реакции. Бриггс и Раушер исследовали окислительно-восстановительное взаимодействие малоновой кислоты и пероксида водорода с иодатом калия, катализируемое ионами марганца(II). В ходе реакции образуется молекулярный йод, поэтому окраска раствора периодически меняется из бесцветной в желтую и обратно. В присутствии крахмала возникает дополнительное синее окрашивание (трехцветный колебательный цикл). За счет этого возникает возможность создать «Йодные часы».

Гипотеза

Приступая к исследованию реакции Бриггса-Раушера, автор предположил, что изменение числа колебаний может зависеть от изменения концентрации растворов, в частности изменение концентрации малоновой кислоты и йода.

Цель

Выявить оптимальную концентрацию растворов, при которой будет зафиксировано максимальное количество колебаний и максимальная продолжительность реакции Бриггса и Раушера.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

  1. Выяснить, как концентрации растворов влияют на протекание реакции.
  2. Научиться готовить необходимые растворы.
  3. Научиться пользоваться химической лабораторией.
  4. Анализировать полученные данные об изменении количества колебаний.

Описание работы

Бриггс и Раушер исследовали окисление малоновой кислоты и пероксида водорода с иодатом калия, катализируемое ионами марганца(II). В ходе реакции образуется молекулярный йод, поэтому окраска раствора периодически меняется из бесцветной в желтую и обратно. В присутствии крахмала возникает дополнительное синее окрашивание (трехцветный колебательный цикл). Малоновая кислота окисляется иодат-ионами в присутствии пероксида водорода и катализатора – ионов Mn2+/Mn3+. Изучение механизма реакции Бриггса - Раушера очень сложная и далеко еще не решенная кинетическая задача. Согласно современным представлениям, механизм включает в себя до 30 стадий. Возникновение колебаний рассмотрим на примере окислительно-восстановительной пары I2/I¯. Если концентрация I¯ в системе очень мала, то в соответствии со стадией (2) скорость образования I2 очень мала. Однако за счет реакций (1) и (3) I¯ начинает накапливаться, а концентрация I2 в результате последней реакции (3) и обратной стадии (2), напротив, падать. Уменьшение концентрации I2 приводит к падению скорости накопления I¯. Большая концентрация последнего вызывает большую скорость его расходования по реакции (2). В итоге возросшая концентрация I¯ снова уменьшается. Таким образом, система возвращается в начальное состояние, после чего описанный цикл повторяется.

1) 2HIO+H2O2 → 2I¯ +4O2+4H+

2) HIO+ I¯ +H+ ← → I2+ H2O

3) I2 + enol → RI + I¯ + H+

Для проведения реакции понадобилось приготовить три раствора.

Раствор № 1:

раствор перекиси водорода с концентрацией 1,4 моль/л, для этого понадобились таблетки гидроперита (31 шт.), растворенные в 160 мл воды.

Раствор № 2:

раствор йодата калия, подкисленный концентрированной серной кислотой с концентрацией 0,33 моль/л, для этого понадобилось: 7,15 г йодата калия, смешанные с 100 мл дистиллированной воды и 1 мл концентрированной серной кислоты.

Раствор № 3:

раствор малоновой кислоты смешанной с сульфатом марганца(II) с концентрацией 0,104 моль/л., для этого понадобилось: 4,5 г сульфата марганца(II), смешанные с 5,2 г малоновой кислоты и разбавленные в 230 мл дистиллированной воды. Затем в этот раствор добавляли 1 мл раствора крахмала.

После чего следует последовательное смешивание трёх растворов, при постоянном перемешивании.

Визуальное наблюдение за ходом реакции дополнялось фиксированием изменения оптической плотности с помощью датчика оптической плотности, имеющего длину волны 525 нм, из цифровой лаборатории.

Было проведено 9 опытов, где проводились изменения концентраций йода и малоновой кислоты.

Результаты

В ходе исследовательской работы было зафиксировано, что изменение концентрации растворов приводит к изменению числа колебаний, изменению индукционного периода, периода колебаний и продолжительности реакции.

  1. При уменьшении концентрации йода увеличивается количество колебаний, уменьшение индукционного периода и периода колебаний.
  2. При уменьшении концентрации малоновой кислоты уменьшается число колебаний, увеличивается период колебаний и индукционный период.
  3. При чрезмерном уменьшении концентрации йода и перекиси водорода протекание колебательной реакции становится невозможным.
  4. При увеличении количества малоновой кислоты периоды колебаний становились дольше.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

  • Химические стаканы по 50 мл (3 шт.)
  • Мерная колба (3 шт.)
  • Пипетка 5 мл. (2 шт.)
  • Пипетка 10 мл.
  • Ложечки для реактивов (7 шт.)
  • Магнитная мешалка
  • Ступка
  • Цифровая лаборатория, вкл. датчик оптической плотности, 525 нм

Реактивы:

  • NH2)2 CO*H2O2
  • Серная кислота, 98%H2SO4
  • Йодат калия KIO3
  • Крахмал (C6H10O5)n
  • Малоновая кислота   CH2(COOH)2
  • Сульфат марганца(II)   MnSO4
  • Дистиллированная вода   H2O

Перспективы развития результатов работы

Изучение окислительно-восстановительных процессов на примере данной реакции.

Возможность создания «Йодных часов».

Особое мнение

«На данной конференции мне удалось познакомиться с работами других участников, получить большой опыт в выступлениях такого формата. В рамках Курчатовского проекта я научился пользоваться новейшим оборудованием, освоил современные методы исследования»