Меню сайта
Категории раздела
Друзья сайта
Статистика
Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
| Главная » Статьи » Реферати » Хімія |
Реферат на тему Хімічна кінетика. Закон діючих мас. Константа швидкості хімічних реакцій, переносу.
|
Реферат на тему Хімічна кінетика. Закон діючих мас. Константа швидкості хімічних реакцій, переносу. Хімічна кінетика. Закон діючих мас. Константа швидкості хімічних реакцій, переносу. Теоретичні відомості. Хімічна кінетика – це розділ фізичної хімії, що вивчає швидкість і механізм хімічних реакцій, а також залежність швидкості протікання реакцій від різних факторів. Середню швидкість хімічної реакції V в даному проміжку часу знаходиться за формулою: V = С2-С1/ф2-ф1 (1) де С1 – концентраія однієї з реагуючих речовин в момент часу ф1; С2 – концентрація цієї ж речовини в момент часу ф2. Основними факторами, що впливають на швидкість реакції є концентрації реагуючих речовин і температура. Залежність швидкості хімічних реакцій від концентрації реагуючих речовин виражається законом діючих мас: швидкість хімічних реакцій прямо пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин, що взяті в степенях, які рівні стехіометричним коефіцієнтам відповідних речовин в рівнянні реакції. Наприклад, для реакції n1А + n2В + n3С > n4D + n5F + ... закон діючих мас можна математично записати так: V = -dc/dф = k*[A]nl[В]n2[С]n3 (2) Де [А],[В],[С] – концентрації речовин А, В, С (моль/л) в даний момент часу. n1, n2, n3 – відповідні концентраціям стехіометричні коефіцієнти. k - коефіцієнт пропорційності, що називається константою швидкості реакції. Константа швидкості являє собою швидкість реакції, коли концентрації всіх вихідних речовин рівні 1 моль/л. Молекулярність реакції визначається кількістю частинок, які беруть участь в елементарній стадії реакції. Прості реакції можуть бути мономолекулярними, біомолекулярними, тримолекулярними. Порядок реакції - це сума величин показників степенів n1+n2+n3 (див. формулу 2) при значеннях концентрацій речовин А, В, С в кінетичному рівнянні. Порядок реакцій становить величину 0чЗ. Якщо реакція проста, то молекулярність і порядок реакції співпадають. Для реакції 1-го порядку константа швидкості визначається за рівнянням k = l / t ln C0 / C (3) або k = 2,303 / t Ig C0 / C (4) Для реакції II-го порядку константа швидкості визначається за рівнянням: k = C0 – C / t Co*C (5) де C0 – початкова концентрація речовини, моль/л, С – концентрація тієї ж речовини в момент часу t. Для реакцій першого порядку, якщо концентрація речовини зменшилась вдвічі, то С0 / С = 2, k = l / t In2 k = 0,693 / t (6) t1/2 = 0,693 / k (7) t1/2 – період піврозпаду – час, за який концентрація речовини зменшується наполовину. Оскільки константа швидкості обернено пропорційна періоду піврозпаду, то вона вимірюється в с-1 і не залежить від концентрації речовини, тому в розрахунках для реакцій І-го порядку замість концентрацій можна користуватися лінійними параметрами прямо пропорційно зв'язаними з концентрацією: оптичною густиною, електропровідністю розчину, об'ємом титранта, тощо. Для реакцій другого порядку константа має розмірність [л с-1 моль-1]. t1/2 = l / k*C0 (8) Порядок реакції не завжди співпадає з молекулярністю. Його визначають дослідним шляхом. Підставляючи в рівняння (4) і (5) початкову концентрацію і концентрацію речовини в момент часу t, розрахуємо константа швидкості реакції. Порядок реакції приймається такий, за формулою якого отримуємо найбільш стала величина для k. Порядок реакції може бути визначений також по періоду піврозпаду. Якщо t1 – час, протягом якого концентрація реагуючої речовини С1 змінна 50%, а t2 – перод піврозпаду речовини, концентрація якої С2, то t1 / t2 = C2в-1 / C1в-1 (9) де Я - порядок реакції. Для реакції першого порядку t1 = t2, а для реакції ІІ-го порядку період піврозпаду і початкова концентрація обернено пропорційна між собою. Приклади розв'язування завдань Приклад 1. Як зміниться швидкість прямої і зворотньої реакції, якщо збільшиться тиск в 3 рази. N2 + 3H2-2NH3 Розв'язання. Запишемо за законом діючих мас вирази для костей прямої і зворотньої реакції. Vnp = k[N2][H2]3 Vзв = k [NH3]2 Якщо збільшити тиск в 3 рази, то об'єм газової суміші зменшиться в 3 рази, а мольні концентрації даних речовин в цьому об'ємі збільшаться в 3 рази. При збільшенні тиску в 3 рази вини стануть 3[N2], 3[Н2] і 3[МНз]. Запишемо вираз для швидкості прямої і зворотньої реакції після збільшення тиску V'пр = k 3[N2]3[H2]3 = k 81[N2][H2] V'зв = k (3[NH3])2 = 9 k [NH3] Vnp/V'np = 81; Vзв / V'зв = 9 Отже, при збільшенні тиску в 3 рази швидкість прямої реакції збільшиться в 81 раз, а швидкість зворотньої реакції в 9 раз. Приклад 2. Реакція розпаду перекису водню в водному розчині протікає як реакція І-го порядку. Період піврозпаду при даній умові рівна 15,86 хв. Визначити, скільки часу потрібно для розкладу 90% перекису водню. Розв'язання Запишемо вирази для обчислення константи швидкості реакції І-го порядку (4) і (6) k = 2,303 / t Ig C0 / C k = 0,693 / t Знаючи період піврозпаду обчислимо константу швидкості реакції розкладу Н2О2. k = 0,693 / 15,86 = 0,0437 (хв) Оскільки, дана реакція протікає як реакція І-го порядку, то значення концентрації замінено їх співвідношеннями в відсотках: В початковий момент часу концентрація – 100% В момент часу t – 100-90 = 10% Визначимо скільки часу потрібно для розкладу 90% Н2О2. t = 2,303 / k*lg l00 / 10 t = 2,303 / 0,0437*lg l0 = 52,7 (хв). Приклад 3. Розклад перекису водню в водному розчині являє собою реакцію І-го порядку. Кількість перекису водню в реагуючій суміші визначали титруванням перманганатом калію. Дані записують в таблицю Мом. часу, t, хв. | 0 | 10 | 20 V KMnO4, мл | 22,8 | 13,8 | 8,25 Обчислити середнє значення швидкості реакції. Розв'язання Запишемо вираз для обчислення константи швидкості реакції І-го порядку (4): k = 2,303 / t Ig C0 / C Замість значень концентрацій в обчисленнях будемо користуватися об'ємами прийнятого титранта. Обчислити К1: через 10 хвилин, V =13,8 k1 = 2,303 / 10 Ig 22,8 / 13,8 = 0,0502 (хв-1) Аналогічно обчислюємо k2 = 2,303/10 lg22,8/8,25 = 0,0509 (хв-1) kc = 0,0502 + 0,0509/2 = 0,0506 (хв-1) Приклад 4 Омилення етилацетату їдким натрієм є реакцією бімолекулярною. Для нейтралізації 100 мл реакційної суміші в різні моменти часу після початку реакції витрачалась наступна кількість 0,043н НСІ Час t, xв | 0 | 4,89 | 10,37 | 18,18 К-сть НСl, мл | 61,95 | 50,59 | 42,40 | 29,36 Обчислити константу швидкості цієї реакції. Розв'язання Запишемо вираз для обчислення константи швидкості реакції II-го порядку (5) k = C0 – C / t С0*С Оскільки, константа швидкості реакції II-го порядку залежить від концентрації, то для її розрахунку, потрібно знати концентрацію реакційної суміші в певні моменти часу. З курсу аналітичної хімії відоме співвідношення C1V1 = C2V2 Де С1 і С2 – еквівалентні концентрації розчину і титранта (НСІ) V1 і V2 – їх об'єм. Для нашого випадку нормальність буде відповідати молярності даного розчину етилацетату, тому концентрації реакційної суміші визначають зі співвідношення. С1 = C2V2 / V1; С2 = 0,043 г екв/л V1 = 100 мл В 0 момент часу: С0 = 0,043*61,95/100 = 0,0266 Через 4,89 хв: С1 = 0,043*50,59/100 = 0,0218 Через 10,37 хв: С2 = 0,043*42,40/100 = 0,0182 Через 28,18 хв: С3 = 0,043*29,36/100 = 0,0126 Знаючи концентрації реакційної суміші можемо визначити константу швидкості реакції 2-го порядку k1 = (0,0266 - 0,0218)/4,89*0,0266*0,0218 = 1,69 (хв-1) k2 = (0,0266 -0,0182)/10,37*0,0266*0,0182 = 1,67 (хв-1) k3 = (0,0266 - 0,0126)/28,18*0,0266*0,0126 = 1,48 (хв-1) kc = 1,69 + 1,69 + 1,48 / 3 =1,61 (хв-1) Приклад 5 При розкладі азотного ангідриду в чотирихлористому вуглеці при 30°С вихідна концентрація N205 рівна 84,85 см3/л змінюється наполовину через 8207 с, а концентрація 47,15 см3/л через 8717 с. Який порядок цієї реакції. Розв'язання В даній задачі відомі періоди піврозпаду різних кількостей N205, тому використовуємо формулу (8) для визначення реакції. Визначимо співвідношення періодів піврозпаду t1 / t2 = 8207/8717 = 0,94 ? 1 Отже, дана реакція І-го порядку. Завдання 1. Як зміниться швидкість прямої і зворотньої реакції якщо збільшиться тиск в n раз? Розв'язати задачу, користуючись наступними даними: № п/п | Реакція | n 1 | N2 + 3H2-2NH3 | 5 2 | 4НС1 + О2-2Н2О+2С12 | 2 3 | 2SO2 +О2 -2SO3 | 5 4 | N2 +О2-2NO | 3 5 | 2NO +О2-2NО2 | 4 6 | СО+С12-СОС12 | 2 7 | Н2 +J2-2НJ | 3 8 | Н2 +С12-2НСl | 6 9 | SO2 +Cl2-SO2C12 | 2 10 | 2N2 +O2-2N2O | 4 2. Реакція розкладу речовини А протікає як реакція І-го порядку. Період піврозпаду при даній умові рівний t1/2. Визначити скільки часу потрібно для розкладу х % речовини А, користуючись наступними даними: № п/п | Формул | tl/2 | x% 11 | RaC | 19,7 xb | 90 12 | Rn | 3,82 дні | 70 13 | H202 | 15,86хв | 75 14 | RaB | 26,8 xb | 78 15 | ThC | 80,5 xb | 80 3. Реакція розкладу речовини А протікає як реакція І-го порядку. Константа швидкості реакції при даній умові рівна К Визначити, яка кількість речовини А розкладеться за час t. Користуючись наступними даними: № п/п | Формула речовини А | К | Т 16 | Н202 | 0,05081 хв-1 | 13 хв 17 | ThC | 0,01145 хв-1 | 60 хв 18 | RaB | 0,0259 хв-1 | 2 год 19 | Ra A | 3.79*10-3с-1 | 10 хв 20 | Rn | 0,1814 дні-1 | 14 днів 4. Розклад речовини А являє собою реакцію І-го порядку. Кількість речовини А визнали дослідженнями, дані яких наведені в таблиці. Обчислити середнє значення константи швидкості хімічної реакції, користуючись наступними даними: № п/п | Формула речовини А | Дані досліджень 21 | Н202 | ф, час, хв VKMnO4, мл | 0 15 30 25,4 9,83 3,81 22 | Р205 | ф, час, хв С, см3/мл | 0 18,4 319 525 867 2,33 2,08 1,91 1,67 1,36 23 | N205 | ф, час, хв С, см3/мл | 0 9600 144000 19200 84,85 39,0 26,55 18,00 24 | СН2-О-СН2 | ф, час, хв р, мм рт.ст | 0 5 9 18 116,51 122,56 128,74 141,37 25 | AsH3 | ф, час, хв р, мм рт.ст | 0 5,5 6,5 8 733,32 805,78 818,11 835,34 5. Наведені нижче реакції протікають по механізму реакції ІІ-го порядку. Дані дослідження концентрацій і об'ємів відповідних речовин наведені в таблиці. Обчислити середнє значення константи швидкості хімічної реакції. Р – тиск газу, VKMnO4 – об'єм розчину KMnO4, що пішов на титрування. № | Реакція | Дані досліджень 26 | СО + Cl2>COCl2 | ф,час, хв 0 18 30 СCO, моль/л 0,01873 0,01764 0,01704 27 | НСНО + Н2О2 > НСООН +Н2О | ф, час, год 0 2 CHCHO, моль/л 0,5 0,215 28 | СН3СООС2Н5 + NaOH > CH3COONa + С2Н3ОН | ф,час, хв 0 4,89 10,27 22,18 VHCl, мл 47,65 38,92 32,62 22,58 СM HCl = 0,056 М, V суміші = 100 мл 29 | СНзСООСН3 + NaOH > СН3СООН +СН3ОН | ф, час, хв 3 5 7 10 25 Cефіру,г екв/л 0,0074 0,00634 0,0055 0,00464 0,00254 30 | СН3СООС2Н5 + NaOH > CH3COONa + C2H5OH | ф, час, хв 0 4,9 10,4 28,2 VHCl, мл 61,95 50,59 42,40 29,35 СH HCl = 0,01 н, V суміші = 100 мл 6. Константа швидкості деякої бімолекулярної реакції рівна К. Визначити час, необхідний для того, щоб концентрація речовини Co зменшилася наполовину. Речовини взяті в стехіометричному співвідношенні. Розв'язати задачу, користуючись наступними даними. № п/п | К л моль-1 с-1 | Со, моль/л 31 | 0,1095 | 0,0835 32 | 0,015 | 0,266 33 | 0,632 | 0,012 34 | 0,55 | 0,111 35 | 1,61 | 0,53 36 | 0,234 | 0,062 37 | 0,0623 | 0,183 38 | 0,082 | 0,0525 39 | 0,0112 | 0,025 40 | 0,0299 | 0,0435 7. При розкладі речовини вихідна її концентрація С1, см3/л – через ф1, с а концентрація – С2, см3/л – через ф2, с. Встановити порядок реакції, користуючись наступними даними: № п/п | ф1, с | C1, см3/л | ф2, с | С2, см3/л 41 | 790 | 96,15 | 765 | 65,3 42 | 1600 | 48,75 | 1625 | 87,54 43 | 1600 | 47,5 | 789 | 97,2 44 | 1500 | 50,2 | 740 | 109,4 45 | 948 | 41,4 | 934 | 62,5 46 | 5435 | 35,2 | 2715 | 72,4 47 | 3300 | 40,17 | 3100 | 82,5 48 | 2250 | 52,8 | 1100 | 128,6 49 | 3500 | 17,68 | 1750 | 25 50 | 1740 | 37,5 | 1690 | 63,5 §5 Вплив температури на швидкість хімічної реакції. Енергія активації. Теоретичні відомості. На швидкість хімічної реакції здійснює вплив зміна температури. Як показує досвід, в більшості гомогенних реакцій при підвищенні температури на 10°С швидкість збільшується в 2 - 4 рази (наближене правило Вант-Гоффа). Збільшення швидкості реакції при підвищенні температури пов'язане з зростанням константи швидкості реакції, концентрації реагуючих речовин при цьому практично не змінюються. Відношення Kt+10/Kt = г (l) називається температурним коефіцієнтом швидкості реакції. Де k – константа швидкості при температурі t + 10 і t°C/ Величина г в різних реакціях коливається в межах 2-4. Константи швидкості реакцій при температурі t1 i t2 пов'язані з температурним коефіцієнтом співвідношенням: Ig Kt2/Kt1 = t2-t1\10*lg г (2) де Kt2 і Kt1 – константи швидкості при температурах t1 і t2. Між константами швидкостей і часом завершення реакції існує обернено пропорційна залежність: Кt2/Кt1 = ф1\ф2 (3) Де ф1 і ф2 – час завершення реакції при температурах t1 i t2. Тоді рівняння (2) матиме вигляд: lg ф1\ ф2 = t2-t1 \10*lg г (4) Більш точна залежність константи швидкості від температури виражається рівнянням Арреніуса. V = V0*e-Eaкт/RT (5) Пролагорифмувавши цей вираз і ввівши константи швидкості реакції отримаємо рівняння: ln КТ2/КT1 = Eaкт/R(l/T1-l/T2) (6) де КТ2 і КT1 – константи швидкості реакції при температурах Т1 і Т2, (°К), R – універсальна газова стала R = 8.31 Дж/моль град, Еакт – енергія активації даної реакції (Дж/моль). Під енергією активації розуміють мінімальний надлишок енергії (в порівнянні з величиною середньої енергії молекул), яким повинні володіти молекули для того, щоб реакція між ними стала можливою. Рівняння (6) використовують для обчислення константи швидкості реакції при заданій температурі, якщо відоме її значення для іншої (близької) температури і величина енергії активації. Можна також за двома значеннями констант швидкостей, виміряних при двох близьких значеннях температур, обчислюється енергія активації даної реакції. Приклади розв'язування завдань. Приклад 1 Користуючись правилом Вант-Гоффа, вважаючи, що температурний коефіцієнт рівний 2,5, обчислити, на скільки потрібно підвищити температуру, щоб швидкість реакції зросла в 50 раз. Розв'язання Використаєм рівняння (2) Ig Kt2/Kt1 = t2-t1\10*lg г В задачі потрібно обчислити різницю t2-t1 тому: t2-t1 = Ig Kt2/Kt1/10*lg г t2-t1 = Ig 50 / lg 2,5*10 = 42,69° Таким чином, для того, щоб швидкість реакції зросла в 50 раз, температуру треба підвищити на 42,69°. Приклад 2 При 150°С деяка реакція закінчиться через 16 хв. Вважаючи температурний коефіцієнт швидкості реакції рівний 2,5, обчислити, через скідьки хв закінчиться реакція при 200°С. Розв'язання Використовуємо рівняння (4) lg ф1\ ф2 = t2-t1 \10*lg г lg l6\ ф2 = 200-150/10*lg2,5 lg 16\ ф2 = 1,9897 16\ ф2 = 97,66 ф2 = 0,16 (хв) (9,8 с) Отже, реакція закінчиться через 9,8 с. Приклад 3 Для реакції дослідним шляхом були визначені дві константи швидкості і при 450°C – 0,006, a при 500°С – 0,1050. Визначити значення енергії активації даної реакції. Розв'язання Використаєм рівняння (6) ln КТ2/КT1 = Eaкт/R(l/T1-l/T2) Звідки Еакт = ln КТ2/КT1*R/(1/T1-1/T2) Т1 = 450 +273 = 723 Т2 = 500 + 273 = 773 Еакт = In (0,1050/0,006)*8,31 / (1/723 - 1/773) = In (0,1050/0,006)*8,31* *773*723/773 -723 = 265857 (Дж/моль) Еакт = 265,8 кДж/моль Завдання 1-10. Користуючись правилом Вант-Гоффа, та вважаючи, що температурний коефіцієнт дорівнює г (див. табл.), обчислити: на скільки градусів Цельсія потрібно підвищити температуру, щоб швидкість реакції зросла в n раз, користуючись наступними даними: Варіант | n | г І | 50 | 3,5 2 | 20 | 2 3 | 4 | 2 4 | 10 | 2 5 | 15 | 2,5 6 | 24 | 2,7 7 | 40 | 3,1 8 | 35 | 3,5 9 | 80 | 1,7 10 | 100 | 2,9 11-20. Користуючись правилом Вант-Гоффа, обчислити температурний коефіцієнт хімічної реакції, якщо константа швидкості початкової реакції становить K1, а при збільшенні температури на t°C – К2. Розв'язати задачу, користуючись наступними даними: № п/п | К1, | К2 | t°C 11 | 0,1089 | 0,059 | 6,69 12 | 0,266 | 0,159 | 3,18 13 | 0,333 | 0,155 | 11,52 14 | 0,220 | 0,050 | 16,92 15 | 1,1008 | 0,0025 | 32,67 16 | 0,0556 | 0,0023 | 25,43 17 | 0,112 | 0,056 | 6,51 18 | 0,324 | 0,024 | 29,73 19 | 0,026 | 0,0002 | 53,12 20 | 0,1568 | 0,0008 | 71,14 21-30. При температурі t10С деяка реакція закінчилась через ф, хв. Вважаючи температурний коефіцієнт рівний г, обчислити, через скільки хвилин закінчиться ця реакція при температурі t2°С, користуючись наступними даними. № п/п | ф, хв | t1°С | t2°С | г 21 | 20 | 150 | 180 | 2,5 22 | 16 | 120 | 200 | 2,1 23 | 9 | 100 | 130 | 2,2 24 | 30 | 80 | 150 | 2,5 25 | 120 | 110 | 120 | 3,0 26 | 60 | 60 | 100 | 3,1 27 | 90 | 100 | 200 | 1,9 28 | 85 | 120 | 150 | 2,4 29 | 64 | 150 | 200 | 2,9 30 | 27 | 130 | 170 | 3,0 31-40. При температурі t°C деяка реакція закінчилась через ф1, хв. Вважаючи температурний коефіцієнт рівним г, обчислити при якій температурі ця реакція закінчиться через ф2, хв, користуючись наступними даними: № п/п | ф1, хв. | ф2, хв | t°C | г 31 | 20 | 3 | 100 | 2,5 32 | 60 | 24 | 120 | 2,5 33 | 120 | 90 | 80 | 2,2 34 | 3 | 0,45 | 150 | 2,1 35 | 5 | 1 | 200 | 2,4 36 | 50 | 0,35 | 200 | 1,9 37 | 16 | 0,5 | 150 | 3 38 | 25 | 5,5 | 140 | 3,1 39 | 6 | 0,02 | 155 | 2,5 40 | 30 | 2 | 160 | 2,2 41-50. Для реакції дослідним шляхом були визначені дві константи швидкості: при t1°C – К1, а при t2°C – К2. Обчислити значення енергії активації даної реакції, користуючись наступними даними: №п/п | t,°C | t2°C | К, | K2 41 | 9,4 | 14,4 | 2,37 | 3,204 42 | 25 | 40 | 9,67* 10'3 | 73,4* ІО'3 43 | 460 | 518 | 0,035 | 0,343 44 | 100 | 120 | 1,67 | 2,93 45 | 50 | 100 | 0,027 | 0,123 46 | 25 | 50 | 0,1 | 0,25 47 | 120 | 150 | 3,7* 10'2 | 5,5* 10"2 48 | 200 | 230 | 4,64 | 5.61 49 | 150 | 220 | 0,05 | 0,35 50 | 300 | 400 | 6,6 | 10,5 | |
| Просмотров: 1386 | Рейтинг: 0.0/0 |
| Всего комментариев: 0 | |