Теоритеческие основы химической технологии неорганических веществ

Министерство  образования, науки и спорта Украины

Национальный Технический Университет

«Харьковский Политехнический Институт» 

Кафедра: химической технологи неорганических веществ, катализа и экологии 
 
 
 

Курсовая  работа

Теритеческие основы химической технологи неорганических веществ.

Вариант № 15 
 
 
 
 
 

   Выполнила:

Студентка гр.. Н-18а

Черепаха  В.Ю.

Проверил:

проф. Панасенко В. А.

Харьков 2011 
 
 

Содержание

Введение……………………………………………………………………..3

1.Константа скорости реакции……………………………………………..4

1.1  Кинетическое уравнение химической реакции………………………4

1.2   Реакции нулевого порядка…………………………………………….4

1.3   Реакции первого порядка……………………………………………...4

1.4  Реакции второго порядка………………………………………………6

2.Порядок и  молекулярность реакции……………………………………..9

2.1.Порядок химической реакции………………………………………….9

      2.1.2  Методы определения порядка реакции…………………………10

2.2.  Молекулярность элементарных реакцій……………………………...13

3.Выполнение практической части………………………………………....14

Список литературы………………………………………………………….16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Одной из задач, стоящих перед химической кинетикой, является определение состава реакционной смеси (т.е. концентраций всех реагентов) в любой момент времени, для чего необходимо знать зависимость скорости реакции от концентраций. В общем случае, чем больше концентрации реагирующих веществ, тем больше скорость химической реакции. В основе химической кинетики лежит т. н. основной постулат химической кинетики: 

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях. 

Т. е. для реакции 

аА + bВ + dD + ...  ––>  еЕ + ... 

можно записать: 

             (II.4)

Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ определяется экспериментально и называется кинетическим уравнением химической реакции. Очевидно, что для того, чтобы записать кинетическое уравнение, необходимо экспериментально определить величину константы скорости и показателей степени при концентрациях реагирующих веществ. Показатель степени при концентрации каждого из реагирующих веществ в кинетическом уравнении химической реакции (в уравнении (II.4) соответственно x, y и z) есть частный порядок реакции по данному компоненту. Сумма показателей степени в кинетическом уравнении химической реакции (x + y + z) представляет собой общий порядок реакции. Следует подчеркнуть, что порядок реакции определяется только из экспериментальных данных и не связан со стехиометрическими коэффициентами при реагентах в уравнении реакции. Стехиометрическое уравнение реакции представляет собой уравнение материального баланса и никоим образом не может определять характера протекания этой реакции во времени.

1.Константа скорости реакции.

1.1  Кинетическое уравнение химической реакции.

   Коэффициент пропорциональности k есть константа скорости химической реакции. Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л. 

В химической кинетике принято классифицировать реакции по величине общего порядка реакции. Рассмотрим зависимость концентрации реагирующих веществ от времени для необратимых (односторонних) реакций нулевого, первого и второго порядков. 

1.2   Реакции нулевого порядка 

Для реакций нулевого порядка кинетическое уравнение имеет следующий вид: 

                           (II.5) 

Скорость реакции нулевого порядка постоянна во времени и не зависит от концентраций реагирующих веществ; это характерно для многих гетерогенных (идущих на поверхности раздела фаз) реакций в том случае, когда скорость диффузии реагентов к поверхности меньше скорости их химического превращения. 

1.3   Реакции первого порядка 

Рассмотрим зависимость от времени концентрации исходного вещества А для случая реакции первого порядка А ––>  В. Реакции первого порядка характеризуются кинетическим уравнением вида (II.6). Подставим в него выражение (II.2): 

                             (II.6) 

                     (II.7) 

После интегрирования выражения (II.7) получаем: 

                       (II.8) 

Константу интегрирования g определим из начальных условий: в момент времени t = 0 концентрация С равна начальной концентрации Со. Отсюда следует, что g = ln Со. Получаем: 

                      (II.9)

    Рис.Зависимость логарифма концентрации  от  времени  для реакций

                         первого порядка

  

Т.о., логарифм концентрации для реакции первого порядка линейно зависит от времени (рис. 2.3) и константа скорости численно равна тангенсу угла наклона прямой к оси времени. 

                            (II.10) 

Из уравнения (II.9) легко получить выражение для константы скорости односторонней реакции первого порядка: 

                               (II.11) 

Еще одной кинетической характеристикой реакции является период полупревращения t1/2 – время, за которое концентрация исходного вещества уменьшается вдвое по сравнению с исходной. Выразим t1/2 для реакции первого порядка, учитывая, что С = ½Со: 

                       (II.12) 

Отсюда 

                                  (II.13) 

Как видно из полученного выражения, период полупревращения реакции первого порядка не зависит от начальной концентрации исходного вещества. 
 

 1.4  Реакции второго порядка 

Для реакций второго порядка кинетическое уравнение имеет следующий вид: 

                         (II.14) 

либо 

                       (II.15) 

Рассмотрим простейший случай, когда кинетическое уравнение имеет вид (II.14) или, что то же самое, в уравнении вида (II.15) концентрации исходных веществ одинаковы; уравнение (II.14) в этом случае можно переписать следующим образом: 

                    (II.16) 

После разделения переменных и интегрирования получаем: 

                      (II.17) 

Постоянную интегрирования g, как и в предыдущем случае, определим из начальных условий. Получим: 

                  (II.18) 

Т.о., для реакций второго порядка, имеющих кинетическое уравнение вида (II.14),  характерна линейная зависимость обратной концентрации от времени (рис. 2.4) и константа скорости равна тангенсу угла наклона прямой к оси времени: 

                           (II.19) 

                  (II.20)

   

Рис. 2.4  Зависимость обратной концентрации от времени для реакций

                         второго порядка

  

Если начальные концентрации реагирующих веществ Cо,А и Cо,В различны, то константу скорости реакции находят интегрированием уравнения (II.21), в котором CА и CВ – концентрации реагирующих веществ в момент времени t от начала реакции: 

                     (II.21) 

В этом случае для константы скорости получаем выражение  

            (II.22)

Размерность:

-реакции первого порядка 
 

-реакции второго  порядка 
 
 

2.Порядок и  молекулярность реакции.

2.1.Порядок химической реакции есть формально-кинетическое понятие, физический смысл которого для элементарных (одностадийных) реакций заключается в следующем: порядок реакции равен числу одновременно изменяющихся концентраций. В случае элементарных реакций порядок реакции может быть равен сумме коэффициентов в стехиометрическом уравнении реакции; однако в общем случае порядок реакции определяется только из экспериментальных данных и зависит от условий проведения реакции. Рассмотрим в качестве примера элементарную реакцию гидролиза этилового эфира уксусной кислоты (этилацетата), кинетика которой изучается в лабораторном практикуме по физической химии: 

СН3СООС2Н5 + Н2О   ––>   СН3СООН + С2Н5ОН 

Если проводить эту реакцию при близких концентрациях этилацетата и воды, то общий порядок реакции равен двум и кинетическое уравнение имеет следующий вид: 

                  (II.23) 

При проведении этой же реакции в условиях большого избытка одного из реагентов (воды или этилацетата) концентрация вещества, находящегося в избытке, практически не изменяется и может быть включена в константу скорости; кинетическое уравнение для двух возможных случаев принимает следующий вид: 

1) Избыток воды: 

                     (II.24) 

                                        (II.25) 

2) Избыток этилацетата: 

                                    (II.26) 

                    (II.27) 

В этих случаях мы имеем дело с т.н. реакцией псевдопервого порядка. Проведение реакции при большом избытке одного из исходных веществ используется для определения частных порядков реакции. 

2.1.2  Методы определения порядка реакции 

Проведение реакции в условиях, когда концентрация одного из реагентов много меньше концентрации другого (других) и скорость реакции зависит от концентрации только этого реагента, используется для определения частных порядков реакции – это т.н. метод избыточных концентраций или метод изолирования Оствальда. Порядок реакции по данному веществу определяется одним из перечисленных ниже методов. 

Графический метод заключается в построении графика зависимости концентрации реагента от времени в различных координатах. Для различных частных порядков эти зависимости имеют следующий вид:

  
 
 
 

Порядок реакции	Зависимость концентрации от времени
1.
2.
3.

 

  

Если построить графики этих зависимостей на основании опытных данных, то лишь одна из них будет являться прямой линией. Если, например, график, построенный по опытным данным, оказался прямолинейным к координатах lnC = f(t), то частный порядок реакции по данному веществу равен единице. 

Метод подбора кинетического уравнения заключается в подстановке экспериментальных данных изучения зависимости концентрации вещества от времени в кинетические уравнения различных порядков. Подставляя в приведённые в таблице уравнения значения концентрации реагента в разные моменты времени, вычисляют значения константы скорости. Частный порядок реакции по данному веществу равен порядку того кинетического уравнения, для которого величина константы скорости остаётся постоянной во времени.