Дипломная работа: Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии
т.е. t1|2 (A)¹ t1|2 (B).
4. Реакции третьего порядка. Кинетика
реакции третьего порядка n=3 типа
2А + В ® Р1+ Р2 +
… 3А ®
Р1+ Р2 + …, А + В + С ® Р1+ Р2 +
…
при равных начальных концентрациях описывается
уравнением
w=
t1|2=
Для реакции А + В + С ® Р + …,если СА,0 ¹ СВ,0¹СС,0
кинетическое уравнение примет вид
w=
II. Выражение (1.3.1)
записано для фиксированной температуры. Для приближенной оценки изменения
скорости широко используется эмпирическое правило Вант-Гоффа, в соответствии с
которым скорость химической реакции становится в 2-4 раза больше при повышении
температуры на каждые 10°C. В математической форме зависимость изменения
скорости реакции от температуры выражается уравнением
 (1.3.4)
 — скорость реакции при
повышенной температуре Т2,
 - скорость реакции при
начальной температуре Т1; γ —температурный коэффициент
скорости, показывающий, во сколько раз увеличится скорость реакции при
повышении температуры на 10°С (2-4). Это позволяет предположить, что между
скоростью реакции и температурой должна существовать экспоненциальная зависимость.
Точное соотношение между скоростью реакции и температурой установил шведский
химик Аррениус в 1899 г. Это соотношение, получившее название уравнение Аррениуса,
имеет вид
 (1.3.5)
где k – константа скорости
реакции; А — постоянная, характеризующая каждую конкретную реакцию
(константа Аррениуса, или «предэкспонента»);
Еa — постоянная,
характерная для каждой реакции и называемая энергией активации, Дж; R
— универсальная газовая постоянная Дж/(К*моль);
Т — температура, К.
Подчеркнем, что это уравнение связывает
температуру не со скоростью реакции, а с константой скорости. Приведем
уравнение Аррениуса для двух температур
III. Одно из наиболее сильных
средств влияния на скорость реакции — присутствие в реагирующей системе
катализатора - вещества, которое усиливают (а иногда и понижают - тогда его
называют ингибитором) скорость химической реакции, но само не расходуется в
этом процессе.
Примеры решения задач
1. Во сколько раз увеличится скорость
химической реакции при повышении температуры с 0 до 50°С, принимая
температурный коэффициент скорости равным трем?
Решение:
В математической форме
зависимость изменения скорости реакции от температуры выражается уравнением
 = γ
Температура увеличивается на 50°С, а γ = 3.
Подставляя эти значения, получим  = 3 = 243
Ответ: скорость увеличится в 234 раза.
2. Для реакции первого порядка А→2В определите
время за которое прореагировало на 90% вещества А. Константа скорости реакции
1*10-4 с-1.
Решение:
А → 2В
 ;  ;
C0,A- CA=0,9 C0,A
CA = 0,1 C0,A
k1t = lnC0,A-
lnCA
 Ответ: 64 ч.
3. Как изменится скорость реакции 2А+В2
 2АВ, протекающей и
закрытом сосуде, если увеличить давление в 4 раза?
Решение:
По закону действия масс скорость химической
реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих
веществ: w= . Увеличивая в сосуде
давление, мы тем самым увеличиваем концентрацию реагирующих веществ. Пусть начальные
концентрации А и В равнялись [А] =а,
[В]=b. Тогда w=ka2b. Вследствие увеличения
давления в 4 раза увеличились концентрации каждого из реагентов тоже в 4 раза и
стали [A]=4a, [B]=4b.
При этих концентрациях w1 =k(4а)2 *4b = k64а2b.
Значение k и обоих случаях одно и то же. Константа скорости для данной
реакции есть величина постоянная, численно равная скорости реакции при молярных
концентрациях реагирующих веществ, равных 1. Сравнивая w и w1, видим, что скорость
реакции возросла в 64 раза. Ответ: скорость реакции возросла в 64 раза.
4. Энергия активации некоторой реакции в
отсутствие катализатора равна
76 кДж/моль и при температуре 27°С протекает с
некоторой скоростью k1. В присутствии катализатора при этой же
температуре скорость реакции увеличивается в 3,38 • 104 раз.
Определите энергию активации реакции в присутствии катализатора.
Решение:
Константа скорости реакции в отсутствие
катализатора запишется в виде
 = Ае  = Ae-30,485.
Константа скорости реакции в присутствии
катализатора равна
 = Ае  = Ае .
По условию задачи
 =e – (- 30,485- )=3,38
* 104.
Логарифмируем последнее уравнение и получаем
30,485 - = 1n(3,38*104) =
10,43.
Отсюда Еа = 2493 • 20,057 = 50
кДж/моль.
Ответ: энергия активации реакции в присутствии
катализатора равна 50 кДж/моль.
Задачи для самостоятельного решения
1. За какое время пройдет реакция при 60◦С,
если при 20◦С она заканчивается за
40 с, а энергия активации 125,5 кДж/моль?
2. В загрязненном воздухе содержится примесь
монооксида углерода, который образуется при неполном сгорании твердого топлива
и работе двигателей внутреннего сгорания. Монооксид углерода медленно
окисляется кислородом воздуха до диоксида углерода. Допустим, что при
определенных условиях скорость такой реакции составляет 0,05 моль/л*с, а
концентрация диоксида углерода равна 0,2 моль/л*с. Рассчитайте концентрацию
диоксида углерода через 10 с после указанного момента.
3. Один из важных видов сырья для органического
синтеза — так называемый водяной газ, представляющий собой смесь водорода и
монооксида углерода. Эту смесь получают при пропускании водяного пара через
башни, наполненные раскаленным углем. Из водяного газа получают метанол,
формальдегид и другие вещества. Рассчитайте значение константы скорости реакции
получения водяного газа, если при концентрации водяного пара, равной 0,03 моль/л
скорость реакции составляет 6,1 • 10 -5 моль/л*с.
4. В реакции А + В → С с общим порядок равным
1, k1 = 5*10-5 c-1 Определите концентрации
веществ А и В и скорость через 1 час и через 5 ч, если начальная концентрации А
составляет 0,2 моль/л.
5. Причиной появления опасного для здоровья тумана
(смога) считают образование большого количества выхлопных газов автомобилей при
высокой влажности воздуха. В смоге присутствует ядовитый диоксид азота, который
получается при реакции монооксида азота с атомарным кислородом. Рассчитайте
скорость этой реакции, если через 5 мин после начала наблюдений концентрация
диоксида азота была равна 0,05 моль/л, а через 20 мин - 0,08 моль/л.
6. Уравнение реакции омыления уксусноэтилового
эфира:
СН2СООС2Н5 +
NаОН = СН3СООNa+ С2Н5ОН
Исходные концентрации реагирующих веществ до
начала реакции были: [СН3СООС2Н5] =0,50
моль/л, [NаОН] = 0,25 моль/л. Определить, как и во сколько раз изменится
скорость реакции в момент, когда концентрация [СН3СООС2Н5]
стала равной 0,30 моль/л.
7. Атмосферные загрязнения, например фторированные
и хлорированные углеводороды — фреоны (СС13F, СС12F2,
СС1F3), разрушают защитный озоновый слой Земли. Фреоны химически
стабильны в нижних слоях атмосферы, но в стратосфере под действием
ультрафиолетового излучения Солнца разлагаются, выделяя атомарный хлор, который
и взаимодействует с озоном. Рассчитайте скорость такой реакции с образованием
кислорода и монооксида хлора, если через 15 с после начала реакции молярная
концентрация озона была 0,30 моль/л, а через 35с (от начала реакции) стала
равна 0,15 моль/л.
8. За реакцией дегидрирования бутана, протекающей по
уравнению
С4Н10 → С4Н8
+ Н2 при температуре 800 К, следили по объему реагирующих газов,
занимаемому ими при давлении 101 кПа и 293 К. Объем реактора 0,2 л, скорость
протекания реакции равна 1,33 • 10-2 кПа/с. Рассчитайте, через какое
время после начала реакции изменение объема достигнет 0,01 л.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 |
