Кинетика химических реакций (стр. 1 из 3)
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО КУРСУ "ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ"
ч. II
Содержание
1. Формулировка заданий
1.2 Работа 2 - Кинетика химических реакций
1.3 Работа 3 - Поверхностные явления
2. Решение задания 9 первого варианта
2.1 Работа 1
2.2 Работа 2
2.3 Работа 3
3. Исходные данные
1. Формулировка заданий
1.1 Работа 1 - Растворы электролитов
1. Растворы электролитов.
2. Кинетика химических реакций.
3. Поверхностные явления.
Рассчитать температуру замерзания водного раствора дихлоруксусной кислоты при ее концентрации Cm = 1,300, моль / кг если известно, что при ее концентрации С’m = 0,331, моль / кг величина электродного потенциала водородного электрода при 00Cи давлении водорода 101,3 кПа составляет E0 = - 0,066 B при расчете принять, что активности кислоты и ионов совпадают с их концентрациями, т.е. Cmi = ai.
Исходные данные находятся в колонках табл.3.1
1.2 Работа 2 - Кинетика химических реакций
Для реакции A + B → D начальные концентрации веществ Aи B равны и составляют
С0 (A) = С0 (B) = 1,00, моль / л (табл.3.2). Изменение концентрации веществ (Ci) во времени при различных температурах (Ti) находятся в стороне, соответствующе номеру задания.
Определить энергию активации (E), предэкспоненциальный множитель (K0) и время, за которое 60% веществ Aи B (табл.3.2) при температуре T5 = 395 K (табл.3.2) превратится в продукты реакции D.
1.3 Работа 3 - Поверхностные явления
При адсорбции некоторой кислоты из 200 мл водного раствора этой кислоты различных исходных концентраций C0,, i (табл.3.3) на 4 г активированного угля концентрация кислоты уменьшается до значений Ci (табл.3.3).
Установить, каким из уравнений (Лангмюра или Фрейндлиха-Зельдовича) описывается процесс адсорбции в данном случае. Найти постоянные в соответствующем уравнении, а также равновесную концентрацию раствора (C5) при такой же температуре, если исходная концентрация кислоты равна С0,5 = 0,56 моль / л (табл.3.3), а масса адсорбента - 4 г.
2. Решение задания 9 первого варианта
2.1 Работа 1
Рассчитать температуру замерзания водного раствора дихлоруксусной кислоты при ее концентрации Сm = 1,300, моль / кг, если известно, что при ее концентрации
С’m = 0,331, моль / кг величина электродного потенциала водородного электрода при 00С и давлении водорода 101,3 кПа составляет Е0 = - 0,066 В (при расчете полагать, что активности совпадают с концентрациями).
Решение
Дихлоруксусная кислота диссоциирует по уравнению:
CCl2COOH = Н+ + CCl2COO- (1)
Обозначив молекулу кислоты AH, запишем уравнение (1) в форме:
AH = H+ + A- (1’)
Понижение температуры замерзания раствора электролита определяется соотношением:
ΔT3 = i * Kk * Cm, (2)
где i - изотонический коэффициент; Kk - криоскопическая постоянная (для воды равна 1,86 кг * K / моль); Сm- концентрация электролита, моль / кг,
Таким образом, задача сводится к нахождению изотонического коэффициента для раствора кислоты моляльной концентрации Сm = 1,300 моль / кг.
Изотонический коэффициент связан со степенью диссоциации α уравнением:
i = 1 + α (K - 1) (3)
K - число ионов, на которое распадается молекула электролита (для нашей задачи K = 2).
Для раствора слабого электролита "AH" степень диссоциации определяет величину константы диссоциации Kd:
Kd = CH+ * CA - / CAH = Cm * α2/1 - α (4)
где CAH, CH+, CA - равновесные концентрации молекул кислоты и соответствующих ионов. Если известна концентрация ионов водорода СH+ и концентрация кислоты С’m, то по уравнению (4) рассчитываются величины Kdи α.
Концентрация ионов водорода в растворе (CH+) определяет величину электродного потенциала нестандартного водородного электрода.
При PH = 101,3 кПа
Е = (RT / F) lnCH+, (5)
где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж / моль * К;F - число Фарадея (96487 кул / г - экв). По уравнению (5) рассчитываем концентрацию водорода СH+ в 0,331 моляльном растворе дихлоруксусной кислоты при 00С:
lnСH+ = EF / RT = - 0,066 * 96487/8,31 * 273 = - 6368,142/2268,63 = - 2,807, CH+ = 0,060 г - ион / кг
В соответствии с уравнением (1’) концентрация ионов водорода СH+ равна концентрации анионов СA-; концентрация молекул кислоты САН определяется как разность между исходной концентрацией кислоты С’m и концентрацией ионов водорода:
СH+ = СA - = 0,060 г - ион / кг
CAH =С’m - CH\+ = 0,331 - 0,060 = 0,271 моль / кг.
По уравнению (4) рассчитываем Kd
Kd = CH+ * СA - / СAH = 0,060 * 0,060/0,271 = 1,33 * 10-2.
Полученное значение константы диссоциации слабой кислоты соответствует температуре замерзания чистой воды - 273,15 K; при незначительных изменениях температуры (несколько градусов) можно полагать Kd постоянной.
Рассчитаем по уравнению (4) степень диссоциации для раствора кислоты с концентрацией Сm = 1,300 моль / кг. Для этого решим уравнение (4) относительно α:
Cm * α2 + Kd * α - Kd = 0
1,3 * α2 + 1,33 * 10-2 * α - 1,33 * 10-2 = 0
D = b2 - 4ac = (1,33 * 10-2) 2 + 4 * 1,3 * 1,33 * 10-2 = 0,0693
α = 0,0962 (отрицательный корень, как не имеющий физического смысла выбрасываем).
В соответствии с уравнением (3) изотонический коэффициент
i = 1 + 0,0962 * (2 - 1) = 1,0962
Понижение температуры замерзания по уравнению (2) составит:
ΔТ3 = 1,0962 * 1,86 * 1,3 = 2,651 К.
Итак, температура замерзания 1,300 мольного раствора дихлоруксусной кислоты понизится на 2,651 Kпо сравнению с чистой водой и составит
Т3 = 273,150 - 2,651 = 270,499 К.
2.2 Работа 2
Для реакции A + B → D начальные концентрации веществ А и В равны и составляют
С0 (A) = C0 (B) = 1,00 моль /л. Изменение концентрации вещества A во времени при различных температурах представлено в табл.2.1
Определить энергию активации и время, за которое 60% вещества A при температуре
Т5 =395 К превратится в продукты реакции D.
Решение
Представим исходные данные в виде таблицы 2.1
Таблица 2.1. Изменение концентрации вещества A во времени при различных температурах
| Время, с | Текущая концентрация СA, моль / л | ||||
| 0 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
| 70 | 0,50 | 0,42 | 0,35 | 0,24 | ----- |
| 136 | 0,30 | ----- | ----- | ----- | ----- |
| 285 | 0,15 | ----- | ----- | ----- | ----- |
| Температура, K | 403 T1 | 406 T2 | 410 T3 | 417 T4 | 395 T5 |
Чтобы решить задачу, необходимо определить вид кинетического уравнения реакции, т.е. найти значения константы скорости реакции Ki для различных температур и порядок реакции "n".
Для случая, когда С0 (A) = C0 (B) кинетическое уравнение в дифференциальной форме имеет вид:
V = - dc / dτ = K * Cn, (6)
где V - скорость химической реакции; K - константа скорости;
С - текущая концентрация.
Интегрирование этого уравнения дает выражение:
Kτ = (1/n-1) (1/Сn-1-1/С0n-1) (7)
Зная порядок реакции "n", константу скорости "K" и исходную концентрацию С0, можно решить поставленную задачу.
Порядок реакции удобно определить графически (рис.1). Для этого по данным табл.2.1 построим кривую изменения концентрации исходного вещества во времени при T1 = 403 K.
Графически скорость реакции определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой в выбранной точке. Логарифмируя уравнение V = K * Cn, получим выражение
LnV = lnK + nlnC, (8)
т.е. в координатах "lnV - lnC" график представляет собой прямую, тангенс угла которой определяет порядок реакции (рис.2). Для построения этого графика найдем пять значений скорости при произвольно выбранных концентрациях, моль / л:
C1 = 0,7; С2 = 0,6; С3 = 0,5; С4 = 0,4; С5 = 0,3.
В качестве примера на рис.1 проведена касательная к точке при С4 = 0,4 моль / л, тангенс угла наклона ее к оси абсцисс равен 0,7/236 = 2,97 * 10-3 моль / л * с.
Аналогично определяем скорость и в других выбранных точках.
C1 = 0,7 моль / л0,9/136 = 6,62 * 10-3 моль / л * с
С2 = 0,6 моль / л0,9/159 = 5,66 * 10-3 моль / л * с
С3 = 0,5 моль / л0,8/197 = 4,06 * 10-3 моль / л * с
С5 = 0,3 моль / л0,5/285 = 1,75 * 10-3 моль / л * с
Полученные данные сведем в табл.2.2
Таблица 2.2. Скорость реакции Vi при концентрациях Ci
| Ci, моль / дм3 | 0,7 | 0,6 | 0,5 | 0,4 | 0,3 |
| Vi * 103моль / л * с | 6,62 | 5,66 | 4,06 | 2,97 | 1,75 |
| lnCi | -0,357 | -0,511 | -0,693 | -0,916 | -1, 204 |
| lnVi | -5,02 | -5,17 | -5,51 | -5,82 | -6,35 |
По данным табл.2.2 строим график в координатах "lnV - lnC" (рис.2), представляющей прямую. Значение "n", равное тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс tgα, казалось равным - 0,65/0,4 = 1,625 ≈ 2.