Практическая работа 2

Тема: Решение задач по определению кинетики сложных химических реакций различного порядка

Цель: Научиться решать задачи по определению кинетики сложных химических реакций различного порядка

Теоретические основы

    Химическая кинетика изучает скорость и механизм протекания химических реакций, а также зависимость скорости от различных факторов. О скорости химических реакций судят по изменению концентраций реагирующих веществ в единицу времени.

     Скорость для мономолекулярной реакции (реакция первого порядка)

W= = k(a – x),                                                                                                   (1)

откуда после интегрирования получим

k = lg,                                                                                                    (2)

     Скорость для бимолекулярной реакции (реакция второго порядка)

W== k(a – x)(в – х),                                                                                        (3)

откуда после интегрирования получим

k =lg,                                                                                              (4)

где a - начальная концентрация первого вещества; в – начальная концентрация второго вещества; х – количество вещества, вступившее в реакцию к моменту времени от начала опыта.

     Если начальные концентрации веществ одинаковы, т.е. С₁=С₂, то

W== k(a – x)²                                                                                                 (5)

откуда после интегрирования получим

k = ·                                                                                                      (6)

     Иногда о скорости химической реакции судят по величине периода половины превращения t_1/2, который выражается временем, в течение которого претерпевает превращение половина взятого вещества. Для t_1/2    х = a/2, тогда формулу (2) можно записать так:

      2,303

k = ¾¾  ·lg 2,                                                                                                   (7)

       t_1/2   

откуда

t_1/2  = lg2        или  t_1/2 =                                                                  (8)

     На скорость химических реакций существенное влияние оказывает даже незначительное изменение температуры. Соотношение

k_t+10/k_t =                                                                                                            (9)

называется температурным коэффициентом скорости реакции, где k – константы скорости при температурах t + 10 и t⁰С.

На основании (9) можно записать, что

k_t2/k_t1=                                                                                                     (10)

Логарифмируя (10), получим

lg(k_t2/k_t1) = lgg,                                                                                          (11)

где k_t1 и k_t2 – константы скорости при температурах t₁ и t₂.

Более точная зависимость константы скорости от температуры выражается уравнением Аррениуса

               k_T2              Е_акт        1         1

2,303 lg  ¾    =   ¾¾   (   ¾   -   ¾   ),                                                                                             (12)

               k_T1         R            Т₁          Т₂

где k_T1 и k_T2 – константы скорости реакции при температурах Т₁ и Т₂ (К);   Е_акт – энергия активации данной реакции, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, R= 8,31Дж/(моль·К).

     Реакции бывают первого, второго , третьего и дробного порядков. Порядок определяется опытным путем. Константа скорости для реакции первого порядка должна оставаться постоянной в течение любого промежутка времени.

Варианты заданий:

Порядок выполнения работы

Решить следующие задачи:

Задача 1.  Подсчитать константу скорости омыления уксусноэтилового эфира:

СН₃СООС₂Н₅ + NаОН →СН₃СООNа + С₂Н₅ОН

если: а) эта реакция второго порядка, б) исходные концентрации эфира и щелочи по 16 моль/дм³, в) через 5 мин в результате реакции концентрация каждого из них понизилась до 10,24 моль/дм³.

Задача 2. Перекись водорода, начальная концентрация которой равна 25,4 моль/дм³, разлагается в присутствии катализатора. Через 15 минут в растворе осталось перекиси водорода 9,83 моль/дм3, а через 30 минут – 3,81моль/дм³. Определить порядок реакции.

3адача 3. Константа мономолекулярной реакции равна 0,0635 мин^-1. Подсчитать полупериод «жизни» продуктов реакции.

Задача 4. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций                     2NO + O₂↔2NO₂ при увеличении давления в три раза при постоянной температуре?

Задача 5. Во сколько раз увеличится скорость растворения железа в 5%-ной соляной кислоте при повышении температуры с 18 до 32⁰С, если температурный коэффициент скорости растворения равен 2,8?

Задача 6. Константа скорости омыления этилового эфира уксусной кислоты едким натром при 10⁰С 2,38. Определить время (мин), необходимое для омыления 90% уксусноэтилового эфира, если смешать при 10⁰С 1л 0,05н. раствора эфира с 1л 0,05н. NаОН.

Задача 7. Во сколько раз увеличится скорость прямой реакции                    2SO₂ + O₂ ↔2SO₃, протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 5 раз без изменения температуры?

Задача 8. Константа скорости омыления этилацетата едким натром при 9,4⁰ С равна 2,37, а при 14,4⁰ С – 3,204. Рассчитать температурный коэффициент скорости реакции в указанном интервале температур и энергию активации.

Задача 9. Перекись водорода, начальная концентрация которой равна 48,6 моль/дм³, разлагается в присутствии катализатора. Через 20 минут в растворе осталось перекиси водорода 25,5 моль/дм3, а через 30 минут –   10,5 моль/дм³. Определить порядок реакции.

Задача 10. Разложение оксида азота (Ι) на поверхности золота при высоких температурах протекает по уравнению N₂O ↔ N₂ + O. Константа скорости реакции при 900⁰С 5·10^-4. Начальная концентрация N₂O 3,2 моль/л. Определить скорость реакции при указанной температуре в начальный момент времени и когда произойдет разложение 78% начального количества оксида.

Задача 11. Константа скорости омыления этилового эфира уксусной кислоты едким натром при 10⁰С 4,56. Определить время (мин), необходимое для омыления 90% уксусноэтилового эфира, если смешать при 10⁰С 1л 0,05н. раствора эфира с 1л 0,1н. NаОН.

Задача 12. Константа мономолекулярной реакции равна 0,0826 мин^-1. Подсчитать полупериод «жизни» продуктов реакции.

Задача 13. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций                     2NO + O₂↔2NO₂ при увеличении давления в шесть раз при постоянной температуре?

Задача 14. Реакция разложения перекиси водорода в водном растворе протекает как реакция первого порядка. Период половины превращения Н₂О₂ при заданных условиях равен 15,86 мин. Определить, какое время потребуется для разложения (при тех же условиях) 99% Н₂О₂.

Задача 15. Кинетическое уравнение имеет вид W = kCC во сколько раз увеличится скорость реакции, если увеличить концентрацию реагента А в четыре раза или если увеличить концентрацию реагента В в четыре раза?

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение скорости химической реакции.

2. Как определяют константу скорости для реакций первого порядка?

3. Как определяют константу скорости для реакций второго порядка?

4. Как определяют период половины превращения?

5. Какое влияние оказывает на скорость химических реакций температура?