Электрохимия и химическая кинетика
Вычисление скорости омыления эфира при заданной константе для химической реакции. Определение активации реакции и построение графиков зависимости удельной и эквивалентной электрической проводимости растворов. Гальванический элемент и изменение энергии.
Рубрика | Химия |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 13.12.2010 |
Размер файла | 132,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Курсовая работа
по физической химии
«Электрохимия и химическая кинетика»
Вариант № 9
Задача 1
Для реакции дана константа скорости омыления - К. Вычислить время, необходимое для омыления эфира, взятого в объёме V1 и концентрации С1 (н), если для омыления к указанному количеству эфира добавить:
а) V1 (м3) С1 (н) раствора NaOH;
б) V2 (м3) С2 (н) раствора NaOH;
в) V3 (м3) С3 (н) раствора NaOH
для случая, когда прореагируют 10, 20, 30, … N % эфира.
Построить графики зависимостей скорости реакции (степени превращения) от времени. Сделать вывод о влиянии исходной концентрации щелочи на скорость реакции.
К |
V1 |
V2 |
V3 |
C1 |
C2 |
C3 |
N |
|
5.31 |
0.25 |
0.30 |
0.20 |
0.20 |
0.50 |
0.15 |
60 |
|
Решение.
а) Считая указанную реакцию, реакцией II порядка, выразим из соответствующего кинетического уравнения время:
(1)
для случая, когда исходные концентрации обоих реагентов равны.
Поскольку исходная концентрация эфира равна: С0=0,20, то для моментов времени, когда прореагирует 10, 20, 30 … 60% эфира, его концентрация будет составлять:
.
Тогда представим эти концентрации в виде таблицы:
N, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
Ci |
0.18 |
0.16 |
0.14 |
0.12 |
0.1 |
0.08 |
|
Тогда соответственно время (рассчитанное по формуле 1), затрачиваемое на реакцию:
Ci |
0.18 |
0.16 |
0.14 |
0.12 |
0.1 |
0.08 |
|
0.102 |
0.235 |
0.404 |
0.628 |
0.942 |
1.412 |
||
Степень превращения эфира равна:
Получим ряд значений степени превращения в соответствующие моменты времени:
0.102 |
0.235 |
0.404 |
0.628 |
0.942 |
1.412 |
||
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
||
б) В этом случае исходные концентрация и объём эфира неодинаковы, поэтому необходимо воспользоваться кинетическим уравнением реакции II порядка для случая, когда вещества взяты в различных концентрациях:
(2)
где a - исходная концентрация эфира;
b - начальная концентрация щелочи;
x - кол-во прореагировавшего эфира;
Поскольку общий объём смеси равен V0=V1+V2=0.25+0.30=0.55, то начальные концентрации эфира и щелочи будут, соответственно, равны:
;
.
Тогда: .
Для значений N=10…60% получим:
N, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
0,0091 |
0,018 |
0,027 |
0,036 |
0,046 |
0,055 |
||
Подставляя полученные значения а, b и х в уравнение (2), получаем время, необходимое для того, чтобы прореагировало количество эфира, равное х:
0,0091 |
0,018 |
0,027 |
0,036 |
0,046 |
0,055 |
||
0,074 |
0,16 |
0,26 |
0,381 |
0,529 |
0,717 |
||
Степень превращения эфира будет равна: ,
тогда:
0,074 |
0,16 |
0,26 |
0,381 |
0,529 |
0,717 |
||
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
||
в) Аналогично, поскольку исходные концентрации (и объёмы) реагентов не равны между собой, воспользуемся уравнением (2) для расчета времени реакции:
Общий объём реакционной смеси в этом случае равен: V0=V1+V3=0.25+0.20=0.45
Тогда:
;
.
Тогда: .
Для значений N=10…60% получим:
N, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
0,011 |
0,022 |
0,033 |
0,044 |
0,056 |
0,067 |
||
Время реакции (согласно формуле 2):
0,092 |
0,202 |
0,337 |
0,509 |
0,739 |
1,073 |
||
Степень превращения эфира будет равна:
, тогда:
0,092 |
0,202 |
0,337 |
0,509 |
0,739 |
1,073 |
||
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
||
По данным рассчитанных значений времени и степени превращения для каждого из трёх случаев, построим графики зависимости :
Как видно из графиков и приведенных выше расчетов, наименьшее время, требуемое на реакцию, достигается при добавлении щёлочи объёмом, большим исходного объёма эфира и с концентрацией, большей концентрации эфира. Если объём и концентрация щёлочи будут меньше объёма и концентрации эфира, то на реакцию потребуется большее количество времени, при той же степени превращения. Набольшее же время требуется в случае, когда исходные концентрации и объёмы щелочи и эфира одинаковы.
Для построения графика зависимости скорости реакции от времени, найдём скорость реакции омыления эфира в соответствующие моменты времени, применяя кинетическое уравнение для реакции II порядка:
Получим значения скоростей:
· Для случая а):
0,212 |
0,172 |
0,136 |
0,104 |
0,076 |
0,053 |
0,034 |
||
0 |
0.102 |
0.235 |
0.404 |
0.628 |
0.942 |
1.412 |
||
· Для случая б):
;
.
СА |
0,091 |
0,082 |
0,073 |
0,064 |
0,055 |
0,045 |
0,036 |
|
СВ |
0,273 |
0,264 |
0,255 |
0,246 |
0,237 |
0,227 |
0,218 |
|
0,1319 |
0,1148 |
0,0988 |
0,0836 |
0,0692 |
0,0542 |
0,0417 |
||
0 |
0,074 |
0,16 |
0,26 |
0,381 |
0,529 |
0,717 |
||
· Для случая в):
СА |
0,111 |
0,1 |
0,089 |
0,078 |
0,067 |
0,055 |
|
СВ |
0,0667 |
0,0557 |
0,0447 |
0,0337 |
0,0227 |
0,0107 |
|
0,0393 |
0,0296 |
0,0211 |
0,014 |
0,0081 |
0,0031 |
||
0 |
0,092 |
0,202 |
0,337 |
0,509 |
0,739 |
||
По данным сводных таблиц, построим графики зависимостей скорости реакции от времени.
Как видно из анализа графиков и расчётов скорости реакции в каждом из трёх случаев, наибольшая скорость реакции достигается в случае равных объёмов и концентраций исходных реагентов, меньшая скорость - в случае, когда объём и концентрация у щелочи, больше чем у эфира, наименьшая скорость - при условии, что щелочи добавляется меньше, чем эфира, и её концентрация меньше, чем у эфира.
Задача 2
По значениям констант скоростей К1 и К2 при двух температурах Т1 и Т2 определить:
1) Энергию активации указанной реакции;
2) Константу скорости реакции при температуре Т3;
3) Температурный коэффициент скорости; определить подчинённость правилу Вант-Гоффа;
4) Израсходованное количество вещества за время , если исходная концентрация равна С0;
5) Период полураспада.
Принять, что порядок реакции и молекулярность совпадают.
К1=0,00203;
К2=0,000475;
Т1=298 К;
Т2=288 К; Т3=338 К;
;
С0=0,93 моль/л.
Решение.
Приняв, что молекулярность реакции и ее порядок совпадают, будем считать, что данная реакция есть реакция II порядка, поскольку в ее элементарном акте участвуют две молекулы.
1. Согласно уравнению Аррениуса:
, выразив откуда энергию активации, получим:
, подставляя заданные значения констант и температур, найдём:
Дж/моль;
2. Выразим из уравнения Аррениуса константу скорости реакции:
, получим: .
3. Согласно уравнению Вант-Гоффа:
, откуда температурный коэффициент равен:
Как видно, температурный коэффициент изменяется и не принадлежит интервалу от 2 до 4, из этого можно сделать вывод о несоответствии реакции правилу Вант-Гоффа.
4. Применяя кинетическое уравнение реакции II порядка, можно найти количество вещества, которое было израсходовано за время :
, откуда: - текущая концентрация эфира.
Тогда найдем, сколько вещества прореагировало:
· при температуре 288 К:
;
· при температуре 298 К:
;
· при температуре 338 К:
.
5. Для нахождения периода полураспада воспользуемся следующей формулой (принимая порядок данной реакции - второй):
Тогда, пользуясь этой формулой, найдём период полураспада при каждой из трёх температур: 288, 298, 338 К, подставив соответствующие константы скорости:
· при температуре 288 К:
;
· при температуре 298 К:
;
· при температуре 338 К:
.
Задача 3
Используя данные о свойствах растворов вещества А в воде:
а) построить графики зависимости удельной и эквивалентной электрических проводимостей растворов вещества А от разведения V;
б) проверить, подчиняются ли растворы вещества А закону разведения Ост-вальда;
Вещество А: NH4OH.
Зависимость сопротивления r раствора вещества А от концентрации с при 298 К:
с, моль/л |
r, Ом?м, для вещества А |
|
0,1 |
2,55 |
|
0,05 |
10,3 |
|
0,03 |
14,5 |
|
0,01 |
25,8 |
|
0,005 |
100 |
|
0,003 |
143 |
|
0,001 |
251 |
|
Решение.
а) Удельная электрическая проводимость, по определению, равна:
ж,
Разведение (разбавление) есть величина, обратная концентрации, т.е.:
.
Используя эти зависимости, получим ряд значений удельной электрической проводимости и разведения:
ж |
0,392 |
0,097 |
0,069 |
0,0388 |
0,01 |
0,006993 |
0,003984 |
|
V |
10 |
20 |
33,3 |
100 |
200 |
333,3 |
1000 |
|
Полученные значения можно использовать для построения графика зависимости удельной электрической проводимости от разведения:
Зная зависимость эквивалентной эл. проводимости от разведения и удельной проводимости, можно рассчитать значения лV и построить график зависимости лV=f(V):
ж 1?10-3?жV
лV?103 |
3.922 |
1.942 |
2,299 |
3,88 |
2 |
2,331 |
3,99 |
|
V |
10 |
20 |
33,3 |
100 |
200 |
333,3 |
1000 |
|
б) Проверим, подчиняются ли растворы вещества А закону разведения Оствальда:
,
где степень диссоциации ; причем значение
м2/Ом?моль - из справочника.
Тогда:
0,144 |
0,071 |
0,085 |
0,142 |
0,074 |
0,086 |
0,146 |
||
лV?103 |
3.922 |
1.942 |
2,299 |
3,88 |
2 |
2,331 |
3,99 |
|
Kд?104 |
24,3 |
2,74 |
2,34 |
2,37 |
0,292 |
0,241 |
0,251 |
|
С |
0,1 |
0,05 |
0,03 |
0,01 |
0,005 |
0,003 |
0,001 |
|
Сравнивая полученные значения константы диссоциации с ее табличным значением, равным 1,77?10-5, приходим к выводу, что растворы NH4OH практически не подчиняются закону разведения Оствальда.
Задача 4
Для реакции, протекающей обратимо в гальваническом элементе, дано уравнение зависимости ЭДС от температуры. При заданной температуре вычислить ЭДС Е, изменение энергии Гиббса ДG, изменение энтальпии ДН, изменение энтропии ДS, изменение энергии Гельмгольца ДА и теплоту Q, выделяющуюся или поглощающуюся в этом процессе. Расчет провести для 1 моль реагирующего вещества.
Т=273 К; ;
Зависимость ЭДС
от Т:
Решение.
Имея зависимость E=f(T), можно рассчитать ЭДС при указанной температуре, подставив ее в это уравнение:
Изменение энтропии связано с температурой следующим соотношением:
,
найдем производную зависимости E=f(T) по температуре (температурный коэффициент ЭДС гальванического элемента):
.
Очевидно, значение ДS не зависит от температуры и определяется лишь числом передаваемых электронов:
Дж/К.
Изменение энергии Гиббса равно:
кДж.
Найдём изменение энтальпии по формуле:
кДж.
Поскольку изменение энергии Гельмгольца равно
,
то кДж/моль.
Найдём теплоту, которая выделяется (или поглощается) при работе гальванического элемента:
кДж.
Как видно из вышеприведённых расчетов, при работе гальванического элемента, выделяется 2,139 кДж (в расчёте на 1 моль) теплоты (экзотермическая реакция), на что указывает и знак температурного коэффициента ЭДС. Таким образом, в адиабатических условиях, элемент работает с нагреванием.
Подобные документы
Определение константы равновесия реакции. Вычисление энергии активации реакции. Осмотическое давление раствора. Схема гальванического элемента. Вычисление молярной концентрации эквивалента вещества. Определение энергии активации химической реакции.
контрольная работа [21,8 K], добавлен 25.02.2014Описание принципа действия гальванического элемента как устройства превращения энергии химической реакции в электрическую энергию. Электродный потенциал растворов и электрохимический ряд напряжения металлов. Электролиз растворов, аккумуляторы и батареи.
презентация [1,1 M], добавлен 16.01.2015Изменение скорости химической реакции при воздействии различных веществ. Изучение зависимости константы скорости автокаталитической реакции окисления щавелевой кислоты перманганатом калия от температуры. Определение энергии активации химической реакции.
курсовая работа [270,9 K], добавлен 28.04.2015Химическая кинетика-наука о скоростях, механизмах химических превращений, о явлениях, сопровождающих эти превращения, о факторах, влияющих на них. Скорость, константа скорости, порядок и молекулярность химической реакции. Закон химической кинетики.
реферат [94,9 K], добавлен 26.10.2008Определение содержания химической кинетики и понятие скорости реакции. Доказательство закона действующих масс и анализ факторов, влияющих на скорость химических реакций. Измерение общей энергии активации гомогенных и гетерогенных реакций, их обратимость.
презентация [100,2 K], добавлен 11.08.2013Понижение температуры замерзания раствора электролита. Нахождение изотонического коэффициента для раствора кислоты с определенной моляльной концентрацией. Определение энергии активации и времени, необходимого для химической реакции между двумя веществами.
курсовая работа [705,4 K], добавлен 26.10.2009Составление ионных уравнений реакции. Определение процентной доли компонентов сплава. Вычисление изменения энергии Гиббса для химической реакции. Построение диаграммы состояния систем висмут-теллур. Определение состояния однокомпонентной системы.
контрольная работа [552,6 K], добавлен 09.12.2009Исследование формальной кинетики процесса пиролиза углеводородов. Метод полуревращения как интегральный метод определения частного порядка реакции. Определение энергии активации. Уравнение Аррениуса. Определение порядка реакции интегральным методом.
лабораторная работа [1,5 M], добавлен 09.05.2014Скорость химической реакции как количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объема (для гомогенных) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных). Факторы, влияющие на нее.
лабораторная работа [29,8 K], добавлен 04.11.2015Скорость химической реакции. Понятие про энергию активации. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля. Влияние температуры, давления и объема, природы реагирующих веществ на скорость химической реакции.
курсовая работа [55,6 K], добавлен 29.10.2014