78332

Методы определения порядка реакции

Реферат

Физика

Основным условием в данном методе является независимость константы скорости от времени протекания реакции. Пусть при изучении скорости протекания реакции мы имеем следующие данные убыли концентрации исходного вещества...

Русский

2015-02-07

368.5 KB

13 чел.

Методы определения порядка реакции.

I. Метод подстановки.

Основным условием в данном методе является независимость константы скорости от времени протекания реакции: k.

Пусть при изучении скорости протекания реакции мы имеем следующие данные убыли концентрации исходного вещества:

0

   5 10

    10

15

c

c

  c

c

c

Экспериментальные данные подставляются в одно из известных кинетических уравнений и критерием правильности выбранного уравнения является постоянство константы скорости во времени.

n=0     k=

n=1     k=

n=2     k=

n=3     k=

Методом подстановки можно определить порядок реакции, если он имеет целочисленное значение.

II. Графический метод.

Здесь также основным условием является независимость константы скорости от времени протекания реакции: k.

Зависимость концентрации от времени для реакций различных порядков может быть выражена прямой линией, если выбрать соответствующую систему координат.

Уравнение прямой выглядит следующим образом: y=ax+в, где в – это постоянная, равная тангенсу угла наклона этот прямой: в=tg.

Например, n=1 (реакция первого порядка)

k =;

k= lnc- lnc;

lnc = lnc-k.

Это уравнение будет уравнением прямой в координатах lnc(), когда k не будет зависеть от . Из графика легко определяется константа скорости реакции:

tg=k=

Таким образом, смотря в каких координатах зависимости концентрации от времени мы получим прямую, такой порядок имеет химическая реакция.

III. Метод половинного превращения.

Этот метод основан на том, что время полупревращения для реакций различного порядка по-разному зависит от начальной концентрации реагентов: .

n=0: . Для реакций нулевого порядка время полупревращения прямо пропорционально начальной концентрации реагента.

n=1: ;  . Для реакций первого порядка время полупревращения не зависит от начальной концентрации реагента.

n=2: . Для реакций второго порядка время полупревращения обратно пропорционально начальной концентрации реагента.

n=3: . Для реакций третьего порядка время полупревращения обратно пропорционально квадрату начальной концентрации реагента.

В общем случае время полупревращения равно:

n1          (1) ; (2)

Прологарифмируем уравнения (1) и (2) и получим:

Таким образом, строя зависимость  от lnc, по тангенсу угла наклона можно определить порядок реакции.                     

tg

IV. Метод Вант-Гоффа.

Этот метод позволяет определить дробный порядок реакции.

Метод Вант-Гоффа заключается в следующем. Проводится два опыта, в которых начальные концентрации вещества, по которому определяется порядок реакции, равны c и c (концентрации других веществ во много раз больше). Тогда скорости реакции в первом и втором опытах будут равны:

;; nпорядок реакции.

;

Поделим эти уравнения и получим:

n=

Для решения этого уравнения необходимо найти значения скоростей в момент времени  и .

Скорости определяют графически из наклона касательной в точке соответствующей кинетической кривой.

V. Метод избытков Оствальда (метод понижения порядка реакции).

С помощью этого метода определяется частный порядок по одному или нескольким веществам вследствие понижения общего порядка, т.к. взят избыток одного из реагентов. Частный порядок определяется четырьмя выше перечисленными методами. Например, процесс инверсии сахарозы в водном растворе представим следующим образом:

C

           избыток

Порядок этой реакции должен быть вторым, но избыток реагента – воды приводит к тому, что ее концентрацию можно принять равной единице (С.

Экспериментально определенный порядок этой реакции – первый (.

Рассмотрим реакцию +BP

                                          

Сначала в избытке возьмем вещество А. Тогда скорость реакции будет пропорциональна только концентрации вещества В, поэтому  можно определить порядок по веществу В ().

Затем в избытке возьмем вещество В. Тогда скорость реакции будет пропорциональна только концентрации вещества А, поэтому можно определить порядок по веществу А (.

А+                                              общий порядок будет равен сумме порядков

    n                                     по отдельным компонентам (

Пример. Приведем пример определения порядка реакции превращения цианата аммония в карбамид (мочевину) NHCNO по времени полупревращения , который в зависимости от исходной начальной концентрации изменяется следующим образом:

C, моль/л 0,05     0,10 0,20

, ч 37,03       19,15 9,45

Рассчитаем константу скорости реакции для первого порядка, используя время полупревращения.

;                 =

n=1                           

                                

Реакция не первого порядка, т.к. константа скорости монотонно возрастает.

Рассчитаем константу скорости реакции второго порядка.

k=;   k=

n=2                k

                     k

Так как константа скорости почти постоянна, можно считать, что это реакция второго порядка.

Кинетика сложных химических реакций.

Сложными называются реакции, состоящие из нескольких простых. Все многообразие сложных реакций можно свести к различным комбинациям простых (элементарных) реакций. Суммарное кинетическое уравнение таких реакций обычно содержит несколько констант скоростей. Типичными сложными реакциями являются обратимые, параллельные, последовательные и сопряженные реакции.

1. А+ВС   обратимые

2. А      параллельные

3. А    последовательные

4. А       сопряженные, т.е. одна реакция не идет без другой

   А

1. Кинетика обратимых реакций.

Обратимыми называются реакции, которые протекают одновременно в двух противоположных направлениях. Наиболее простой тип обратимых реакций – это обратимые реакции первого порядка:   АВ

Обозначим,  начальная концентрация исходного вещества А: C;

концентрация продукта В в момент времени ;

концентрация исходного вещества А в момент времени , т.к. в реакции данного типа исчезновение определенного количества молекул вещества А вызывает образование точного такого же количества молекул вещества В.

Воспользуемся постулатами химической кинетики: 

I постулат – если протекает одновременно несколько реакций, то каждая из них независима от остальных.

Концентрация продукта В изменяется как за счет прямого, так и обратного процесса.

Поэтому dx=dx+dx, где

dx– изменение концентрации вещества В в результате прямой реакции;

dx– изменение концентрации вещества В в результате обратной реакции.

Напишем кинетические уравнения прямой и обратной реакции, используя концентрацию продукта В:

Скорость суммарной реакции равна:

Разделим переменные, проинтегрируем это выражение и получим:

(*)

При равновесии, когда скорость прямой и обратной реакции равны (, dx/,

тогда , где - концентрация продукта В при равновесии.

Тогда уравнение (*) запишется в виде:

(**)

Совместно решая уравнения (*) и (**), получим:

k=

Таким образом, для расчета скорости обратимой реакции необходимо знать исходные и равновесные концентрации реагентов.

Кинетические кривые для обратимых процессов.

Рассмотрим кинетические кривые для обратимой реакции первого порядка.

1.c

2.c

В отсутствии обратимой реакции концентрация исходного вещества А по  мере увеличения времени реакции становится равной нулю. В случае обратимой химической реакции концентрация вещества А снижается,  но не достигает нуля. Концентрация продукта В  в начале реакции равна нулю (кривая 1), а затем увеличивается.  В точке О кривые пересекаются и САВ, т.е. С = СА - СВ = 0. Это означает, что скорость обратимой реакции равна нулю (). Время, соответствующее точке О, является временем достижения равновесия обратимой химической реакции.

Если начальная концентрация продукта В не равна нулю, то достижение химического равновесия обратимой реакции произойдет быстрее, на что указывает точка пересечения кривой 2 и кривой убыли исходного вещества А.

                                            2. Кинетика параллельных реакций.

Реакции называются параллельными, если исходные вещества одновременно реагируют в нескольких направлениях. Примером односторонних параллельных реакций является реакция разложения бертолетовой соли, протекающая при не очень интенсивном  нагревании в двух направлениях:

6KClO

Если параллельно протекают две мономолекулярные реакции:

          x=y+z

Обозначим: С0А =а – начальная концентрация исходного компонента А; х – количество прореагировавшего вещества А, независимо от  того, в какой продукт оно превратилось; у – количество вещества, превратившегося в первый продукт реакции В; z – во второй продукт реакции С.

Для каждой реакции можно записать:

        

Полная скорость превращения исходного вещества равна сумме двух скоростей:

После интегрирования получим:

Для констант равновесия  параллельных реакций первого порядка можно записать следующие выражения:

k

k

В параллельных  реакциях первого порядка отношение количества прореагировавшего вещества в каждой из реакции в любой момент времени постоянно и равно отношению констант скоростей этих реакций:

При изучении параллельных реакций определяют сумму констант скоростей по убыли  вещества, а по отношению концентраций образовавшихся веществ – отношение констант скоростей. После  этого находят величины констант скоростей отдельных реакций.

Кинетические кривые для параллельных  реакций практически такие же, как для обратимых реакций.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69280. Підготовка і виконання запиту. Отримання даних. Відключення 41 KB
  Останнє, що додаток повинен зробити після підключення до джерела даних, але перш, ніж воно буде здатне здійснювати запити SQL, — це отримати дескриптор оператора (statement handle) або hstmt. Щоб отримати дескриптор hstmt, достаточш оголосити змінну типу SQLHSTMT і викликати функцію...
69281. Створення першого проекту Visual Studio 105.5 KB
  В меню File (Файл) виберіть пункти New (Створити), вкладку Project (Проект) або натиснути комбінацію клавіш Ctrl+Shift+N. У будь-якому випадку на екрані з’явиться діалогове вікно New Project (мал. 1.4), що дозволяє створювати всі типи проектів Visual Studio.
69282. Динамічний обмін даними. Функція Initlnstance 74.5 KB
  Динамічний обмін даними (DDX — Dynamic Data Exchange) — це засіб, за допомогою якого можна легко передавати дані між елементами управління діалогового вікна і змінними-членами додатку. Щоб створити змінну DDX, досить клацнути на елементі управління в ресурсах шаблону...
69283. Обробники подій. Концепція документ/представлення 82 KB
  Як відомо, операційна система Windows використовує модель, керовану подіями (event-driven). Це означає, що замість послідовного набору команд додаток містить цикл повідомлень (message loop), який обробляє повідомлення (або події), передавані додатку операційною системою Windows.
69284. Клас CDocument 49 KB
  Клас CDocument забезпечує стандартну поведінка об’єктів документа додатку MFC. Клас CDocument дозволяє створювати нові документи, зберігати дані документа на диску (сериализация), забезпечувати стандартну взаємодію між об’єктом документа і вікном уявлення...
69285. Документи і обробка повідомлень 34.5 KB
  Одне з найбільш важливих достоїнств документа в тому, що об’єкт CDocument не пов’язаний з вікном безпосередньо. Проте, саме об’єкт CDocument і є адресатом передаваних команд. Отже, цей об’єкт може отримувати повідомлення від операційної системи. Відповідальність за передачу повідомлень...
69286. Керування документами та представленнями 47.5 KB
  Оскільки архітектура документ/представлення є наріжним каменем будь-якого документ - орієнтованого застосування (як вже було сказано, діалогові застосування потрійні трохи інакше, чим додатки архітектури документ/представлення), класи MFC повинні володіти здатністю створювати...
69287. Клас CView 50 KB
  Для кожного класу, похідного від CDocument, що потребує надання користувачеві візуального інтерфейсу, необхідний клас, похідний від CView, який і забезпечує цей інтерфейс. Клас, похідний від CView, забезпечує як візуальне представлення даних документа, так і взаємодію з користувачем у вікні представлення.
69288. Життєвий цикл шаблону документа 47 KB
  Як можна здогадатися, CSingleDocTemplate — достатньо легковагий (lightweight) клас (під цим автор має на увазі, що об’єкт даного класу займає в пам’яті дуже мало місця). Крім того, розробник може не піклуватися про пошук і зберігання класів шаблону документа, навіть якщо їх ціла дюжина.