Курсова робота
на тему:
Вивчення і аналіз літературних джерел для створення навчально-методичного посібника-збірника прикладів і завдань з фізичної хімії (кінетика, каталіз та електрохімічні процеси).
Зміст
Вступ. .................................................................................................................... 3
Розділ І. Хімічна кінетика.
Закон діючих мас. Константа швидкості хімічної реакції. ....................... 4
Вплив температури на швидкість хімічної реакції. Енергія активації. .. 11
Розділ ІІ. Каталіз.
1. Гомогенний і гетерогенний каталіз. ............................................................ 12
Розділ ІІІ. Електрохімія.
1. Електропровідність. Закон розведення Освальда. Числа переносу. ........ 24
2. Електроліз. Закони Фарадея. ........................................................................ 32
3. Комбіновані завдання. .................................................................................. 38
Розділ IV. Висновок. ........................................................................................... 43
Додатки. ................................................................................................................ 44
Літературні джерела. ........................................................................................... 46
Відповіді до завдань. ........................................................................................... 47
Вступ.
Даний збірник є посібником з фізичної хімії для хімічних спеціальностей вищих навчальних закладів. Матеріал збірника відповідає програмі з фізичної хімії і допомагає студентам засвоїти окремі розділи курсу, зокрема “Хімічна кінетика”, “Каталіз”, “Електрохімія”.
Матеріал даного посібника розділений на параграфів. Кожному параграфу передує введення, де коротко викладені деякі теоретичні питання, наводяться необхідні формули і додаються методичні вказівки щодо розв’язання задач.
Потім пропонується для розв’язання ряд задач, аналогічних до розібраних прикладів.
“Комбіновані задачі” охоплює теми усіх решта параграфів. В задачах цього параграфа показаний взаємозв’язок між розділами фізичної хімії а також між окремими закономірностями. При розв’язуванні цих задач студент повинен знати усі основні закономірності вивчених розділів “Хімічна кінетика”, “Каталіз” і “Електрохімія”.
Умови задач складені так, що спочатку подається загальна умова до ряду задач, а потім в таблицях наведені необхідні для їх розв’язання дані. Це зроблено з метою кращого засвоєння студентами основних закономірностей і формул.
Частина задач і прикладів взятих з різних джерел, перероблена, а значна частина цілком оригінальна.
Розмірності фізичних величин в збірнику вказані, головним чином, з врахуванням міжнародної системи одиниць (СІ). В ряді випадків використовуються деякі несистемні одиниці, що знайшли застосування в хімії (грам-еквівалент, літр та інші). В кінці збірника поміщені відповіді до задач і таблиці величин, необхідні для розв’язування задач.
ІІ. Каталіз.
Гомогенний і гетерогенний каталіз
= Теоретичні відомості =
Каталіз – це явище прискорення реакції у присутності речовин-каталізаторів, які вступають у проміжну взаємодію з реагуючими речовинами, але не входять до складу продуктів реакції.
Каталізатор не входить до вихідних речовин і продуктів реакції і не може впливати на зміну енергії Гіббса ДG, а може лише збільшити швидкість реакції в тому випадку, якщо ДG<0. В стані рівноваги (ДG=0) каталізатор у рівному ступені прискорює як пряму, так і зворотню реакції.
Залежність швидкості реакції від електростатичної енергії Гіббса записується рівнянням:
, (1)
де К0' – константа швидкості в середовищі , де D= ?;
(2)
ДG* - енергія Гіббса; dAB – відстань між центрами іонів сферичної форми;
ZAe, ZBe – заряди іонів.
Швидкість бімолекулярних гомогенно-каталітичних реакцій записується рівнянням:
(3)
Для К2>>К3
(4)
Для К2<<К3
(5)
В сильнокислих розчинах деякі реакції каталізуються тільки іонами гідроксонію, а для швидкості записується в наступній формі:
(6)
де КН+ - константа швидкості кислотного каталізу;
[Н3О+] – концентрація каталізатора;
[S] – концентрація субстрата.
Значення каталітичної константи КН+ для цих іонів визначають заміщенням швидкостей реакції в кислих розчинах при різних концентраціях Н3О і S;
В сильнолужних розчинах
. (7)
Якщо каталіз може проходити обома іонами Н+ і ОН- і якщо реакція одночасно іде по двох напрямках, швидкість реакції може бути записана так:
(8)
де k0 – константа швидкості некаталізуючої реакції.
Кислотна каталітична константа швидкості реакції k зв’язана з константою дисоціації Ка рівнянням Бренстеда
(8)
Для основного каталіза рівняння Бренстеда записується у вигляді
(9)
де Gb, G'b і в – константи.
Будь-яка реакція між газоподібними речовинами, яка протікає на поверхні каталізатора може бути розділена на п’ять стадій:
підхід речовини до поверхні каталізатора;
адсорбція речовини;
реакція на поверхні каталізатора;
десорбція продукту реакції з поверхні каталізатора;
відвід продуктів реакції від поверхні в об’єм газової фази.
- р-ня Фроста-Баландіна
Рівняння Фроста-Баландіна можна показати графічно (мал. 1). Відклавши на осі абсцис , а на осі ординат , одержимо пряму лінію. Тангенс кута нахилу прямої до осі абсцис визначають значення в, а відрізок на осі ординат y=0 – величину б.
Приклади розв’язування завдань
Приклад 1.
Використовуючи метод стаціонарної концентрації, виведіть рівняння, виходячи із швидкості гомогенно-каталітичної реакції А+В+К>С+К. Гомогенно-каталітична реакція проходить по наступному механізму:
1) Утворення проміжного продукту АК в результаті протилежної взаємодії між каталізатором і одним із вихідної речовини:
А+К-АК
2) Утворення комплексу в результаті взаємодії утворюючого проміжного комплексу з другим компонентом реакції:
АК+В>(АВ*)К
3) Утворення звичайних продуктів і ??????????????? каталізатора:
(АВ*)К>С+К
Розв’язання:
Згідно теорії активного комплексу швидкість реакції визначається швидкістю його розпаду на наступні продукти:
Визначаємо методом стаціонарної концентрації який містить активований комплекс (АВ*)К. Через деякий час після початку процесу швидкість накопичення комплексу буде
звідки
Концентрацію проміжного продукту виражаємо через концентрацію вихідних продуктів.
Згідно схеми реакція накопичення проміжного продукту АК протилежна, то
Звідки знайдемо [АК]:
підставимо (5) в (3) і одержимо вираз:
.
Із одержаного рівняння видно, що швидкість реакції прямопропорційна концентрації каталізатора.
Приклад 2.
Розклад С2Н5ОН на етилен і воду проходить при 653 К на 10 см3 каталізатора Al2O3.
Вихід 64%-ного розчину спирту n і об’єм V0n газу, який утворився за 3 хв., в результаті реакції буде:
n, см3 | 0,144 | 0,65 | 0,937 | 1,15 | 2,37
V0n, см3 | 30,3 | 89,7 | 119 | 131,5 | 217
Барометричний тиск 100121,63 Па, кімнатна температура 300 К. Обчисліть коефіцієнти б і в в рівнянні:
і напишіть емпіричні рівняння.
Розв’язання:
Коефіцієнти б і в в рівнянні Фроста одержимо графічно.
Для цього обчислимо значення , , , і побудуємо графік в координатах (рис. 1).
Для одного значення розв’яжем: ;
де, ;
b – кількість спирту, %;
=0,9 г/см3. Тоді:
m1==0,0018
