Общая химия. Теория и задачи под ред. Н. В. Коровина и Н. В. Кулешова (1154110), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Кроме того, катализаторы должны быть устойчивы к каталитическим ядам, например к свинцу, входящемув состав антидетонационных добавок к бензину. Последнюю задачу пока не удалось решить, поэтому выпускаемые нейтрализаторы могут применяться лишь на автомобилях, работающих на бензине без добавок соединенийсвинца. В качестве катализаторов нейтрализации используются платиновые металлы и оксиды, например Аl2O3 иCuО с Pt и Pd или Rh.К наиболее распространенным промышленным катализаторам относятся Рt, Pd, Ph, Fе, Ni, СuО, RuO2, V2О5,NiО, Fe2O3, ZnО, SiО2, Cr2О3, Al2О3, AlCl3, Аg2О, WO3, алюмосиликаты, цеолиты, комплексы и кластеры металлов.Их используют при получении аммиака, азотной и сернойкислот, метанола, водорода, хлора, этилена и других продуктов химической промышленности, при крекинге углеГЛАВА 5.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА253водородов, получении маргарина. Расширение каталитических процессов и улучшение катализаторов обеспечивает экономию энергии и сырья. Например, применениенового катализатора в реакции синтеза метанола позволило снизить давление в 10 раз, а температуру с 350 до270°С. Уже сейчас катализ используется при решении экологических задач, например при очистке выбросов автомобилей и сточных вод.В дальнейшем применение катализаторов поможет также в создании экологически чистых малоотходных технологий. Важное значение имеет решение задачи увеличения срока службы катализаторов, которые с течениемвремени могут изменять химический и фазовый состав идисперсность.Итак, гетерогенные каталитические реакции начинаются со стадии адсорбции, в результате которой ослабляются или разрываются химические связи в молекулах реагентов.
Для ускорения реакции применяются катализаторы с развитой поверхностью. В настоящее время нашлиширокое применение различные катализаторы.ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧЗадача 5.1. За один и тот же промежуток времени врезультате гомогенных реакций в первом реакторе объемом V1 = 3 л образовалось 0,03 г N2, во втором реакторе(V2 = 10 л) — 0,51 г Н2S, в третьем реакторе (V3 = 5 л) —0,28г СО.
Какое из веществ образуется в данных условияхс наибольшей скоростью?Р е ш е н и е. Скорость химической реакции равна изменению количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства. Для гомогенной реакции:1n,V 5 16где Dn — изменение количества вещества; V — реакционный объем; Dt — время протекания реакции.Рассчитаем количество образовавшихся веществ в каждом из реакторов:234254ОБЩАЯ ХИМИЯ.
ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИnN2 1mN2 0,0311 0,001моль;MN228nH2S 1mH2S 0,5111 0,015 моль;MH2S34nCO 1mCO 0,2811 0,01моль.28MCOТак как время протекания реакций Dt = const, достаточно рассчитать и сравнить концентрации образовавшихся веществ в каждом реакторе:nN2 0,00122 3,3 3 1014 моль/л;V13nH S 0,015сH2S 2 2 22 1,5 3 1013 моль/л;V210n0,01сCO 2 CO 22 2 3 1013 моль/л.V35сN2 2Таким образом, за одно и то же время (Dt) в единицереакционного пространства (1 л) в первом реакторе образуется 3,3×10–4 моль, во втором реакторе — 1,5×10–3 моль,в третьем реакторе — 2×10–3 моль вещества. Следовательно, скорость образования угарного газа СО (в третьем реакторе) наибольшая.Задача 5.2.
Запишите кинетическое уравнение и определите общий порядок элементарной реакции, протекающей в газовой фазе:2А + B ® 2С.Р е ш е н и е. Скорость реакции определяется уравнением1 2 kсАa 3 сВb .Порядок реакции равен n = a + b, где а — частный порядок реакции по веществу A; b — частный порядок реакции по веществу B. Так как реакция элементарная, то частные порядки по веществам равны их стехиометрическим коэффициентам, т. е. а = 2, b = 1, и порядок реакцииравен n = 2 + 1 = 3.ГЛАВА 5.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА255Таким образом, кинетическое уравнение данной реакции записывается в виде2 3с .1 2 kсABЗадача 5.3. Как изменится скорость прямой элементарной реакции:Cl2(г) + 2NО(г) ® 2NОCl(г),если парциальное давление хлора уменьшить, а оксидаазота (II) увеличить в 2 раза? Реакция проводится при постоянной температуре.Р е ш е н и е. Запишем кинетическое уравнение даннойреакции:2 .1 2 kсCl2 3 сNOСвязь между концентрацией и парциальным давлением для идеального газа выражается уравнениемсi = pi/RT.Подставим в кинетическое уравнение концентрацииреагентов, выраженные через их парциальные давления:2 2 kp231 2 kсCl2 3 сNOCl2 3 pNO /( RT ) .При неизменной температуре величина k¢ = k/(RT)3остается постоянной и выражение для скорости реакциичерез парциальные давления реагентов принимает вид2 .2 3 k1pCl2 4 pNOТак как парциальное давление хлора уменьшается, аоксида азота увеличивается в 2 раза, то скорость реакциибудет равна12 3 22.21 3 k1 pCl2 4 (2 pNO )2 3 2k1pCl2 4 pNO2Следовательно, скорость реакции увеличивается в2 раза.Задача 5.4.
Повышение давления в обратимой газофазной реакции 3А В приводит к смещению равновесия всторону образования продукта реакции (вещества В). Докажите это, определив, как изменяются скорости прямойи обратной реакций при увеличении давления в 5 раз.256ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИР е ш е н и е. Запишем выражение для скорости прямой и обратной реакций через парциальные давления веществ, так как концентрация вещества пропорциональнаего парциальному давлению согласно уравнению сi = pi/RT:1 1 32 21 2 k 3 pAи 1 2 k 3 pB .При увеличении давления в 5 раз, соответственно вырастут и парциальные давления веществ, следовательно:12112211 2 k 3 (5 pA )3 2 1251 и 11 2 k 3 5 pB 2 51.Таким образом, скорость прямой реакции (3А ® В)возросла в 125 раз, а обратной (В ® 3А) только в 5 раз, чтоподтверждает смещение равновесия в сторону образования продукта реакции (вещества В).Задача 5.5.
Известно, что при некоторой температуреТ константа скорости реакции:А®С+D–1равна k = 0,025 c .Определите время, за которое разложилось 70% исходного вещества.Р е ш е н и е. Определим порядок реакции по размерности константы ее скорости:u = kcn,следовательно,[u] = [k] × [c]n.Подставив единицы измерения скорости и концентрации: [моль×л–1×с–1] = [c–1] × [моль×л–1]n, находим значениеn = 1.Для реакции первого порядка используем уравнениеlnc = lnc0 – kt,где с — концентрация вещества А в момент времени t; c0 —его начальная концентрация.Рассчитаем концентрацию вещества А в момент времени t:с = с0 – 0,7с0 = 0,3с0.ГЛАВА 5. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА257Определим t:ln(0,3c0 ) 1 ln c0 2 0,0253;cln 00,3c0311 48 с.0,025Задача 5.6. Допустим, что через 17 мин после началареакции разложения диметилового эфира при Т = 504°С:СН3–О–СН3 ® СН4 + Н2 + СОобщее давление в системе удвоилось по сравнению с начальным, равным 1 атм.Определите начальную скорость и скорость реакции вмомент времени t = 17 мин.Р е ш е н и е.
Реакция разложения диметилового эфира относится к реакциям первого порядка. Учитывая, чтоконцентрация вещества и его парциальное давление связаны соотношением сi = pi/RT, запишем выражение дляскорости реакции через давление эфира:pЭф1 2 k 3 cЭф 2 k.R 3TРассчитаем парциальное давление эфира (рЭф) через17 мин после начала реакции. Общее давление реакционной смеси р будет равно сумме парциальных давлений неразложившегося эфира рЭф и образовавшихся продуктовреакции:p 1 pЭф 2 pCH4 2 pH2 2 pCO .По уравнению реакции количество молей каждого изпродуктов равно количеству молей разложившегося эфира, а так как парциальное давление пропорционально количеству вещества, то можно записать, чтоpCH4 1 pH2 1 pCO 1 p0 2 pЭф .Подставим найденные значения парциальных давлений продуктов реакции в уравнение для общего давления:p 1 pЭф 2 pCH4 2 pH2 2 pCO 1 pЭф 2 3( p0 3 pЭф ).258ОБЩАЯ ХИМИЯ.
ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИПо условию задачи р0 = 1 атм, а р = 2р0 = 2 атм, следовательно, рЭф = 0,5 атм. Константу скорости первого порядка определим из уравненияk2ln(c0 / c) ln( p0 / p) ln(1/0,5) 0,6932222 6,79 3 1014 c 11 .4417 3 601020Найдем начальную скорость и скорость реакции в момент времени t (универсальная газовая постоянная R == 0,082 л×атм/моль×К):p0,Эф13 6,79 4 10143R 4T0,082 4 7773 1,07 4 1015 моль/л 4 с;pЭф0,53k3 6,79 4 10143R 4T0,082 4 7773 0,53 4 1015 моль/л 4 с.20 3 k 4 c0, Эф 3 k2 3 k 4 cЭфЗадача 5.7. В реакторе объемом 10 л нагрели 13,8 г двуокиси азота.
Через 15 мин в результате реакции разложения NO2 на NO и О2 образовалось 2,4 г кислорода. Определите константу скорости, если порядок реакции равенn = 2.Р е ш е н и е. Запишем уравнение химической реакцииразложения двуокиси азота и кинетическое уравнение:2NO2 ® 2NO + О2;21NO2 2 kcNO.2Для определения константы скорости второго порядка воспользуемся уравнением1 1 1k 3 15 4 26.7 8 c c0 9Время реакции t = 15 мин = 900 с.
Рассчитаем начальные количество и концентрацию двуокиси азота:01nNO2c0, NO2 1m 13,811 0,3 моль;46M0nNO2V10,31 0,03 моль/л.10259ГЛАВА 5. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКАЧтобы определить количество разложившейся за 15 миндвуокиси азота найдем количество образовавшегося кислорода:m 2,411 0,075 мольnO2 1M 32и составим пропорцию по уравнению химической реакции:2 моль NO2 — 1 моль О2;х моль NO2 — 0,075 моль О2.Решая пропорцию, находим: x = 2 × 0,075 = 0,15 моль.Рассчитаем количество и концентрацию неразложившейся двуокиси азота:0nNO2 1 nNO2 x 1 0,3 2 0,15 1 0,15 моль;2nNO2 0,1511 0,015 моль/л.V10Подставим найденные значения с0, с и t в уравнениедля расчета константы скорости:cNO2 11 1 11 1 11 2k 3 15 4 26 3437 8 c c0 9 900 58 0,015 0,03 690,03 4 0,0150,015333 0,037 моль/л с.900 0,015 0,03 0,405Задача 5.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
