Курсовая работа: Кинетика химических реакций

Kτ = (1/С) - (1/С0) (11)

Зная исходные С0 (i) и текущие Сi концентрации по уравнению (11) можно рассчитать константы скорости при различных температурах. Значения исходных и текущих концентраций через 70 с от начала реакции возьмем из табл.2.1

ри T1 = 403 К

K1 = (1/70) [ (1/0,50) - (1/1)] = 14,29 * 10-3

При T2 = 406 К

K2 = (1/70) [ (1/0,42) - (1/1)] = 19,73 * 10-3

При T3 = 410 К

K3 = (1/70) [ (1/0,35) - (1/1)] = 26,53 * 10-3

При T4 = 417 К

K4 = (1/70) [ (1/0,24) - (1/1)] = 45,24 * 10-3

Зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса:

K = K0 * e-E / (RT) (12)

K0 - предэкспоненциальный множитель;

e - основание натурального логарифма;

E - энергия активации;

R - универсальная газовая постоянная;

T - температура.

В нешироком интервале температур (до 200 градусов) величины K0 и E изменяются незначительно и их можно считать постоянными. Таким образом, чтобы определить константу скорости при любой температуре необходимо знать величины K0 и E, которые можно определить графически. Прологарифмируем уравнение (12).

LnK = LnK0 - E / RT (13)

В координатах "LnK - 1/T" график этой функции представляет собой прямую линию.

Для построения графика все данные сведем в табл.2.4

K * 103, л / моль * с	14,29	19,73	26,53	45,24
T, K	403	406	410	417
(1/T) * 10-3, K-1	2,481	2,463	2,439	2,398
LnK	-4,25	-3,93	-3,63	-3,10

По данным табл.2,4. строим график в координатах "LnK - 1/T" (рис.4). Тангенс угла наклона полученной прямой к оси абсцисс определяет E:

tgα = - Е / R (14), E = - R * tgα = - 8,31 * (-13750) = 114263 Дж / моль

Значение множителя K0 найдем из уравнения (13), подставив в него любую пару значений LnK и 1/Т из табл.2.4 Например, при Т = 403 К.

LnК0=LnК + Е / RT1 = - 4,25 + (114263/8,31) * 2,481 * 10-3 = 29,864.

Откуда К0 = 9,33 * 1012 л / моль * с.

Итак, все постоянные в уравнении (12) известны. Находим K5 при

Т = 395 К.

K5 = 9,33 * 1012 * е-114263/ (8.31 * 395) = 9,33 * 1012 * 7,63 * 10-16 = 7,12 * 10-3 л / моль * с

Используя формулу (11), рассчитываем время, за которое 60% вещества превратятся в продукты реакции при 395 K. Так как исходная концентрация вещества равна 1,0 моль / л, тo в искомый момент времени τx текущая концентрация будет

Cx = 0,40 * С0 = 0,40 * 1,0 = 0,40 моль / л.

Отсюда по уравнению (11):

τ = ( (l / C) - (l / C0)) / K5 = ( (l / 0,40) - (l / l)) / 7,12 * 10-3 = 211 с

Итак, при температуре 395 K 60% исходного вещества превратится в продукты реакции за 211 с.

2.3 Работа 3

При адсорбции уксусной кислоты из 200 мл водного раствора на 4 г активированного угля при 200C получены следующие данные (табл.2.5).

Установить, каким из адсорбционных уравнений (Фрейндлиха-Зельдовича или Лангмюра) описывается данный случай. Найти постоянные в соответствующем уравнении, а также равновесную концентрацию раствора (C5), если исходная концентрация была равна

C0,5 = 0,56 моль / л (температура раствора 200С, масса адсорбента 4 г).

Решение

Представим данные задачи в виде табл.2.5

Таблица 2.5. Исходные и равновесные концентрации раствора уксусной кислоты при адсорбции на угле

Исходная концентрация раствора C0i, моль / л					Равновесная концентрация раствора Ci, моль / л
С0,1	С0,2	С0,3	С0,4	С0,5	С1	С2	С3	С4	С5
0,080	0,130	0,270	0,520	0,560	0,058	0,098	0,218	0,447

Уравнение Фрейндлиха для адсорбции из раствора на твердом адсорбенте имеет вид:

Г = К * Сn, (15)

Зельдовича

Г = К * С1/n, (15’)

где Г - адсорбция, т.е. масса адсорбированного вещества на ед. массы адсорбента,

моль / г; С - равновесная концентрация раствора, моль / л; К и n - постоянные при данной температуре. Прологарифмируем уравнение (15).

 (16)

Если адсорбция описывается уравнениями Фрейндлиха-Зельдовича, то в координатах "LnГ - lnC" график функции должен представлять прямую линию. Для проверки высказанного предположения рассчитаем величину адсорбции при различных концентрациях раствора:

Гi = (C0i - Ci) * V / m, (17)

где Г - число молей вещества, адсорбированного из V литров раствора на m граммах адсорбента при исходной и равновесной концентрациях C0i и Ci соответственно.

После подстановки данных задачи (m = 4 г, V = 0,2 л) выражение (17) примет вид:

Гi = (C0i - Ci) / 20.

Найденные по уравнению (18) значения Гi, - вместе с величинами lnCi, lnГi, Ci / Гi сведем в табл.2.6

Таблица 2.6. Данные для построения изотерм адсорбции

Исходная концентрация раствора C0i, моль / л	Равновесная концентрация раствора Ci, моль / л	Величина адсорбции, Гi * 103,моль / г	- lnCi	- lnГi
0,080	0,058	1,10	2,847	6,81	52,7
0,130	0,098	1,60	2^323	6,44	61,3
0,270	0,218	2,60	1,523	5,95	83,8
0,520	0,447	3,65	0,805	5,61	122,5
0,560	-----	-----	-----	-----	-----

График в координатах "LnГ - lnC" представленный на рис.5 отличается от прямой, т.е. наш случай не описывается изотермой адсорбции Фрейндлиха-Зельдовича. Изотерма адсорбции Лангмюра имеет вид

Г = Z * вс / (l + вс), (19)

где Z - число мест на адсорбенте; в - постоянная, зависящая от температуры.

При полном заполнении поверхности адсорбента молекулами

адсорбата Z = Г0 предельной адсорбции. После подстановки в уравнение (19) и последующих преобразований его можно представить в линейной, удобной для графического представления, форме:

С / Г = (1/вГ0) + (С / Г0). (20)

Если наш случай описывается изотермой Лангмюра, то в координатах С / Г = f (c) график должен представлять прямую. По данным табл.2.6 строим график (Рис.6).

Вид графика подтверждает наше предположение. Из графика определим постоянные:

Г0 = ctga = 5,8 * 10-3, моль / г; 1/Г0В = 45, B = 1/ (45 * 5,8 * 10-3) = 3,83

Таким образом, изотерма адсорбции Лангмюра для рассматриваемого случая при 200С имеет вид:

Г = 5,8 * 10-3 * 3,83С / (1 + 3,83С) (21)

Перейдем к определению равновесной концентрации C5 при исходной концентрации раствора C05 = 0,56 моль / л.,

В соответствии с уравнениями (18) и (21) можно записать:

Г5 = (C05 - C5) / 20 = (0,56 - C5) / 20

Приравняв правые части, решим полученное уравнение относительно C5:

(0,56 - С5) / 20 = 5,8 * 10-3 * 3,83С / (1 + 3,83С)

(0,56 - С5) (1 + 3,83С) = 5,8 * 10-3 * 3,83С * 20

3,83С52 - 0,71С5 - 0,56 = 0

Равновесная концентрация C5 = 0,484 моль / л.

3. Исходные данные

Вариант и номер задания расчетно-графической работы.

Работа №1

Таблица 3.1

Вариант	1
Номер задания	9
Кислота	Дихлороуксусная (CCl2COOH)
Исходные данные	C'm, моль / кг	-E0,B	Cm, моль / кг
	0,331	0,066	1,3

Работа №2

Таблица 3.2

Вариант			1
Номер задания			9
Время (τ), c	0		0
	1		70
	2		136
	3		285
Изменение концентрации (С) во времени при температуре	T1	C0	1,00
		C1	0,50
		C2	0,30
		C3	0,15
	T2	C0	1,00
		C1	0,42
	T3	C0	1,00
		C1	0,35
	T4	C0	1,00
		C1	0,24
T1			403
T2			406
T3			410
T4			417
T5			395
% прореагировавшего вещества			60

Работа №3

Таблица 3.3

Вариант		1
Номер задания		9
Исходная концентрация C0i, моль / л	C0,1	0,08
	C0,2	0,13
	C0,3	0,27
	C0,4	0,52
Концентрация после адсорбции Ci, моль / л	C1	0,058
	C2	0,098
	C3	0,218
	C4	0,447
C0,5, моль / л		0,56