Определение реакции и особенности ее протекания

______________

✅ ️Наши контакты (Telegram):✅ ️

>>>🔥🔥🔥(ЖМИ СЮДА)🔥🔥🔥<<<

✅ ️ ▲ ✅ ▲ ️✅ ▲ ️✅ ▲ ️✅ ▲ ✅ ️

______________

Определение реакции и особенности ее протекания

Типы и механизмы реакций в органической химии

Определение реакции и особенности ее протекания

Д.Г.НАРЫШКИН

Определение реакции и особенности ее протекания

Возможности компьютерной математики. Прямая и обратная задача химической кинетики. Реакции второго порядка. Химические реакторы. Реакторы идеального смешения. Реакторы идеального вытеснения. Обратимые химические реакции в реакторах. Рекомендуемая литература. Термодинамический метод изучения химических реакций позволяет сделать вывод о принципиальной возможности исследуемого процесса в тех или иных условиях и о глубине его протекания. При постоянстве давления и температуры самопроизвольное протекание процесса возможно только в направлении уменьшения энергии Гиббса. Условие определяет принципиальную возможность проведения процесса в заданных условиях из начального состояния в конечное, но не позволяет оценить скорость такого перехода. Это обстоятельство связано с тем, что реакции не зависит от пути механизма процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы. Однако химические реакции могут протекать с самыми различными скоростями — от взрывных до очень медленных, протекающих в течение многих месяцев и лет. Даже одна и та же реакция, протекающая на различных катализаторах, может иметь скорости, различающиеся во много раз. В некоторых случаях необходимо увеличить скорость реакции, в других наоборот, уменьшить. Таких примеров можно привести множество. Поэтому изучение скорости протекания химических процессов а это и составляет задачу кинетики чрезвычайно важно. Для рационального проведения химических реакций необходимо уметь управлять ими, знать зависимости скорости от различных параметров. По кинетике издано очень много учебной и методической литературы. Но все эти книги и учебные пособия написаны так, что хочется спросить: «Какое, милые, тысячелетье на дворе? Современные системы компьютерной математики позволяют дать быстрый, и что, пожалуй, главное, наглядный прогноз относительно поведения химической системы во времени. Однако в русскоязычной учебной литературе по кинетике химических реакций подход, в котором используются средства символьной математики в совокупности со средствами решения систем дифференциальных уравнений, представляемые математическим пакетом Mathcad , практически отсутствует. Поэтому, отвечая на естественный вопрос — чем предлагаемое учебное пособие отличается от множества других, можно ответить: настоящее пособие имеет цель продемонстрировать эффективность применения математического пакета Mathcad для решения задач химической кинетики. Специальные химические дисциплины, такие как термодинамика и кинетика, достаточно математизированы, и часто решение химической задачи вызывает у студентов значительные трудности, связанные с математикой — довольно часто это приводит к тому, что приходится сознательно упрощать задачу. Пособие иллюстрирует богатейшие возможности, которые открывает применение компьютерной математики перед исследователем для анализа поведения химических систем во времени. В этом отношении математические пакеты становятся практически незаменимыми элементами обучения, позволяющими сделать акцент на содержательном анализе полученных результатов. Х имическая кинетика — наука о скоростях и закономерно-стях протекания химических процессов во времени. Химическая кинетика изучает механизм протекания процесса, то есть те промежуточные стадии, состоящие из элементарных актов, через которые система переходит из начального состояния в конечное. Химическая кинетика изучает скорости этих стадий и факторы, влияющие на их скорость. Уравнение химической реакции показывает начальное состояние системы исходные вещества и её конечное состояние продукты реакции , но не отражает механизма процесса. Однако путь перехода системы из начального в конечное состояние может быть достаточно сложным и «извилистым». Так, например, реакция. Изучить кинетику реакции — значит показать, как реально протекает исследуемая реакция, её механизм, получить зависимость, связывающую скорость реакции с факторами, влияющими на неё. Различают два типа химических реакций: гомогенные и гетерогенные. К гомогенным относят реакции, у которых и исходные вещества и продукты реакции находятся в одной фазе. Взаимодействие веществ в таких реакциях происходит по всему объёму. К гетерогенным реакциям относят реакции, протекающие на границе раздела фаз. Пусть протекает реакция. Скорость реакции по i —му веществу в гомогенной системе определяется как количество i -го вещества, образующееся или реагирующее в единице реакционного объёма в единицу времени:. Если реакция протекает изохорически, то есть объём во время реакции не меняется, то, поскольку концентрация и объём связаны соотношением. Ранее мы определили скорость химической реакции как изменение числа молей реагирующих веществ в единицу времени в единице объема, т. Таким образом определяется средняя скорость реакции для заданного интервала времени. Если объем в процессе реакции постоянен, то. Если интервал времени , то мы получим истинную скорость реакции r в данный момент времени, т. Не только знак, но и абсолютное значение скорости зависит от того, по какому из участников реакции она измерена. Так, например, при протекании реакции. Следовательно, для реакции. Экспериментально установлено, что скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации или давления , температуры, то есть. Раскрытие этой зависимости и составляет одну из задач кинетики. Подход к выяснению зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ можно иллюстрировать следующим положением теории вероятностей: вероятность одновременного осуществления независимых событий равна произведению вероятностей каждого из них. Для того чтобы произошло химическое взаимодействие, например, реакция. Тогда вероятность того, что обе молекулы будут одновременно находиться в одной точке пространства, то есть что они столкнутся, равна. Обобщим сказанное. Пусть протекает химическая реакция:. Тогда зависимость скорости реакции от концентрации можно выразить соотношением. Полученное выражение называют законом действия масс. Число молекул, вступающих в реакцию, определяют молекулярность реакции. Так, если в реакцию вступает одна молекула, то такая реакция называется молекулярной реакцией. Если в реакции участвуют две молекулы безразлично, одинаковые или нет , то такая реакция называется бимолекулярной. Встречаются также тримолекулярные реакции. Реакции более высокой степени молекулярности крайне редки из—за малой вероятности одновременного столкновения большого числа молекул. Поэтому большинство реакций протекают в несколько элементарных, простых стадий, в которых участвует небольшое число молекул. Так, например, рассмотренная выше реакция. Определить такие стадии — значит определить механизм, или путь реакции. Скорость всей реакции определяется скоростью её наиболее медленной стадии, которая и определяет механизм. Поэтому закон действующих масс справедлив только для таких элементарных стадий. Молекулярность реакции легко определить в случае простых реакций, протекающих в одну стадию. В большинстве же случаев довольно трудно найти молекулярность реакции. Поэтому вводится понятие порядка реакции, который можно найти из кинетических уравнений, полученных экспериментально. Порядок реакции по данному веществу равен степени, в которой концентрация данного вещества входит в уравнение скорости реакции. Сумма показателей степеней, в которых концентрация всех исходных веществ входит уравнение скорости реакции, равна порядку реакции в целом. Порядок химической реакции по веществу совпадает со стехиометрическим коэффициентом реакции лишь в очень простых реакциях, например в реакции синтеза йодистого водорода:. Порядок этой реакции по водороду первый и йоду первый равны стехиометрическими коэффициентами, а общий порядок реакции второй равен сумме стехиометрических коэффициентов в уравнении скорости реакции. В подавляющем большинстве случаев порядок реакции по веществу отличается от стехиометрических коэффициентов уравнения реакции для этого вещества. Соответственно общий порядок реакции обычно не равен сумме стехиометрических коэффициентов уравнения реакции. Например, реакция. Тогда, согласно первому постулату химической кинетики, который утверждает, что скорость всей реакции равна скорости его самой медленной стадии, можно записать:. Согласно второму постулату химической кинетики, который утверждает, что скорость элементарной одностадийной реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, получим зависимость скорости реакции. Обратите внимание, что скорость реакции. Уравнение, выражающее зависимость скорости реакции от концентрации каждого вещества, называют кинетическим уравнением реакции в дифференциальной форме. К сожалению, кинетическое уравнение реакции может быть получено только при её экспериментальном изучении и не может быть выведено из стехиометрического уравнения. Определение на основании экспериментальных данных о зависимости концентраций от времени проведения процесса параметров кинетического уравнения — порядка реакции и значения константы скорости — составляет так называемую обратную задачу химической кинетики. Знание кинетического уравнения реакции в дифференциальной форме позволяет определить время достижения некоторой заданной концентрации реагирующего вещества или продукта реакции. Пусть, например, протекает реакция. Тогда время достижения некоторой концентрации вещества А можно определить, интегрируя кинетическое уравнение реакции в дифференциальной форме:. Решая дифференциальное уравнение. Определение — на основании феноменологической модели процесса — концентраций реагентов от времени проведения реакции составляет прямую задачу химической кинетики. Отметим сразу, что аналитически не всегда удаётся решить дифференциальное уравнение, особенно в случае сложной кинетики. В этом случае прибегают к численным методам решения и использование компьютерной математики. В частности, применение математических пакетов, например, таких, как Mathcad , становится незаменимым инструментом в исследовательской практике и в процессе обучения. Реакция первого порядка может быть записана в общем виде:. Примером такой реакции может служить реакция разложения диметилового эфира:. Кинетическое уравнение реакции первого порядка можно представить дифференциальным уравнением. Тогда время t достижения некоторой концентрации диметилового эфира CH 3 OCH 3 можно определить, интегрируя соотношение 1. Интегрирование приводит к выражению. Проиллюстрируем изменение концентрации в зависимости от времени на примере реакции первого порядка. Зависимость концентрации. Зависимость логарифма концентрации. Зависимость скорости реакции первого. Итак, если реакция протекает по первому порядку, то концентрация реагирующего вещества во времени меняется по уравнению 1. Немного преобразовав 1. Соотношение 1. Степень превращения вводится соотношением. Таким образом, степень превращения определяет долю исходного вещества, прореагировавшую к моменту времени. Естественно, что. Тогда текущую концентрацию реагента в момент времени можно выразить через степень превращения :. После интегрирования 1. Степень превращения в зависимости от времени проведения процесса изменяется согласно. Особенностью реакции первого порядка является независимость периода полупревращения от концентрации реагента. Обратная величина константы скорости реакции первого порядка имеет физический смысл средней продолжительности жизни отдельной молекулы. Попробуйте доказать это положение. Рассмотрим применение выведенных соотношений на конкретном примере. Реакция разложения глюкозы является реакцией первого порядка, и ее кинетическое уравнение в дифференциальной форме при К описывается соотношением:. Или через степень превращения. Кинетическое уравнение в интегральной форме. Из уравнения. Теперь, согласно уравнению. Определим зависимость времени достижения степени превращения согласно 1. Ввод степени превращения — исследуется. Ввод расчётной формулы. Вывод результата счёта. Зависимость времени достижения заданной степени превращения глюкозы от степени превращения в реакции ее разложения при температуре К. Определим зависимость степени превращения от времени проведения реакции согласно 1. Ввод значения константы. Ввод временного интервала,. Вывод результат счёта. Зависимость степени превращения. К таким реакциям относят реакции, скорость которых пропорциональна концентрации каждого из реагирующих веществ или квадрату концентрации одного из них. Рассмотрим вначале достаточно простой случай реакций вида. Пусть и — начальные концентрации вещества A и B и пусть C — концентрация веществ А в момент времени. Начальная концентрация,. Прореагировало к - C - C. Концентрация C. Или через степень превращения вещества А. И после упрощений. Если начальные концентрации веществ А и В равны, т. Сравнив кинетические уравнения первого. Размерность константы скорости реакции второго порядка. Найдем кинетическое уравнение реакции второго порядка в интегральной форме, то есть зависимость концентрации реагирующих веществ от времени протекания процесса. Если начальные концентрации реагирующих веществ реакции. И после интегрирования получим. Подставив в 1. Напомним, что такой результат мы получим только в случае равенства начальных концентраций веществ А и В. Проиллюстрируем изменение концентрации в зависимости от времени на примере реакции второго порядка. Согласно 1. Нетрудно заметить, что в координатах «обратная концентрация- — время» зависимость линейна. Действительно, обозначим:. Тогда зависимость обратной концентрации от времени:. Иллюстрацией полученных зависимостей служат рис. Зависимость концентрации исходного вещества от времени проведения процесса. Зависимость обратной концентрации исходного вещества. Зависимость скорости реакции второго порядка от времени проведения процесса. Сравним ход зависимостей концентрации исходного вещества от времени проведения процесса для реакции первого и второго порядка, разумеется, при одинаковых значениях начальных концентраций и одинаковых числовых значениях констант скоростей. Соотношения, определяющие. Начальные концентрации исходных. Константы скорости численно равны 0. Такой ход зависимостей концентрации от времени становится понятным после сравнения зависимостей скорости реакций от времени проведения процесса. Зависимость скорости реакции от времени проведения процесса. Сравним теперь зависимости степени превращения от времени в реакции первого. Ввод константы скорости реакции и начальной концентрации:. Ввод временного интервала, в котором будет исследована зависимость. Расчётные соотношения, определяющие зависимость степени превращения в. Зависимость степени превращения от времени проведения процесса в реакции первого и второго порядка. Если начальные концентрации реагирующих веществ не равны, необходимо интегрировать уравнение 1. Интегрирование 1. Заметим попутно, что наличие современных компьютерных математических пакетов, например, таких, как Mathcad , практически устраняет трудности, возникающие при решении подобных задач. Проиллюстрируем это небольшим примером. Как уже упоминалось, в случае неравенства начальных концентраций при протекании процесса. Тогда с помощью символьного процессора Mathcad этот интеграл легко вычисляется. Для вычисления неопределенного интеграла от некоторого выражения, например, рассматриваемого. После выполнения команды появляется вычисленное аналитическое представление неопределенного интеграла:. Сравните это выражение с полученными ранее соотношениями 1. Расчеты, основанные на аналитическом интегрировании соотношения. Рассмотрим еще один подход к решению задач по определению зависимости концентрации реагирующих веществ от времени проведения процесса. Исследуемая реакция является типичной реакций второго порядка, а, значит, ее скорость описывается кинетическим уравнением введя обозначения и. При К константа скорости равна. Пусть начальные концентрации равны и. Рассчитаем изменение концентраций реагирующих веществ в зависимости от времени протекания процесса. Запишем кинетические уравнения:. Решим систему дифференциальных уравнений, то есть найдем зависимость концентраций исходных веществ и продуктов реакции в зависимости от времени. Определим систему через формальную запись в Mathcad. Определим начальные условия. Введем значение константы скорости исследуемой реакции. Результаты решения с помощью имеющейся в Mathcad встроенной функции, позволяющей решать систему методом Рунге-Кутты с фиксированным шагом представлены в матрице результатов и на рис. В левом столбце матрицы находятся значения аргумента ,деля-. В левом столбце матрицы находятся значения аргумента ,делящие интервал на равномерные шаги, в остальных столбцах - значения , , и. Зависимость концентрации реагирующих веществ от времени. Начальные концентрации эфира и щелочи. Период полупревращения для реакции второго порядка найдем из 1. Откуда время полупревращения для реакции второго порядка в случае равенства начальных концентраций веществ А и В. Для реакции второго порядка время полураспада обратно пропорционально начальной концентрации исходного вещества. Рассмотрим общий случай реакции второго порядка:. Исходная концентрация,. Концентрация в. Поскольку для реакции. Тогда система кинетических уравнений в дифференциальной форме:. Для решения воспользуемся возможностями, которые предоставляет математический пакет Mathcad. Для формальной записи в Mathcad. Ввод стехиометрических. Ввод начальных концентраций. Ввод числа шагов, на которых численный метод находит решение. Ввод системы кинетических уравнений в дифференциальной форме. Вывод решения - здесь:. Исследуем теперь зависимость степени превращения исходных веществ от времени протекания процесса. Поскольку текущие концентрации связаны со степенью превращения. Для формальной записи в Mathcad системы дифференциальных уравнений введём обозначения:. Решим систему дифференциальных уравнений и тем самым найдём зависимость степени превращения исходных веществ от времени протекания процесса. Ввод стехиометрических коэффициентов. Ввод начальных концентраций реагентов. Ввод начальных степеней превращения. Ввод значения константы скорости реакции. Зависимость степени превращения исходных веществ от времени проведения процесса. Определим теперь время достижения некоторой степени превращения исходного вещества A при протекании реакции. Кинетическое уравнение реакции. Интегрируя кинетическое уравнение, найдём соотношение, определяющее связь между степенью превращения и временем её достижения:. Ввод соотношения, определяющего интервал степени превращения. Ввод соотношения, определяющего связь между степенью превращения и временем её достижения. Вывод результата - время достижения некоторой степени превращения. Вывод результата - время достижения степени превращения. Разумеется, вы можете вывести результат и при другом значении степени превращения. Зависимость времени достижения степени превращения при проведении процесса. То, что соотношение между начальными концентрациями влияет на степень превращения, следует из анализа кинетического уравнения реакции. Однако степень влияния можно установить только в результате расчёта. Исследуем влияние соотношения начальных концентраций на время достижения некоторой заданной степени превращения при протекании реакции. Соотношение, определяющее связь между степенью превращения вещества A и временем её достижения:. Ввод начальной концентрации вещества A. Ввод константы скорости реакции. Ввод степени превращения. Ввод соотношения, определяющего связь между временем достижения степени превращения c и соотношением начальных концентраций. Влияние соотношения начальных концентраций на время достижения некоторой заданной степени превращения при протекании реакции. Реакции третьего порядка встречаются достаточно редко, поэтому мы не будем их рассматривать подробно. Отметим только, что для реакции третьего порядка. Некоторые реакции, осложнённые адсорбционными стадиями, имеют дробный порядок. Задачу определения зависимости концентраций реагирующих веществ от времени протекания процесса рассмотрим для наиболее общего случая на примере реакции. Задача сводится к решению системы этих дифференциальных уравнений. Решение системы даёт возможность исследовать изменение концентраций реагирующих веществ в зависимости от времени протекания процесса. Конечно, можно проинтегрировать соотношение. Чтобы убедиться в этом, попробуйте проинтегрировать самостоятельно и потом из полученного выражения 'вытащить' зависимость концентрации от времени проведения процесса. Однако, мы 'пойдём другим путём' и для решения системы. Введём обозначения для формальной записи в Mathcad:. Ввод порядка реакции. Ввод системы кинетических. Ввод встроенной функции. В рассматриваемом случае решение находим на интервале 0 - с. Концентрации при других значениях времени можно посмотреть с помощью полосы прокрутки. Графическая иллюстрация полученных результатов приведена на рис. Зависимость концентраций исходных веществ от времени протекания процесса в реакции. Вывод решения - здесь: - время, - концентрация вещества А - концентрация вещества B. Вывод решения - здесь: - время, - степень превращения вещества А - степень превращения вещества B. Вывод результата - время достижения степени превращения Разумеется, вы можете вывести результат и при другом значении степени превращения. Ввод встроенной функции для решения системы дифференциальных уравнений. Вывод решения - здесь: - время, c.

Лирика в Сосенском

Наркотик Марихуана цена в Туркестан

Определение реакции и особенности ее протекания

Скорость в Пугачеве

Южноуральск купить закладку METHADONE

Купить морфин Кондрово