Молекулярно-кинетические реакции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Калининградский филиал федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Реферат

по дисциплине: Физколлоидная химия

Выполнила:

Литвиненко Евгения Сергеевна

Полеск, 2012 год

1. Как связано произведение PV(rT) c суммарной кинетической энергией, молекул одного моля газа

Какой физический смысл вкладывает молекулярно-кинетическая теория в понятие температура и абсолютный ноль(-273С).

Используя выводы молекулярно-кинетической теории, рассчитайте недостающие данные:

Формула в-ва молекулярная масса Тк, Тс скорость движения молекул: CI300 м/c.

Французский физик Жак-Александр-Сезар Шарль и Жозеф-Луи Гей-Люссак показали, что при постоянном соотношении давления абсолютная температура остается постоянной.

Этот закон также может быть непосредственно выведено из кинетической теории.

Эти два закона можно объединить в одно уравнение, которое справедливо при не слишком высокой плотности: PV=RT.

При условии, что:

P - давление;

V - объем;

T - абсолютная температура, абсолютный нуль, т. е., -273°C;

R - универсальная газовая постоянная.

Было известно, что это уравнение не совсем точно, и в той или иной степени для различных газов и различных условий.

Газы, которые наиболее точно удовлетворяет этому уравнению называются идеальными.

Исследование возможных источников ошибки, Ван Дер заметил, что уравнение было основано на двух предположениях: что молекулы действуют как точка массы (что примерно соответствует действительности, если они удалены друг от друга) и, что молекулы не влияют друг на другие (за исключением столкновений). Закон Гесса.

Найдем энтальпию реакции по величинам энтальпий образования исходных веществ и конечных продуктов.

Берем за основу:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

Закон Гесса - основной закон термохимии, который формулируется следующим образом:

Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.

Иными словами, количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при каком-либо процессе, всегда одно и то же, независимо от того, протекает ли данное химическое превращение в одну или в несколько стадий (при условии, что температура, давление и агрегатные состояния веществ одинаковы). Например, окисление глюкозы в организме осуществляется по очень сложному многостадийному механизму, однако суммарный тепловой эффект всех стадий данного процесса равен теплоте сгорания глюкозы.

На рисунке приведено схематическое изображение некоторого обобщенного химического процесса превращения исходных веществ А1, А2… в продукты реакции В1, В2…, который может быть осуществлен различными путями в одну, две или три стадии, каждая из которых сопровождается тепловым эффектом ДHi.

Согласно закону Гесса, тепловые эффекты всех этих реакций связаны следующим соотношением:

ДH1 = ДH2 + ДH3 = ДH4 + ДH5 + ДH6

Закон открыт русским химиком Г.И. Гессом в 1840 г., он является частным случаем первого начала термодинамики применительно к химическим реакциям. Практическое значение закона Гесса состоит в том, что он позволяет рассчитывать тепловые эффекты самых разнообразных химических процессов; для этого обычно используют ряд следствий.

Следствия из закона Гесса.

Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье - Лапласа).

Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплоты образования (ДHf) продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты (н):

Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплоты сгорания (ДHc) исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты (н):

Таким образом, пользуясь табличными значениями теплоты образования или сгорания веществ, можно рассчитать теплоту реакции, не прибегая к эксперименту. Табличные величины теплоты образования и сгорания веществ обычно относятся к т. н., стандартным условиям. Для расчёта теплоты процесса, протекающего при иных условиях, необходимо использовать и другие законы термохимии, например, закон Кирхгофа, описывающий зависимость теплового эффекта реакции от температуры.

Если начальное и конечное состояния химической реакции (реакций) совпадают, то ее (их) тепловой эффект равен нулю.

2. Какие вещества называются ингибиторами и ретардантами

Ингибиторы химические вещества, тормозящие разнообразные химические реакции.

Находят широкое применение для предотвращения или замедления нежелательных процессов, например коррозионного разрушения металлов, окисления топлив, смазочных масел и пищевых продуктов, полимеризации, старения полимеров.

Характерной особенностью И. х., является эффективность их в малых концентрациях - от тысячных долей % до нескольких %. Эффективность ингибирования зависит от природы И. х., и характера ингибируемой реакции, а также от количества И. х., времени его введения в реакционную среду, температуры, содержания других веществ, влияющих на эффективность ингибитора.

Ингибиторы коррозии вводят в коррозионно-активную среду для защиты металлов от коррозии.

Ингибиторы коррозии относятся к наиболее эффективным средствам борьбы с коррозией и находят широкое применение при травлении металлов с целью удаления окалины, для защиты энергетического оборудования, при добыче и переработке нефти и газа, в промышленном и бытовом водоснабжении, в охладительных системах промышленного оборудования и транспортных средств (двигатели внутреннего сгорания), для защиты от атмосферной коррозии изделий машиностроения, при гидроиспытаниях и так далее.

Широко используют И. х., для защиты деталей машин и приборов во время межоперационного хранения, консервации и транспортировки. Защитное действие ингибиторов коррозии определяется их способностью изменять кинетику электрохимических реакций, обусловливающих коррозионный процесс.

В зависимости от того, какую из электрохимических реакций сильнее тормозят ингибиторы коррозии, они делятся на анодные, катодные и смешанные.

К анодным ингибиторам коррозии относятся, например, такие окислители, как хроматы и нитриты, широко применяемые в промышленности (авиационной, химической, нефтеперерабатывающей и т. д.). При действии этих И. х., металл переходит в устойчивое, пассивное состояние. В качестве катодных ингибиторов коррозии применяют соли мышьяка и висмута, а также различные органические соединения, повышающие перенапряжение водорода на металле. Катодными ингибиторами коррозии могут служить также вещества, поглощающие катодные деполяризаторы, в частности, для защиты котельной аппаратуры применяют гидразин или сульфит натрия, связывающие растворённый в воде кислород. В зависимости от природы коррозионной среды различают ингибиторы коррозии для кислых, нейтральных и щелочных сред, а также ингибиторы атмосферной коррозии. Для защиты от атмосферной коррозии, например, широкое распространение получили так называемые летучие ингибиторы, пары которых адсорбируются на поверхности металла. Широко распространённый и эффективный метод применения ингибиторов атмосферной коррозии - введение их в упаковочные материалы. Для защиты чёрных металлов применяют нитрит дициклогексиламмония (НДА), карбонат циклогексиламмония (КЦА), смеси мочевины или гексаметилентетрамина (уротропина) с нитритом натрия (УНИ); для защиты чёрных металлов в сочетании с цветными - соли нитро - и динитробензойной кислот с аминами. С целью предотвращения коррозии металлов И. х. вводят также в топлива, масла, смазки и полимерные покрытия. В масла и смазки добавляют окисленные нефтепродукты, нитрованные масла, сульфонаты, амины, нитриты и др.

В полимерные покрытия - хроматы, нитрованные масла и др. Ингибиторы окислительных реакций тормозят окисление молекулярным кислородом; они добавляются к топливам, маслам и смазкам для замедления их окисления при хранении и в процессе применения. Содержание в топливах и маслах некоторых металлов оказывает каталитическое действие на окисление и снижает эффективность И. х.

Для устранения этого влияния в топлива вводят так называемые дезактиваторы металлов, например салицилидены, образующие с металлами нереакционноспособные комплексы. В качестве ингибиторов окислительных реакций используют главным образом фенолы, ароматические амины и некоторые сернистые соединения.

Например, в бензины добавляют фенил-n-aминофенол, 2,4-диметил-6-трет-бутилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (техническое название тонанол-О) и др.

И. х., вводимые с той же целью в смазочные масла (см. Присадки), обладают обычно сложной химической природой и, помимо повышения стойкости к окислению, улучшают также и ряд других эксплуатационных характеристик масел.

Ингибиторы окисления пищевых продуктов - природные или синтетические вещества, задерживающие окисление жиров и жиросодержащих продуктов. Примерами таких ингибиторов являются известные с глубокой древности пряности - тимьян, шалфей, тмин и т. п., которые придают продуктам приятный запах и ингибируют их окисление (прогоркание). Природные ингибиторы, из которых наиболее известны токоферолы, содержатся во многих натуральных жирах и маслах, однако теряются при их рафинировании; поэтому в рафинированные жиры и масла обычно вводят И. х.

Для этих целей используют, например, природные продукты - сырое хлопковое или соевое масла (в концентрациях до 5%), или же синтетические продукты, например нетоксичные сложные эфиры галловой кислоты - этил- и пропилгаллаты, ионол (3,5-ди-трет-бутил-4-окситолуол), а также многие фенолы и амины (например, для предохранения от окисления льняного масла). Действие И. х. в этих случаях может усиливаться другими веществами, например лимонной и аскорбиновой кислотами.

Ингибиторы полимеризации задерживают или замедляют полимеризацию мономеров (а также олигомеров) при их хранении или перегонке. Ингибиторы полимеризации должны предохранять не только от спонтанной полимеризации, но и от окисления кислородом воздуха. Ингибиторами полимеризации являются сера, фенолы, таннин, канифоль, соли меди и др.

Ретарданты. В мировом сельскохозяйственном производстве используется около 20ретардантов, относящихся Хлорхолинхлорид (в нашей стране выпускается под названием ТУР, за рубежом ССС) широко применяется в сельском хозяйстве многих стран. Это чрезвычайно эффективное и универсальное средство борьбы с полеганием хлебных злаков. Он способствует также повышению засухо- и морозостойкости зерновых культур. Применение хлорхолинхлорида необходимо для длинностебельных полегающих сортов пшеницы, растущих во влажную погоду, при использовании высоких доз азотных удобрений. Яровую пшеницу опрыскивают ретардантом летом в фазу начала выхода в трубку, а озимую - весной в конце фазы кущения.

Расходуется хлорхолинхлорида всего 4-6 килограммов на гектар. При механизированном опрыскивании расход воды на гектар составляет 100 литров, а с помощью авиации - только 25.

Как показали многочисленные испытания, хлорхолинхлорид нашел надежное применение в овощеводстве, особенно при выращивании рассады томатов. Обычно подготовка рассады в теплицах ведется при большой густоте посева и недостатке света. Из-за этого часто вырастают вытянутые и ослабленные растения. Опрыскивание рассады томатов в момент, когда у нее только образовалось два-три настоящих листа, раствором хлорхолинхлорида уменьшает высоту стебля в 1,5-2 раза за счет образования низкорослого утолщенного стебля, что очень удобно для механизированной посадки. При этом увеличивается число настоящих листьев и мощней становится корневая система. На томатах, обработанных ретардантом, образуется больше бутонов, цветов и завязи. Созревание, таким образом, ускоряется почти па неделю.

Сегодня при возделывании высокоинтенсивных сортов яблони, груши, вишни, черешни и многих других плодовых культур их кроны стараются ограничивать. Сделать это можно с помощью обрезки и наклона ветвей. Но такие операции требуют квалифицированного ручного труда. Поиски подтолкнули химиков к созданию новых регуляторов, подавляющих рост растений. На основе N-диметилгидразида янтарной кислоты была создана группа препаратов под торговым названием алар.

Алар может творить чудеса. Обрабатывая им весной яблони или груши, можно замедлить рост побегов и одновременно ускорить закладку цветочных почек и таким образом повысить урожай в следующем году. У плодовых деревьев, обработанных осенью, можно отодвинуть в будущем году цветение и избежать весенних заморозков. С помощью алара предотвращают нежелательное явление - опадение плодов перед уборкой, а также ускоряют созревание и даже улучшают окраску плодов. Обработка кустов малины уменьшает в два-три раза длину побегов и тем самым повышает морозостойкость растений. По своей эффективности алар превосходит многие аналогичные препараты.

Но есть у этого вещества и недостатки. Например, опасны повторные обработки, особенно взрослых деревьев. Они перегружаются урожаем, что приводит к резким и длительным перерывам в плодоношении. У некоторых сортов плодовых деревьев после обработки аларом урожай иногда теряется. Отрицательная черта алара - его высокая устойчивость и опасность накопления в окружающей среде. Для человека и теплокровных животных алар безвреден, но опасен для рыб. В связи с этим в нашей стране в производственном садоводстве алар не применяется. Наши ученые ведут исследования по созданию препаратов, сходных с аларом, но легкоразлагающихся и менее токсичных.

Каждый знает, как важно не только вырастить урожай, но и собрать, а потом и сберечь его. Половина общих затрат в садоводстве, а то и больше, расходуется на ручной труд по сбору плодов и ягод. Если зерновые, картофель и некоторые овощи убирают с полей с помощью техники, то сбор фруктов остается пока проблемой для инженеров-конструкторов сельскохозяйственных машин. Механизированная уборка плодов и ягод в последние годы прокладывает себе нелегкий путь в мировом промышленном садоводстве. Пока все современные плодово-уборочные машины основаны на принципе встряхивания урожая с деревьев и кустов. Для успешной работы таких машин необходимо одновременное созревание плодов и ослабление их связи с плодоножками или плодовыми ветвями. Но оказалось, что не все ценные промышленные сорта плодовых деревьев и ягодных кустарников удовлетворяют этому требованию.

Физиологи растений знали о необычном газообразном регуляторе роста и развития - этилене. О нем мы уже рассказывали в предыдущих главах. Вспомним: действие выражается в ускорении созревания. Но газ применять в садах не очень-то удобно. И здесь химики пришли на помощь - создали "генераторы" этилена - сильнодействующие легкорастворимые в воде вещества, облегчающие механизированную уборку урожая.

На основе 2-хлорэтилфосфоновой кислоты был создан эффективный препарат - этрел. В растительных тканях он разлагается на соляную и фосфорную кислоты и этилен, который оказывает столь желательное физиологическое действие на растение. Опрыскивание вишен, черешен, слив этрелом в концентрации 0,1 процента за 10-15 дней до уборки ускоряет созревание и образование отделительного слоя между плодом и плодоножкой. Благодаря этому уборочной машине удается стряхивать почти все плоды. С необработанных деревьев с помощью машины удается собрать лишь одну треть плодов.

Итак, создание современных высокоинтенсивных и малотрудоемких технологий возделывания плодовых и ягодных культур - требование сегодняшнего дня.

Это возможно лишь при тесном сотрудничестве инженеров-конструкторов, химиков, создающих синтетические регуляторы, и физиологов, изучающих процессы роста и плодоношения растений.

3. Как зависит скорость реакции от температуры? В чем сущность теории Аррениуса? Что такое энергия активации

Вычислите энергию активации процесса по данным таблицы:

Начальная температура Т1К = 600;

Конечная температура Т2К = 645;

Константа скорости при Т1 = 83.9;

Константа скорости при Т2 = 407;

Процесс:

2NO2 = 2NO + O2

При фиксированной температуре реакция возможна, если взаимодействующие молекулы обладают определнным запасом энергии. Аррениус эту избыточную энергию назвал энергией активации, а сами молекулы активированными. По Аррениусу константа скорости k и энергия активации Ea связаны соотношением, называемым уравнения Аррениуса:

Здесь:

A - предшествующий экспоненциальный множитель;

R - универсальная газовая постоянная;

T - абсолютная температура.

Таким образом, при постоянной температуре скорость реакции определяет Ea. Чем больше Ea, тем меньше число активных молекул и тем медленнее протекает реакция. При уменьшении Ea скорость возрастает, а при Ea = 0 реакция протекает мгновенно.

Величина Ea характеризует природу реагирующих веществ и определяется экспериментально из зависимости:

k = f * (T)

Записав уравнение в логарифмическом виде и решая его для констант при двух температурах, находим Ea:

Если Ea = 50-100 кДж•моль-1, то из уравнения Аррениуса следует, что при изменении температуры реакции на 10 градусов ее скорость изменится в 2-4 раза.

Это правило было эмпирически установлено Вант-Гоффом:

Где:

г - температурный коэффициент скорости химической реакции.

Правило Вант-Гоффа имеет ограниченное применение, поскольку величина г зависит от температуры, а вне области:

- это правило вообще не выполняется.

Видно, что затрачиваемая на перевод начальных продуктов в активное состояние (А* - активированный комплекс) энергия затем полностью или частично вновь выделяется при переходе к конечным продуктам.

Разность энергий начальных и конечных продуктов определяет ДH реакции, которая от энергии активации не зависит.

Таким образом, по пути из исходного состояния в конечное система должна преодолеть энергетический барьер.

Только активные молекулы, обладающие в момент столкновения необходимым избытком энергии, равным Ea, могут преодолеть этот барьер и вступить в химическое взаимодействие.

С ростом температуры увеличивается доля активных молекул в среде реакций.

Предшествующий экспоненциальный множитель A характеризует общее число соударений.

Для реакций с простыми молекулами Aблизок к теоретической величине столкновений Z, т. е., A=Z, рассчитываемой из кинетической теории газов. Для сложных молекул A?Z, поэтому необходимо вводить сферический фактор P:

Данный фактор учитывает то обстоятельство, что для взаимодействия сложных активных молекул необходима определенная взаимная ориентация: течению процессов способствует столкновение молекул в положениях, когда в соприкосновение приходят их реакционно-способные связи или не поделенные пары электронов. Таким образом, уравнение имеет вид:

Здесь:

Z - число всех соударений;

P - доля соударений, благоприятных в пространственном отношении.

Тут мы принимает значения от 0 до 10-9.

Размерность константы скорости получается из соотношения:

И, как видно из уравнения Аррениуса, размерность предшествующий экспоненты та же. Для:

T = 300 * K

И концентраций, выраженных в моль•л-1, Z имеет следующие приблизительные значения в реакциях различной молекулярной сферы:

Анализируя выражение, приходим к выводу, что существуют две принципиальные возможности ускорения реакции:

а) увеличение температуры;

б) снижение энергии активации.

Энергия активации в химии и биологии - минимальное количество энергии, которое требуется сообщить системе (в химии выражается в джоулях на моль), чтобы произошла реакция.

Термин введён Сванте Августом Аррениусом в 1889. Типичное обозначение энергии реакции Ea.

Энергия активации в физике - минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости. В химической модели, известной как Теория активных соударений (ТАС), есть три условия, необходимых для того, чтобы произошла реакция. Молекулы должны столкнуться. Это важное условие, однако его не достаточно, так как при столкновении не обязательно произойдёт реакция.

Молекулы должны обладать необходимой энергией (энергией активации). В процессе химической реакции взаимодействующие молекулы должны пройти через промежуточное состояние, которое может обладать большей энергией. То есть молекулы должны преодолеть энергетический барьер; если этого не произойдёт, реакция не начнётся.

Молекулы должны быть правильно ориентированы относительно друг друга. При низкой (для определённой реакции) температуре большинство молекул обладают энергией меньшей, чем энергия активации, и неспособны преодолеть энергетический барьер. Однако в веществе всегда найдутся отдельные молекулы, энергия которых значительно выше средней. Даже при низких температурах большинство реакций продолжают идти. Увеличение температуры позволяет увеличить долю молекул, обладающих достаточной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер. Таким образом повышается скорость реакции.

5. Какова связь между константой равновесия и изобарным потенциалом реакции? Найдите константу равновесия реакций при стандартной температуре 298К

По реакции решением будет:

2H2 + O2 = 2H2O(г)

6. Как связана удельная электропроводность с эквивалентной электропроводностью? Что такое коэффициент электропроводности

Величина коэффициента электропроводности зависит от концентрации электролита и валентного типа.

По мере разбавления эти различия постепенно исчезают. Как определяется коэффициент электропроводности. С помощью коэффициентов электропроводности можно характеризовать как сильные, так и слабые электролиты. Для последних этот коэффициент равен степени диссоциации.

Одновременное определение коэффициентов электропроводности и тем самым факторов корреляции показывает, что с увеличением давления и падением температуры доля электролитической проводимости за счет переходов, растет. молекулярный кинетический энтальпия

С помощью коэффициентов электропроводности можно характеризовать как сильные, так и слабые электролиты. Для слабых электролитов этот коэффициент равен степени диссоциации.

В настоящей работе коэффициент электропроводности вычислен по формулам, с сечениями, зависящими от температуры.

Таким образом, коэффициент электропроводности сильных электролитов принимает значения меньше единицы не в результате неполной диссоциации, как в случае слабых электролитов, а за счет влияния сил между ионного взаимодействия.

Размещено на Allbest.ru