Основные признаки протекания гетерогенного процесса

Область		Признаки	Энергия активации, кДж/моль
Кинетическая		Скорость зависит от температуры, не зависит от перемешивания и длительности процесса	40-300
Переходная		Скорость зависит от температуры и от перемешивания	20-40
Диффузионная	Внутренняя диффузия	Скорость не зависит от температуры и перемешивания, пропорциональна концентрации растворителя и постепенно снижается со временем	8-20
	Внешняя диффузия	Скорость зависит от перемешивания и концентрации растворителя, почти не зависит от температуры	8-16

Растворение твердых тел является типичным гетерогенным процессом. Скорость растворения в стационарных условиях описывает уравнение ,

где и - соответственно концентрация насыщенного раствора у поверхности твердого тела и в объеме раствора, - толщина приповерхностного (пограничного) слоя, - коэффициент массообмена.

В изотермических условиях при постоянных величинах поверхности твердого тела и объема раствора используют константу растворения . Тогда для скорости растворения можно записать и рассчитать количество вещества , растворившегося при стационарном процессе за время , по уравнению

.

Из экспериментальных данных в случае нестационарного процесса растворения константу растворения можно вычислить по уравнению

,

где - время, за которое концентрация раствора изменяется от значения до значения ; - насыщенная концентрация.

Если растворение сопровождается химической реакцией, то закономерности протекания такого процесса определяются соотношением скоростей химической реакции и массообмена на границе раздела фаз. Эффективная константа скорости ( ) вычисляется по соотношению ,

где - константа скорости собственно химической реакции (обычно первого порядка), - константа скорости диффузии (коэффициент массообмена).

Для реакций, протекающих в диффузионной области ( ), кинетическое уравнение принимает вид

,

где и - соответственно концентрации реагента в объеме и у поверхности, на которой происходит взаимодействие.

Для реакций, протекающих в кинетической области ( ), концентрация реагента у поверхности равна нулю = 0, и кинетическое уравнение принимает вид

.

Константа скорости реакции может быть рассчитана по уравнению

,

где - время, за которое концентрация снизилась от до .

Лабораторные работы

Перед выполнением работ студенты обязаны ознакомиться с их теоретическими основами. Отчет по лабораторной работе должен быть выполнен в соответствии с СТО ИрГТУ.005-2007 и содержать теоретические основы работы, описание установки, экспериментальную и расчетную части, выводы. Все графики в отчете представляются на миллиметровой бумаге.

Работа 1. Определение константы скорости восстановления йода пероксидом водорода

Цель работы: ознакомление с закономерностями протекания гомогенных реакций первого порядка и определение константы скорости реакции.

Примером реакции первого порядка является реакция восстановления йода при окислении его ионов пероксидом водорода.

При этом протекают следующие реакции:

, (а)

, (б)

. (в)

Реакции (а) и (в) практически мгновенны, так как являются ионными, поэтому скорость процесса определяется скоростью реакции (б). Концентрация ионов йода поддерживается постоянной за счет прибавления одинаковых количеств гипосульфита натрия (по 0,5 см³), что сдвигает равновесие справа налево, возвращая пропорциональное количество ионов йода в реакцию. Скорость реакции определяется изменением концентрации пероксида водорода . Поэтому интегральная форма для расчета константы скорости будет иметь вид: . При использовании этой формулы вместо концентраций пероксида водорода можно использовать его объемы.

В ходе опыта в реакционную колбу приливается 10 см³ пероксида водорода. Однако к началу опыта некоторое его количество, пропорциональное объему в 0,5 см³, считаем вступившим в реакцию (б), так как в реакционной колбе находилось именно такое количество раствора гипосульфита натрия. Поэтому в начальный момент времени . Каждая новая порция гипосульфита натрия в 0,5 см³ снижает количество пероксида водорода от начального в 9,5 см³ до , где - порядковый номер добавления гипосульфита натрия в реакционный сосуд ( = 1 - это первое добавление, = 2 - второе добавление и т.д.), т.е. . Отсюда

. (28)

Приборы и материалы: технические весы, цилиндр на 500 см³, колба на 1 дм³, бюретка, пипетки на 10 и 20 см³ по 1 шт., секундомер, порошкообразный . Растворы: 0,1М , 0,05М , 0,05М , крахмал.