Министерство образования и науки Российской Федерации новосибирский государственный университет экономики и управления − «нинх»

Институт Прикладной информатики

Кафедра Современного естествознания и наукоемких технологий

Лабораторная работа и иргз № 2

ДИФФУЗИЯ В ГАЗАХ

Учебная дисциплина :_Химия и материаловедение___________________________

Номер варианта лабораторной работы:______

Наименование направления:_222000.62 Инноватика_________________________

Ф.И.О студента:______________________________________________________

Номер группы:________________________

Номер зачетной книжки ________________

Проверила:_Волкова Ольга Сергеевна_____

(Ф.И.О.)

Оценочное заключение:

Новосибирск 20__

ЭКСПЕРИМЕНТ 1.

ТАБЛИЦА 2. Изменение числа ___________ частиц в ___________ части сосуда от времени диффузии (при d = ____ мм).

t, с
N (t) (1 опыт)
N (t) (2 опыт)
N (t) (3 опыт)
N (t) (4 опыт)
N (t) (5 опыт)
Nср (t)
-

ЭКСПЕРИМЕНТ 2.

ТАБЛИЦА 3. Изменение числа ___________ частиц в ___________ части сосуда от времени диффузии (при d = _____ мм).

t, с
N (t) (1 опыт)
N (t) (2 опыт)
N (t) (3 опыт)
N (t) (4 опыт)
N (t) (5 опыт)
Nср (t)
-

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

ГРАФИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ

D₁ =

D₂ =

D_cp =

РАСЧЕТ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ

v_cp =

РАСЧЕТ МАССЫ МОЛЕКУЛЫ ГАЗА

М =

m =

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА И ИРГЗ № 3

КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Знакомство с компьютерной моделью, описывающей протекание химических реакций во времени.

• Экспериментальное определение кинетических параметров реакции: константы скорости, порядка реакции по компоненту.

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике: Глинка, Общая химия, гл. 6. §6.2.

Запустите программу «Открытая химия». Выберите модель 5.1. «Скорости химических реакций». Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

1. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА изучает закономерности протекания химических процессов во времени.

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ определяется изменением количества молей веществ (реагентов или продуктов) в единицу времени. Для гомогенной реакции, протекающей при постоянном объеме, уравнение которой записывается в виде n_AA + n_BB  n_PP + n_QQ, скорость реакции v определяется значением производной:

, (1)

где С_i – молярная концентрация данного вещества. Единица измерения скорости реакции – моль/л·с.

К ИНЕТИЧЕСКАЯ КРИВАЯ – графическая зависимость концентрации участвующих в реакции веществ от времени (рис. 1.)

Если провести касательную к кинетической кривой в выбранной точке, то значение тангенса угла наклона этой касательной будет численно равно скорости реакции в данный момент времени.

Рис. 1. Кинетические кривые для реагентов (1) и продуктов реакции (2).

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС: скорость элементарной химической реакции, протекающей при постоянной температуре в гомогенной среде, пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении этой реакции. Математическим выражением этого закона является кинетическое уравнение:

, (2).

ПОРЯДОК РЕАКЦИИ ПО ДАННОМУ РЕАГЕНТУ n_i – показатель степени при концентрации данного реагента в кинетическом уравнении. Сумма порядков реакции по всем компонентам называется ПОРЯДКОМ РЕАКЦИИ. Выделяют реакции первого, второго и третьего порядков.

КОНСТАНТА СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ k – величина, постоянная для данной реакции, ее значение не меняется с изменением концентраций реагентов, но зависит от температуры. Эта зависимость описывается уравнением Аррениуса:

, (3)

где R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура, Е_А – энергия активации – минимальная энергия, которой должны обладать сталкивающиеся частицы, чтобы произошла химическая реакция, А – аррениусовский множитель.

Реакция первого порядка АР. Для нее кинетическое уравнение записывается в виде: v = -dC_А/dt = k·С_А. Решением этого уравнения является экспоненциальная зависимость концентрации реагента от времени: С_А = С_А0·е ^–kt, где С_А0 – начальная концентрация вещества А. Из уравнения материального баланса получается выражение для концентрации продукта реакции: С_Р = С_А0 (1 – е ^–kt). Часто для реакций первого порядка используется другая количественная характеристика − период полупревращения вещества t_1/2 – время, за которое концентрация вещества уменьшается в 2 раза по сравнению с исходной. С константой скорости реакции период полупревращения связан соотношением: t_1/2 = (ln2) / k. Размерность константы скорости первого порядка – с^-1.

Реакция второго порядка 2АР. Для нее кинетическое уравнение записывается в виде: v = -dC_А/dt = 2k·С²_А. Решением этого уравнения является зависимость вида: 1 / С_А = 2kt + 1 / С_А0.

2. ГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

Чтобы определить порядок химической реакции по данному компоненту, нужно измерить зависимость текущей скорости реакции от концентрации этого вещества в данный момент времени. Действительно, если для реакции n_AA + n_BB  n_PP + n_QQ прологарифмировать кинетическое уравнение, то получим: ln v = ln k + n_A·ln C_A + n_B·ln C_B. Если концентрации других веществ взяты в большом избытке по сравнению с концентрацией исследуемого компонента, то их изменением в ходе процесса можно пренебречь. Следовательно, ln v = const + n_Аln C_A. Из тангенса угла наклона зависимости логарифма скорости реакции от логарифма концентрации вещества определяется порядок реакции по данному компоненту n_i.

Для определения константы скорости реакции первого порядка AВ нужно построить график зависимости логарифма концентрации реагента ln C_А от времени t. Модуль тангенса угла наклона полученной прямой равен значению k.

Для реакции второго порядка 2AВ нужно построить график зависимости обратной концентрации реагента 1/C_А от времени t. Модуль тангенса угла наклона полученной прямой дает значение 2k.

Для расчета энергии активации нужно определить константу скорости реакции при разных температурах и построить график зависимости логарифма константы скорости ln k от обратной температуры 1/T. Тогда по значению тангенса угла наклона полученной зависимости определяется отношение Е_А/R. Также можно производить расчет по двум измерениям по формуле:

(4).

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Внимательно рассмотрите рисунок 2. С помощью мыши в данной работе можно выбирать вид химической реакции и задавать исходные концентрации веществ. При этом справа высвечивается кинетическое уравнение реакции (“Закон скорости”), значение константы скорости и текущие значения скорости реакции и концентрации реагента. При нажатии кнопки “Старт” точка на графике зависимости концентрации исходного вещества от времени начинает перемещаться, синхронно с ней изменяются показания в правом окне. В данной модели реакцию можно останавливать в любой точке кинетической кривой, нажимая кнопку “Стоп”, и снова запускать кнопкой “Старт”.

Рис. 2.

ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

ЭКСПЕРИМЕНТ 1. Исследование кинетики реакций первого порядка.

1. Выберите нужную реакцию из списка, задайте начальную концентрацию исходного вещества. Задания для каждого варианта приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. (не перерисовывать)

Значения начальной концентрации исходного вещества

Номер компьютера/ Номер в списке группы	1, 15	2	3	4	5	6	7
Реакция	С2Н6  2 СН3 (ЕА = 354 кДж/моль)
С0, моль/л	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Т, К	600	700	800	900	1000	1100	1200
Номер компьютера/ Номер в списке группы	8	9	10	11	12	13	14
Реакция	циклопропан  пропен (ЕА = 272 кДж/моль)
С0, моль/л	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Т, К	400	500	600	700	800	900	1000

2. Нажмите кнопку “Старт” и через некоторое время после начала процесса нажмите кнопку “Стоп”. Запишите в таблицу 2 значение текущей концентрации исходного вещества (в правом окне) и времени (определяется по положению точки на графике). Повторяя эту процедуру 5-6 раз, заполните табл. 2.

ТАБЛИЦА 2. Результаты измерений и расчетов.

Изменение концентрации _______ от времени для реакции при температуре ____ К.

t, с	0
С(t), моль/л
ln C

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА:

1. Вычислите и запишите в таблицу 2 все указанные значения.

2. По данным табл. 2. постройте график экспериментальной зависимости ln C = f(t). По тангенсу угла наклона полученной прямой определите значение константы скорости данной реакции. Также константу скорости можно найти по данным табл. 2 по формуле: . Сравните полученное значение со значением, которое приводится в окне модели.

3. Используя полученное значение константы скорости и справочные данные об энергии активации исследуемой реакции (см. табл. 1), определите по формуле 4 значение константы скорости этой реакции при другой температуре, указанной в таблице 1 для данного варианта.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2. Определение порядка химической реакции по компоненту (2 способа).

Задания для каждого варианта приведены в таблице 3.

ТАБЛИЦА 3 (не перерисовывать).

Значения начальной концентрации исходного вещества.

Номер компьютера/ Номер в списке группы	1, 15	2	3	4	5	6	7
Реакция	2НI  Н2 + I2
С0, моль/л	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Номер компьютера/ Номер в списке группы	8	9	10	11	12	13	14
Реакция	2NO2  2NO + O2
С0, моль/л	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Номер компьютера/ Номер в списке группы	1, 8, 15	2, 9	3, 10	4, 11	5, 12	6, 13	7, 14
Реакция	2N2O  2N2 + O2
С0, моль/л	1; 2; 4; 5	1,5; 2,5; 3,5; 4,5	1,5; 2,5; 4; 5	1; 2; 3,5 4,5	1; 2,5; 3,5; 5	1,5; 2,5; 3; 4	1,5; 2; 3,5; 4

1 способ. Выберите реакцию 2НI  Н₂ + I₂ или 2NO₂  2NO + O₂ в зависимости от номера варианта и установите требуемую начальную концентрацию. Нажмите кнопку “Старт” и через некоторое время после начала процесса нажмите кнопку “Стоп”. Запишите в таблицу 4 значения текущей концентрации исходного вещества и скорости реакции (в правом окне). Повторяя эту процедуру несколько раз, заполните таблицу 4.

ТАБЛИЦА 4. Результаты измерений и расчетов.

Изменение скорости разложения _________ и концентрации исходного вещества при температуре ___ К от времени.

t, c	0
С(t), моль/л
ln C
v(t), моль / л·с
ln v

2 способ. Выберите реакцию 2N₂O  2N₂ + O_2.. Последовательно задавайте указанные в таблице 3 начальные концентрации исходного вещества. Запишите в таблицу 5 значения начальной концентрации исходного оксида азота и значения начальной скорости (в правом окне).

ТАБЛИЦА 5. Результаты измерений и расчетов.

Изменение скорости разложения оксида азота _______ от его начальной концентрации при температуре _____ К.

С0, моль/л
ln C0
v0, моль / л·с
ln v0

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. Вычислите и запишите в таблицы все указанные значения.

2. По данным табл. 4. постройте график экспериментальной зависимости ln v(t) от ln C(t). По тангенсу угла наклона прямой определите порядок реакции по исходному веществу. Расчет можно производить и по данным табл. 4. по формуле .

3. По данным табл. 5. постройте график зависимости ln v₀ от ln C₀. По тангенсу угла наклона прямой рассчитайте порядок реакции. Расчет можно производить и по данным табл. 5. по формуле .

4. Сделайте вывод, всегда ли значение порядка реакции можно определить, исходя из записанного уравнения реакции.

РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ»

1. По таблице 6 определите порядковые номера задач для своего варианта и выберите их из общего списка.

ТАБЛИЦА 6.

Номер компьютера/ Номер в списке группы	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Номера задач в списке	1, 16	2, 17	3, 18	4, 19	5, 20	6, 21	7, 22	8, 23	9, 24	10, 25	11, 26	12, 27	13, 28	14, 29	15, 30

2. В отчет кратко запишите условие задачи, необходимые справочные данные и приведите решение каждой задачи.

Контрольные задачи по теме «Кинетика химических реакций».

1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе 2NO (г.) + O₂ (г.)  2NO₂ (г.), если концентрация NO уменьшится в 2 раза, а концентрация О₂ – в 3 раза?

2. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе 2NO (г.) + O₂ (г.)  2NO₂ (г.), если концентрация NO увеличится в 3 раза, а концентрация О₂ – в 2 раза?

3. Как изменится скорость реакции 2СО (г.) + О₂ (г.)  2СО₂ (г.), если давление в системе увеличивается в 10 раз?

4. Как изменится скорость реакции 2СО (г.) + О₂ (г.)  2СО₂ (г.), если концентрация СО уменьшается в 2 раза, а концентрация О₂ возрастет в 5 раз?

5. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе 2NO (г.) + O₂ (г.)  2NO₂ (г.), если объем газовой смеси уменьшить в 3 раза?

6. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе 2NO (г.) + Cl₂ (г.)  2NOCl (г.), если объем газовой смеси увеличить в 2 раза?

7. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе 2NO (г.) + O₂ (г.)  2NO₂ (г.), если концентрация NO увеличится с 0,01 М до 0,08 М, а концентрация О₂ – с 0,02 М до 0,2 М?

8. Как изменится скорость реакции 2СО (г.) + О₂ (г.)  2СО₂ (г.), если концентрация СО уменьшается с 0,1 М до 0,05 М, а концентрация О₂ – с 0,2 М до 0,15 М?

9. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе 2NO (г.) + O₂ (г.)  2NO₂ (г.), если концентрация NO увеличится с 0,05 М до 0,2 М, а концентрация О₂ – с 0,01 М до 0,04 М?

10. Как изменится скорость реакции 2СО (г.) + О₂ (г.)  2СО₂ (г.), если концентрация СО уменьшается с 0,5 М до 0,05 М, а концентрация О₂ – с 0,1 М до 0,02 М?

11. Во сколько раз изменится скорость обратной реакции в системе 2NO (г.) + O₂ (г.)  2NO₂ (г.), если объем газовой смеси уменьшить в 3 раза?

12. Как изменится скорость реакции 2СО (г.) + О₂ (г.)  2СО₂ (г.), если объем системы увеличивается в 10 раз?

13. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе 2NO (г.) + Cl₂ (г.)  2NOCl (г.), если давление увеличивается в 5 раз?

14. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе 2NO (г.) + Cl₂ (г.)  2NOCl (г.), если концентрация NO увеличивается в 2 раза, а концентрация Cl₂ уменьшается в 5 раз?

15. Во сколько раз изменится скорость обратной реакции в системе 2NO (г.) + Cl₂ (г.)  2NOCl (г.), если давление уменьшается в 4 раза?

16. Период полураспада изотопа ¹³N равен t_1/2 = 9,93 мин. За какое время распадется 90% этого изотопа?

17. Период полураспада изотопа ¹³¹I равен t_1/2 = 8 суток. За какое время распадется 90% этого изотопа?

18. Период полураспада изотопа ²⁰⁶Ро составляет 8,8 суток. Определить, какой процент атомов распадется за 20 сут.

19. Определить период полураспада изотопа ²⁰⁸Аt, если известно, что за 2,83 часа он распадается на 70%.

20. Период полураспада изотопа ²⁰⁵Вi составляет 15,3 суток. Определить, какой процент атомов распадется за 35 сут.

21. Определить период полураспада изотопа ²¹¹Аt, если известно, что за 23,95 часа он распадается на 90%.

22. Определить период полураспада изотопа ²⁰⁷Аt, если известно, что за 4,2 часа он распадается на 80%.

23. Период полураспада изотопа ¹⁸F равен t_1/2 = 109 мин. За какое время распадется 90% этого изотопа?

24. Период полураспада трития Т равен 12,34 года. За какое время распадется 90% этого изотопа?

25. Период полураспада изотопа ¹²⁸I равен t_1/2 = 25 мин. За какое время распадется 99% этого изотопа?

26. Определить период полураспада изотопа ²⁰⁹Аt, если известно, что за 7,15 часа он распадается на 60%.

27. В лаборатории имеется 10 мг изотопа стронция-81 (t_1/2 = 8,5 ч). Сколько мг изотопа останется спустя 34 ч хранения?

28. Период полураспада изотопа ²⁰⁷Ро составляет 5,8 ч. Определить, какой процент атомов распадется за 20 ч.

29. Период полураспада изотопа ¹³³I равен t_1/2 = 20,8 ч. За какое время распадется 99% этого изотопа?

30. Период полураспада изотопа ⁸²Sr составляет 25,36 суток. Определить, какой процент атомов распадется за 40 сут.

Форма отчета по лабораторной работе № 3

(переписывается от руки или распечатывается и заполняется от руки)