книги из ГПНТБ / ФIленко О.Г. ЗбIрник задач з фIзичноI химII навчальний посiбник для студентiв металлургiйних спецiальностей вузiв

Визначити константи рівноваги для цих температур і енергію ак­ тивації прямої і зворотної реакцій.

Відповідь: 1,287 • 102; 15; 375,8 МДж; 479 МДж.

25. Константи швидкості омилення етилацетату лугом СН3 СООС2 Н5 4- NaOH = CH3COONa 4- С2 Н5 ОН

при 282,6 і 287,6 К відповідно дорівнюють 2,37 і 3,204 кмоль-1 • м 3 х X х в - 1 .

При якій температурі константа швидкості цієї реакції дорівнюва­ тиме 4 кмоль - 1 • м 3 • х в - 1 ?

Відповідь: 291,3 К.

26. Константи швидкості реакції другого порядку при 328,2 і

298,2 К відповідно дорівнюють 10~2 і 10~3 кмоль- 1 • м 3 • х в - 1 . Визначити швидкість цієї реакції при 343,2 К в початковий момент

реакції, якщо початкові концентрації обох речовин однакові і дорів­

Загальне число молекул, що беруть участь у зіткненні за 1 с в 1 м3 , можна знайти за формулою

В акті хімічного перетворення беруть участь тільки активні моле­ кули, які в момент зіткнення мають належний надлишок енергії. Чис­

Фактор імовірності визначає ефективність співударянь залежно від взаємної орієнтації і тривалості перебування молекул у зближенні.

Згідно з теорією активного комплексу перетворення вихідних ре­ човин у продукти реакції протікає через утворення активних комплек­

Активні комплекси, що перебувають у рівновазі з вихідними речо­ винами, самодовільно розпадаються з утворенням продуктів реакції; при цьому повністю або частково виділяється енергія, поглинена на утворення активних комплексів.

Константу швидкості реакції можна визначити за рівнянням

активації.

Задача. У скільки разів збільшиться відносне число активних мо­ лекул при підвищенні температури від 300 до 400 К, якщо енергія активації реакції становить 100 МДж?

Р о з в ' я з а н н я . Відносне число активних молекул при 300 К можна знайти з рівняння

При підвищенні температури від 300 до 400 К відносне число ак­ тивних молекул збільшилося в

Число зіткнень між усіма молекулами:

в 8 VSM ( 3 ' 5 - 2 ' ° ~ 1 0 ) ' (12,04 • Ю«)» У 8 - З Н 1 2 ^ 1 2 5 6 6 ' 2 = 1,21 • 10-

зіткнень.

Число молекул, які стикаються:

Z" = 2Z1 = 1,21 - 103 8 • 2 = 2,42 • 1038 молекул.

Поділивши число молекул, які стикаються, на число Авогадро, дістанемо число зіткнень, визначене через число кіломолів, молекули яких стикаються за 1 с в 1 м3 :

28. Визначити середню довжину вільного шляху молекул кисню при нормальних умовах, якщо при цих умовах в 1 м 3 міститься 2,687 х

X1025 молекул кисню. Діаметр молекули кисню дорівнює 1,2 • 1 0 _ І 0 м .

Відповідь: 5,83 • І(Г 7 м.

29. Визначити діаметр молекул водню, якщо довжина вільного шляху молекул водню при нормальних умовах дорівнює 1,2 • 10 - 7 м.

В1 м 3 міститься 2,687 • К Р молекул водню. Відповідь: 2,644 • 10~10 м.

Визначити у скільки разів збільшиться відносне число активних молекул N 2 0 при підвищенні температури від 298 до 800 К.

Відповідь: 5,1 • 1027.

32. При 1000 К енергія активації реакції

СН4 = С + 2Н 2

дорівнює 3,5 • 108 Д ж - к м о л ь - 1 , енергія активації цієї реакції при на­ явності каталізатора платини — 2,3 • 108 Дж • кмоль - 1 .

Визначити, у скільки разів збільшиться відносне число активних молекул метану при наявності платини.

Відповідь: 1,849 • 10е раза.

35. Визначити константу швидкості димеризації етилену

2С2 Н4 С4 Н8

при 673 К, якщо при цій температурі для бутену-1 теплота і ентропія активації відповідно дорівнюють 137 МДж • кмоль - 1 і —147 КДж X X кмоль - 1 .

Відповідь: 1,91 • 1 0 ~ 6 с _ 1 .

36. Визначити константи швидкості прямої і зворотної реакцій і константу рівноваги при 2500 К для реакції розкладу оксиду азоту (II)

2NO <> N 2 + 0 2 .

Теплота і ентропія активації для прямої реакції відповідно дорів­ нюють 2,76 • 10* Д ж і — 85,7 кДж, а для зворотної 4,567 • 108 Д ж і —60,54 кДж.

Відповідь: 2,977 • 103 • с - 1 ; 10,23 с - 1 ; 2,911 • 10а.

КІНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННОГО ПРОЦЕСУ

Гетерогенним називається процес, в якому реагуючі речовини пе­ ребувають у різних фазах.

До гетерогенних процесів відносять багато металургійних проце­ сів: відновлення твердих оксидів воднем, горіння твердого і рідкого палива, розчинення газів у металах та ін.

Гетерогенні процеси протікають на поверхні розділення фаз і то­ му швидкість гетерогенного процесу визначається кількістю речови­ ни, що реагує на одиниці поверхні розділення фаз за одиницю часу.

Гетерогенний процес протікає в кілька стадій: підведення реагую­ чої речовини до поверхні поділу фаз (реакційної зони), власне хі­ мічна реакція, що протікає на поверхні поділу фаз, і відведення продуктів реакції з реакційної зони. Кожний процес цих стадій проті­ кає з різною швидкістю. Швидкість гетерогенного процесу визначає­ ться швидкістю найповільнішої стадії.

З гетерогенних процесів найбільше досліджена кінетика розчинення твердої речовини в рідині. У нерухомій рідині цей процес дуже по­ вільний і відбувається внаслідок дифузії. Швидкість розчинення ви­ значається швидкістю дифузійного процесу. При перемішуванні ріди­ ни на поверхні твердої речовини утворюється нерухомий шар рідини — так званий дифузійний шар, усередині якого перенесення речовини здійснюється дифузією.

Швидкість дифузії через цей шар залежить від різниці між концен­ траціями поблизу поверхні твердої речовини та в усьому іншому об'є­ мі речовини і від товщини дифузійного шару. Із збільшенням швид­ кості перемішування розчину товщина дифузійного шару зменшується.

Швидкість розчинення можна визначити за рівнянням А. Н. Щукарьова

З рівняння (VI1,37) випливає, що швидкість розчинення в певний момент пропорційна тій кількості речовини, яка ще може розчинитися в одиниці об'єму розчину.

Якщо поверхня стикання фаз, об'єм рідини і швидкість перемішу­

Для другого випадку, коли t = 60 хв, константа швидкості розчи­ нення дорівнює

20 хв, а також скільки часу буде потрібно, щоб такий самий об'єм вуг­

к= - Т - - ^ - с ^ с 7 -

Константа швидкості розчинення СаС08 :

Кількість кислоти, витрачена на розчинення СаС03 протягом 20 хв: 0,1055 = - ^ . . i g _ _ i _ _ t

звідки

або

1 — С , = 0,1213,

Сх = 0,8787 кекв • м - 3 .

Протягом 20 хв витрачається 0,8787 кеквівалента НС1. Отже, ви­ діляється така сама кількість грам-еквівалентів С 0 2 . Один кілоеквівалент С 0 2 при нормальних умовах займає 11,2 м3 .

Об'єм С 0 2 , що виділився протягом 20 хв: 11,2 • 0,8787 = 9,84 м3 .

Задачі

37. Визначити коефіцієнт дифузії вуглецю в а-залізі при 1000 К. Залежність коефіцієнта дифузії від температури визначаємо за рів­ нянням

—84,16.10»

38. Визначити коефіцієнт дифузії азоту в а-залізі при 298 і 1000 К. Залежність коефіцієнта дифузії від температури визначаємо за рів­ нянням

39. Розчинність РЬС12 у воді при 298 К дорівнює 38,66 моля на 1 м 3 . Протягом 10,5 хв при сталих швидкості переміщування і поверхні в сталому об'ємі, що дорівнює 1 м3 , розчинилося 6,14 моля, а за 1 год у тих самих умовах — 24,58 моля.

Визначити середню величину константи швидкості розчинення РЬС12 і час, який потрібний для того, щоб насичення розчину РЬС12 досягло 90%.

Відповідь: 1,665 • 10 - 2 х в - 1 ; 138,3 хв.

40. Нижче наведено результати дослідження швидкості розчинен­ ня CaS04 в 0,05 л води при 298 К:

Швидкість перемішування була сталою. Об'єм води — 1 м3 . Кон­ центрація насиченого розчину при 298 К дорівнює 0,1047 кг в 0,05 л розчину. Поверхня алебастру зберігалася сталою.

Визначити константу швидкості розчинення CaS04 при зазначених умовах.

Відповідь: 3,663 г о д - 1 .

41. Мідна куля обертається в азотній кислоті і її час від часу зва­ жують. Протягом першої секунди вага зменшується від 4,3465 • 10~3 до 4,0463 • 10~3 кг, а протягом другої секунди — від 4,0463 • 10 - 3 до 3,7673 • 10~3 кг. Середня поверхня за ці інтервали часу відповідно дорівнювала 2,8993 • 10~2 і 2,764 • 10 - 2 м3 . Маючи на увазі, що об'єм кислоти дуже великий і концентрація її залишається практично ста­ лою, визначити, скільки грамів міді розчиниться протягом 6-ї секунди, якщо середня поверхня в цей час дорівнюватиме 2,2515 • 10~2 -м2 .

Відповідь: 2,3 • 10 - 4 кг.

42., Визначити товщину дифузійного шару навколо CaS04, якщо коефіцієнт дифузії дорівнює 6,041 • 10 - 5 м2 • год - 1 , а поверхня але­ бастру становить 3,155 • 10~3 м2 . Константа швидкості розчинення CaS04 в 1 л води дорівнює 3,663 год .

Відповідь: 5,2 • 10~5 м.