Практикум ФизХим Кинетика. Катализ Михаленко 2018
.pdfСЕМИНАР ПО РАЗДЕЛУ «ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. КАТАЛИЗ»
Обсудить:
1.Порядок реакции, молекулярность реакции.
2.Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.
3.Зависимость скорости реакции от температуры. Срок и условия хранения лекарств.
4.Влияние катализатора на скорость реакции.
Задачи, отмеченные * для домашнего решения.
1. Как связана скорость реакции, выраженная по водороду, со скоростями этой реакции, выраженной по другим
компонентам: а) 2Н2 + О2 = 2Н2О ; б) С6Н6 + 3 Н2 = С6Н12; в)
2NH3 = N2 + 3Н2.
2.Вещество А смешано с В и С в равных концентрациях (С0 =1 моль/л). Через 1000 секунд осталось 50% А. Сколько вещества А останется через 2000 с, если реакция имеет а) нулевой, б) первый, в) второй порядок ?
3.*Реакция омыления эфира СН3СООС2Н5 + КОН = СН3СООК + С2Н5ОН является реакцией второго порядка. Через
10минут после начала реакции С(КОН) была равна 0,04 моль/л. Сколько времени необходимо, чтобы исходные вещества прореагировали на 75%, если их начальные концентрации одинаковые и равны 0,1 моль/л ?
4.При лечении онкологических заболеваний в опухоль вводят препарат, содержащий Ir192. Какая часть введенного
радионуклида останется в опухоли через полгода, если t1/2 = 74 суток, если процесс распада соответствует кинетическому уравнению первого порядка? Через какое время останется 1% изотопа?
63
5.Как изменится скорость реакции при повышении температуры от 100 до 450С, если температурный коэффициент скорости реакции равен: А) 2 : Б) 2,7 ?
6.Определите срок хранения лекарства при 250С, если при
500половина вещества разлагается за 72 часа? Температурный
коэффициент реакции разложения = 2,6.
7.*При какой температуру надо хранить лекарство чтобы срок годности был не менее 365 дней, если при 50 0С половина вещества разлагается за 72,5 часа?
8.* При какой температуре нужно хранить лекарство при сроке годности 365 дней, если при 600 половина вещества разлагается за 20 часов?
9.* Разложение спазмолитина в растворе является реакцией
первого порядка с Еа=75 кДж/моль. Период полупревращения при 200С равен 103 часам. Рассчитайте время, за которое разложится 25% спазмолитина при 20 0С и 370С ?
10.Сравните скорости каталитического и некаталитического
разложения ацетальдегида при 800 К, если без катализатора Еа= 45,5 ккал/моль, а в присутствии катализатора Еа= 32,5 ккал/моль.
11.*Во сколько раз уменьшится период полупревращения (Т=298К) реакции первого порядка при введении в реакционную смесь катализатора, если энергия активации реакции снижается на 15 кДж/моль.
ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ.
Расчетно-графические работы выполняются на миллиметровой бумаге или на компьютере (приложение ЕXEL с распечатанным отчетом). Задание должно иметь название, содержать исходные данные и расчеты. Графики должны быть вклеены. Обязательно записать вывод.
Определение порядка сложной реакции
Задание 1. Определите порядок реакции разложения С2Н5Cl при 5000С, если известны следующие экспериментальные данные
64
С0, моль/л |
0,05 |
0,06 |
0,03 |
0,02 |
0,01 |
W0, мкмоль/(л ч) |
1,30 |
1,04 |
0,80 |
0,52 |
0,36 |
Задание 2. Определите порядок реакции разложения вещества А в водном растворе по следующим экспериментальным данным
С0, моль/л |
4,625 |
1,698 |
0,724 |
0,288 |
t1/2 , мин. |
87,17 |
240,1 |
563,0 |
1414,4 |
Ферментативный катализ. Задание 3.
Вариант 1.
Начальная скорость выделения кислорода W под действием фермента на субстрат измерена для ряда начальных концентраций субстрата (таблица).
[S], М |
0,05 |
0,017 |
0,010 |
0,005 |
0,002 |
W0, мм3/мин. |
16,6 |
12,4 |
10,1 |
6.6 |
3.3 |
Определите графическим методом константу Михаэлиса КМ и максимальную скорость реакции Vmax (укажите размерности величин). Поясните их смысл.
Вариант 2.
Используя экспериментальные данные ферментативной реакции (гидролиз метилового эфира N-ацетил-L-валина - химотрипсином), определите графическим методом константу Михаэлиса КМ и максимальную скорость реакции Vmax (укажите их размерности и поясните смысл).
Ниже в таблице приводятся значения начальной скорости реакции при разных начальных концентрациях субстрата.
!! Значения W выражены микромоль в секунду.
[S], М |
0,2 |
0,124 |
0,091 |
0,071 |
0,01 |
W, мкМ/с |
4,57 |
3,84 |
3,31 |
2,97 |
2.93 |
65
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
Аннотация дисциплины
«Физическая и коллоидная химия» образовательной программы 33.05.01. Фармация, уровень специалитета.
Раздел «Кинетика. Катализ»
Курс физической и коллоидной химии как единой учебной дисциплины для фармацевтических отделений учитывает возрастающие требования к теоретической подготовке студентов
ипредусматривает его интеграцию с дисциплинами профессионального цикла. В программу курса включены основы химической термодинамики, фазовые равновесия, теория растворов, электрохимия, химическая кинетика и катализ.
Также рассмотрены важные для фармации поверхностные явления и физико-химия дисперсных систем. Обсуждаемые закономерности связаны с новыми формами лекарственных средств, рациональной технологией их получения, стабилизации
ихранения. Уделено внимание и аналитической направленности курса: в практикуме используются такие физико-химические методы как поляриметрия, потенциометрия, кондуктометрия, фотометрия, хроматография, турбидиметрия и нефелометрия, седиментационный анализ и гранулометрия и др..
Краткое содержание раздела
Основные определения. Скорость реакции. Закон действующих масс. Молекулярность, порядок реакции. Кинетические уравнения простых односторонних реакций различных порядков. Период полупревращения.
Сложные реакции: обратимые, параллельные, последовательные и сопряжѐнные.
Методы исследования кинетики и механизма реакции. Влияние температуры на скорость реакции. Температурный коэффициент. Определение срока годности и условий хранения лекарств. Уравнение Аррениуса. Энергия активации реакции. Теория активных столкновений. Теория активированного комплекса.
Катализ (гомогенный, гетерогенный, |
ферментативный). |
Уравнение Михаэлиса – Ментена. Ингибиторы. |
|
66
ОПИСАНИЕ И ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ»
Дисциплинп «Физическая и коллоидная химия» – второй семестр изучения, рекомендован для подготовки выпускников специальности 060301 «Фармация» с квалификацией «специалист».
1. ОПИСАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Цели:
1)освоение теоретических основ главных разделов физической и коллоидной химии с учетом возрастающих требований к подготовке студентов фармацевтических отделений вузов;
2)формирование у будущего провизора знания основных закономерностей, вытекающих из взаимосвязи химических и физических явлений, их применения в аналитической и фармацевтической химии, фармакологии, фармацевтической технологии;
3)научить студентов самостоятельно пользоваться основными методами физико-химических измерений, обрабатывать и анализировать их результаты;
4)инновационность курса по содержанию состоит во включении обзора последних достижений физико-химии наноразмерных систем (нанохимии), имеющих значение для фармакологии и медицины. В этом обзоре используется мультимедийное оборудование, цитируются интернет-источники
инаучные издания.
Задачи:
– изложить основы физикохимии поверхностных явлений и коллоидных систем - суспензий, эмульсий, аэрозолей, порошков, растворов поверхностно-активных и высокомолекулярных веществ. Особое внимание уделить проблеме стабилизации высокодисперсных систем, а также элементам нанохимии и нанотехнологий в фармации;
67
–научить студента видеть области применения полученных теоретических знаний и их возможности при физико-химическом исследовании лекарственных веществ;
–выработать у студентов умение самостоятельно использовать инструментальные методы изучения свойств твердых и жидких сред, такие как фотометрия, кондуктометрия, хроматография, микроскопия, седиментационный анализ, нефелометрия, турбидиметрия и др.;
–научить студентов методам обработки экспериментальных данных, представлению результатов в виде графиков и таблиц, на основании которых делаются выводы и прогнозы;
–обеспечить интеграцию данной дисциплины с профессиональными циклами.
Структура курса в 3-м семестре
|
Вид учебной работы |
|
Всего часов |
|
|
|
в семестре |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аудиторные занятия (всего) |
|
90 |
|
|
|
|
|
|
|
В том числе: |
|
– |
|
|
|
|
|
|
|
Лекции |
34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Практические занятия (ПЗ) |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Семинары (С) |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Лабораторные работы (ЛР) |
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Самостоятельная работа (всего) |
|
54 |
|
|
|
|
|
|
|
В том числе: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Курсовой проект (домашние задания) |
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчетно-графические работы |
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Реферат |
|
нет |
|
|
|
|
|
|
|
Другие виды самостоятельной работы |
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) |
|
экзамен |
|
|
|
|
|
|
|
Зач. Ед. |
|
4,0 |
|
|
|
|
|
|
68
Лабораторные и практические занятия раздела
№ |
Наименование лабораторных работ, темы занятий |
|
3-го семестра МФ-2 |
||
|
||
|
Физическая химия |
|
|
Раздел «Кинетика сложных реакций» |
|
|
Лабораторная работа. Изучение кинетики гомогенно- |
|
1.* каталитического разложения Н2О2 |
||
|
(выполняется и защищается во 2-м семестре *) |
|
2.* |
Лабораторная работа. Изучение кинетики инверсии |
|
сахарозы поляриметрическим методом. |
||
|
||
3.Защиты лабораторных работ по разделу «Химическая кинетика. Катализ».
4.Семинар (С1) по разделу «Химическая кинетика. Катализ». Решение задач
5.Контрольная работа разделу «Химическая кинетика. Катализ» включает тест и решение задач.
Лабораторная работа. Изучение адсорбции
5.поверхностно-активного вещества (ПАВ) на границе раствор-воздух и сравнение поверхностной активности ПАВ-гомологов
Описание системы контроля знаний.
Правила оформления работы в лабораторном журнале.
1.Название работы.
2.Цель работы.
3.Краткое теоретическое введение (основные законы и формулы, уравнения или графики, относящиеся к теме лабораторной работы).
4.Экспериментальная часть:
–список реактивов и оборудования;
–схема прибора или установки;
–конкретное задание на лабораторную работу;
–условия проведения эксперимента (температура, концентрации растворов, длины волн и т. д.);
–результаты измерений в виде таблиц и графиков;
–расчеты по экспериментальным данным.
5.Выводы или заключение о результатах данной лабораторной работы.
6.Ответы на вопросы к защите лабораторной работы.
69
Примеры задач и вопросов тестов по разделу «Химическая кинетика. Катализ»
Задачи контрольной работы.
1. |
Энергия активации реакции А продукты равна 25 |
||||||
20 |
кДж/моль. При температуре 1200С константа скорости |
||||||
баллов |
реакции равна 3,5 ч -1. Рассчитайте константу скорости |
||||||
|
при 150 0С. Как изменилась скорость реакции, если |
||||||
|
начальная концентрация С0,А одинаковая? |
|
|
||||
2. |
Исходя из следующих данных, определите порядок |
||||||
15 |
реакции щелочного гидролиза этилацетата: |
|
|
||||
баллов |
|
С0, моль/л |
0,02 |
0,01 |
|
0,005 |
|
|
|
t1/2, мин. |
8,87 |
18,5 |
|
36,2 |
|
|
|
|
|
||||
3. |
Напишите условие |
стационарности для |
реакции |
||||
15 |
А В С. Нарисуйте как изменяется концентрация |
||||||
баллов |
веществ А, В и С. |
|
|
|
|
|
|
Два вопроса из десяти в итоговом тесте.
Вопросы ИТОГОВОГО ТЕСТА
1 |
15 |
Как связана |
скорость реакции 2 SO3 = 2 SO2 + O2 , |
||||
|
|
выраженная по кислороду со скоростью реакции, |
|||||
|
|
выраженной по SO2 ? |
|
|
|
||
|
|
1) |
|
2) |
3) |
4) |
|
|
|
VO2 =2VSO2 |
|
VO2 = VSO2 |
VO2 = ½ V SO2 |
2VO2 = V SO2 |
|
2 |
15 |
Как константа скорости (К) реакции первого порядка А |
|||||
|
|
||||||
* |
|
продукты зависит от начальной концентрации А ? |
|||||
|
|
Напишите метод определения константы скорости? |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1) |
|
2) |
|
3) |
|
|
|
Увеличение |
|
Уменьшение |
|
Не зависит |
|
|
|
с ростом |
|
с ростом |
|
от С0 (А) |
|
|
|
С0 (А) |
|
С0 (А) |
|
|
|
Список вопросов по разделу « Химическая кинетика. Катализ» в вариантах итогового теста см. ниже.
70
№ |
Балл |
|
Вопросы теста контрольной работы |
|
|||||||||
1 |
10 |
Как связана скорость реакции C2Н2 + 2 H2 = C2H6 , |
|||||||||||
|
|
||||||||||||
|
|
выраженная по водороду, со скоростью реакции, |
|||||||||||
|
|
выраженной по продукту реакции? |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответ |
1) |
|
|
2) |
|
3) |
|
|
|
4) |
|
|
|
|
|
VH2=½ VC2H6 |
|
½VH2 = VC2H6 |
VH2 = VC2H6 |
|
VH2=2VC2H6 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
10 |
Реакция нулевого порядка А В протекает на 50% за |
|||||||||||
* |
|
||||||||||||
|
10 мин. Чему равна константа скорости реакции, если |
||||||||||||
|
|
||||||||||||
|
|
начальная концентрация А равна 0,1 моль/л ? |
|
|
|||||||||
|
|
Укажите размерность константы скорости. |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ответ |
1) |
0,005 |
|
2) |
0,015 |
3) |
0,025 |
|
4) |
0,05 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
10 |
Каков порядок реакции, если при росте начальной |
|||||||||||
|
|
||||||||||||
|
|
концентрации исходного вещества |
с 1 до 2 моль/л |
||||||||||
|
|
период полупревращения не изменился. |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответ |
1) |
|
|
2) |
|
3) |
|
|
|
4) |
|
|
|
|
|
первый |
|
нулевой |
дробный |
|
второй |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4 |
10 |
При повышении |
температуры |
с |
450С |
|
до |
750С |
|||||
|
|
константа скорости реакции 1го порядка увеличилась в |
|||||||||||
|
|
64 |
раза. Чему |
равен температурный коэффициент |
|||||||||
|
|
скорости реакции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответ |
1) |
2 |
|
2) |
4 |
3) |
2,5 |
|
|
4) |
1,8 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
5 |
10 |
С |
ростом температуры реакции |
с 270 |
до |
1270С |
|||||||
* |
|
скорость реакции |
увеличивается в |
100 |
раз. Чему |
||||||||
|
|
||||||||||||
|
|
равна энергия активации реакции ? Приведите расчет. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Ответ |
1) |
Еа 46 |
|
2) Еа 26 |
3) Еа 16 |
|
4) Еа 6 |
||||||
|
|
кДж/моль |
|
кДж/моль |
кДж/моль |
|
кДж/моль |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
71
Примеры вопросов раздела «Химическая кинетика. Катализ».
витоговом тесте 3-го семестра
1.Реакция А В является необратимой реакцией первого порядка. Как изменится период превращения этой реакции, если начальную концентрацию вещества А увеличить в 3 раза ?
Ответы: не изменится, увеличится в 3 раза, уменьшится в 3 раза, увеличится в 6 раз.
2.Как изменится скорость простой реакции 2 А В+С, если начальную концентрацию А уменьшить в 5 раз ?
Ответы: увеличится в 5 раз, |
уменьшится в 5 раз, |
уменьшится в 10 раз, |
уменьшится в 25 раз. |
3.Рассчитайте константу скорости простой реакции 2 А В,
если при начальной концентрации С0(А) = 0,05 моль/л скорость реакции равна 0,1 моль/ л мин.
4.Как изменится константа скорости реакции, протекающей при 100 0С, при введении катализатора, если энергия активации реакции снижается с 50 до 30 кДж/моль
(расчет).
5.Скорость химической реакции при увеличении температуры ….
Ответ: уменьшается, |
увеличивается. |
6.Реакция А В является реакцией первого порядка.
Чему равен период полупревращения А, если константа скорости реакции 0,058 час-1 (расчет).
7.Для какой простой реакции период полупревращения
не зависит от концентрации вещества?
Ответ: первого порядка, |
нулевого порядка, |
второго порядка, |
любого порядка. |
72