Determinarea ordinului partial de reactie

Determinarea ordinului partial de reactie

Principiul lucrarii:

Pentru o reactie chimica scrisa in forma generala:

(3.5.1)

in care A_1,A₂, A_i sunt reactanti;      A₁^', A^'₂, A^'_i sunt produsi de reactie iar, _{i, i} sunt coeficientii stoechiometrici ai reactantilor, respectiv ai produsilor de reactie;

Viteza de reactie reprezinta variatia in timp (t) a concentratiei (c) sau a oricarei alte marimi fizice proportionale cu concentratia.

Viteza de reactie se masoara prin descresterea in timp a cantitatii reactantilor, respectiv cresterea cantitatii produsilor de reactie.

(3.5.2)

Semnul (-) se refera la scaderea concentratiei reactantilor care se consuma in timp, iar semnul (+) la cresterea concentratiei produsilor de reactie in timp.

Viteza de reactie pentru oricare proces chimic depinde de concentratia reactantilor si de temperatura:

v = f (c_i, T)      (3.5.3)

Forma concreta a functiei f (c_i, T) depinde de natura reactiei. Pentru un mare numar de reactii, functia f(c_i, T) este factorizabila, adica poate fi redata sub forma unui produs de doua functii:

F (c_i, T) = f₁(T) x f₂(c_i) (3.5.4)

Functia f₁(T) notata cu k este o constanta cinetica numita constanta de viteza. Functia f₂(c₂) este de forma:

unde exponentii a_i se numesc ordine partiale de reactie in raport cu reactantii A_i.

Constanta de viteza k are o semnificatie fizica precisa, ea este viteza reactiei pentru care concentratia reactantilor este unitara.

Pentru o reactie chimica elementara (izolata), exponentii a_i sunt numeric egali cu coeficientii stoechiometrici: a_i =

Suma ordinelor partiale de reactie reprezinta ordinul total de reactie:

a = (3.5.6)

Ordinul de reactie este o marime formala, care se determina experimental din masuratori de viteza de reactie. El poate fi zero, un numar intreg sau un numar fractionar.

Reactia dintre tiosulfatul de sodiu (Na₂S₂O₃) si acidul sulfuric (H2SO4) este usor de urmarit, deoarece unul din produsii de reactie, sulful, se separa sub forma de particule coloidale, care produc opalescenta solutiei.

Viteza de reactie in raport cu sulful format este:

Viteza de reactie in raport cu concentratiile reactantilor este:

^{vR =} (3.5.9)

Pentru a determina ordinul partial de reactie in raport cu Na₂S₂O₃ se va mentine constanta concentratia initiala a solutiei de H₂SO₄ si se va modifica concentratia initiala a solutiei de Na₂S₂O₃.

Deoarece concentratia sulfului coloidal format in reactie poate fi considerata constanta, se poate scrie:

(3.5.10)

este constanta aparenta a vitezei de reactie. (3.5.11)

Relatia 3.5.10 se liniarizeaza prin logaritmare:

(3.5.12)

Scopul lucrarii: se determina ordinul partial de reactie in raport cu Na₂S₂O₃ pentru reactia dintre Na₂S₂O₃ si H2SO4.

Aparatura si substante:

Aparatura: biurete, eprubete, cronometru

Substante: solutii de tiosulfat de sodiu (Na₂S₂O₃) si de acid sulfuric (H₂SO₄)

Modul de lucru:

in patru eprubete numerotate de la 1 la 4 se introduc pe rand cate 5, 4, 3 si 2 mL solutie Na₂SO₃, masurati cu biureta, completand apoi continutul eprubetelor cu apa distilata pana la un volum total de 5 mL;

in alte 4 eprubete numerotate de la 5 la 8 se introduc cate 5 mL solutie H₂SO₄ masurati cu biureta;

peste continutul eprubetei 1 se adauga solutia H₂SO₄ din eprubeta 5 si se agita; se masoara variatia de timp (t) din momentul amestecarii solutiilor pana la aparitia opalescentei (tulburarea solutiei care corespunde aparitiei primelor particule de sulf coloidal);

se procedeaza la fel si cu perechile de eprubete 2-6, 3-7, 4-8 notandu-se valorile t.

Calcule si rezultate:

Se completeaza tabelul 3.5.1 cu datele experimentale si se vor intrepreta rezulatele.

Interpretarea rezultatelor Se calculeaza concentratia relativa a tiosulfatului de sodiu (Na₂S₂O₃); se reprezinta grafic dependenta       -lgt = f() din panta si ordonata la origine a dreptei obtinute se determina ordinul partial de reactie si constanta aparenta de viteza; se va aprecia in functie de valoarea lui a, daca reactia este simpla sau complexa, iar functie de valoarea lui t se va aprecia daca reactia este sau nu rapida.

Tabelul 3.5.1

Tema de casa:

Pentru reactia 2A +B C, viteza de formare a compusului C este 0,5 mol/L h. Care este viteza de reactie raportata la reactanti?

Se considera reactia trimoleculara: 2 NO + O₂ 2NO₂. Stiind ca reactia este o reactie simpla sa se calculeze constanta de viteza pentru formarea NO₂ la 0^oC, cunoscand ca prin reactia a 0,16 moli O₂ si 0,04 moli NO intr-un vas de 0,5 L, viteza initiala de formare a NO₂ este 8,19 10^-9 mol/L s

Intr-un vas de 1 litru, aflat la temperatura de 427^oC se produce reactia bimoleculara: H₂ + I₂ 2HI. Se cere:

a)      sa se calculeze viteza initiala de formare a HI la aceasta temperatura daca in vas se afla 0,08 g H₂ si 1,27 g I₂, iar constanta de viteza k = 0,42 L /mol s;

b)      ce valoare are viteza initiala de reactie, daca masa de hidrogen ramane constanta si se dubleaza masa de iod;

c)      ce valoare are viteza initiala, daca se dubleaza atat masa hidrogenului, cat si cea a iodului (temperatura si volumul raman aceleasi). Se cunosc A_I = 127 atom/g, A_H = 1 atom/g.

. Viteza reactiei A Produsi, la t =25⁰C, are valoarea 9 10^-4 mol/L s cand concentratia lui A este 6 10^-4 mol/cm³ si are valoarea 7,5 10^-4 mol/L s cand concentratia lui A este 5 10^-4 mol/cm³. Sa se calculeze:

a) ordinul de reactie;

b) valoarea constantei de viteza, la temperatura de 25⁰C;

c) ce concentratie trebuie sa aiba A pentru ca viteza de reactie initiala sa creasca de 4 ori.     

Intr-o reactie monomoleculara A Produsi, la t =25⁰C, timpul in care concentratia initiala scade la 25% este t =52 min. Se cere:

a)      calculul constantei de viteza;

b)      in cat timp concentratia initiala scade cu 75%;

c)      calculul vitezei initiale de reactie, daca concentratia initiala a reactantului este 2,5 mol/L s

. Pentru reactia A+B C la t=ct, s-a constata ca: viteza se dubleza atunci cand concentratia lui B se dubleaza, iar concentratia lui A ramane neschimbata;. Daca, insa ambele concentratii se dubleaza, viteza creste de 16 ori. Sa se stabileasca expresia vitezei de reactie si unitatile de masura ale constantei de viteza.

Determinarea energiei de activare

Principiul lucrarii:

Datele experimentale au aratat ca viteza de reactie creste, in general, cu temperatura, iar variatia constantei de viteza in functie de temperatura este studiata cu ajutorul relatiei lui Arhenius:

(3.6.1)

in care: E_a - energia de activare, care reprezinta energia ce trebuie s-o aiba moleculele de reactant pentru a reactiona chimic si a forma produsii de reactie;

A - factor preexponential, care reprezinta constanta de viteza la temperatura infinita sau la energie de activare E_a=0 si este proportional cu numarul de ciocniri eficiente dintre moleculele reactantilor;

R - constanta universala a gazelor = 1,98 cal/K mol = 8,31 J/K mol;

T- temperatura absoluta (K).     

Pentru reactia dintre tiosulfatul de sodiu si acidul sulfuric:

(3.6.2)

viteza de reactie este:

^{vR =} (3.6.3)

(3.6.4) este constanta aparenta a vitezei de reactie

Prin logaritmare rezulta:

(3.6.5)

care reprezinta ecuatia unei drepte cu panta E_a / R si ordonata la origine

Scopul lucrarii: se va determina energia de activare Arhenius pentru reactia dintre tiosulfatul de sodiu si acidul sulfuric.

Aparatura si substante:

Aparatura: biurete, eprubete, termometru, bec de gaz si sita de azbest

Substante: solutii de tiosulfat de sodiu (Na₂S₂O₃) si de acid sulfuric (H₂SO₄)

Modul de lucru:

- in 4 eprubete numerotate de la 1 la 4 se introduc cate 5 mL solutie Na₂S₂O₃, masurati cu biureta;

- in alte 4 eprubete numerotate de la 5 la 8 se introduc cate 5 mL solutie H2SO4, masurati cu biureta;

- cele 8 eprubete se introduc intr-un pahar Berzelius care contine apa si in care se gaseste un termometru si se masoara temperatura apei T₁;

- se toarna continutul eprubetei 5 (care contine acid sulfuric) peste eprubeta 1 (care contine tiosulfat de sodiu), se agita si se masoara timpul scurs de la amestecarea solutiilor pana cand solutia incepe sa se tulbure;

- paharul care contine eprubetele se incalzeste pe un bec de gaz la temperatura T₂ = T₁ + 10^oC;

- cand se atinge aceasta temperatura se procedeaza la fel ca in primul caz, amestecand continutul eprubetelor 2 si 6 si notand Dt;

- pe rand se masoara Dt pentru urmatoarele reactii, procedand la fel cu perechile de eprubete 3-7 si 4-8.

Observatii: - In fiecare experiment, timpul final de reactie se considera cand solutia incepe sa se tulbure, deci la aparitia opalescentei.

- Timpul de reactie se masoara cu precizie.

Rezultate si calcule:

Se intocmeste urmatorul tabel cu datele experimentale obtinute:

Tabelul 3.6.1

Se reprezinta grafic lnDt = f(1/T);din panta dreptei se calculeaza E_a

Interpretarea rezultatelor Se verifica dependenta vitezei de reactie de temperatura, conform reactiei lui Arhenius. Se constata daca valoarea energiei de activare corespunde unei reactii chimice activate termic, adica este de ordinul zecilor de mii de calorii.

Tema de casa:

La temperatura de 700^oC, constanta de viteza a descompunerii termice a toluenului este k= 10^-4s^-, iar factorul preexponential A= 2 10¹³s^-1. Se cere:

a) calculul energiei de activare a procesului;

b) valoarea constantei de viteza la temperatura de 650^oC;

c) la ce temperatura constanta de viteza se dubleaza.

Constanta de viteza a unei reactii de ordinul 2 la 127^oC este 0,5 mol^-1s^-1, iar energia ei de activare este de 10 kcal. Cu cat trebuie sa creasca temperatura pentru a creste de 10 ori constanta de viteza?

Pentru reactia de descompunere a acidului iodhidric in faza gazoasa, se cunosc: k_536k= 3,517 10^-7L/mol.s si k_781k= 3,954 10^-2L/mol s. Calculati energia de activare a procesului.

Sa se calculeze de cate ori se mareste constanta de viteza la ridicarea temperaturii de la 20 la 30^oC, daca energia de activare este E_a = 30000 cal/mol. Ce marire se obtine pentru o ridicare a temperaturii de la 20 la 120^oC? Se considera factorul preexponential independent de temperatura.

O reactie monomoleculara este caracterizata la 55^oC de constanta de viteza k₅₅ = 2,53 10^-4 s^-1 si la 40^oC de k₄₀ = 3,72 10^-5 s^-1. Sa se calculeze energia de activare si factorul preexponential.

Constanta de viteza pentru o reactie chimica este 0,08mol/L∙s. Daca coeficientul de temperatura este 2, iar temperatura creste cu 5⁰C, care este valoarea constantei de viteza.

Valorile constantei vitezei de reactie, pentru o reactie de ordinul I sunt urmatoarele: 3,510^-4 s^-1 la 25^o C si 5,010^-3 s^-1 la 65^o C. Sa se calculeze constanta de viteza la temperatura de 50^o C.