7 семестр / Методичка - Химическая кинетика
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тульский государственный университет»
Н.Ю. Юдина, А.С. Харькова, В.А. Алферов
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Учебно-методическое пособие
Тула Издательство ТулГУ
2022
УДК 544.4(075.8) ББК 24.542я73 Ю41
Авторы: Юдина Н.Ю., Харькова А.С., Алферов В.А.
Ю41 Химическая кинетика: учебно-методическое пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2022, 214 с.: ил.
ISBN 978-5-7679-5010-2
Рассматривается основной раздел физической химии – химическая кинетика. Кратко излагаются теоретические сведения о химической кинетике гомогенных и гетерогенных реакций, ферментативной кинетике.
Кроме теоретических сведений пособие содержит методические указания к лабораторным работам по указанной тематике. В приложении содержатся необходимые для расчетов справочные величины.
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям подготовки 04.03.01 Химия и 19.03.01 Биотехнология (формы обучения – очная, заочная).
УДК 544.4(075.8) ББК 24.542я73
ISBN 978-5-7679-5010-2 |
© Юдина Н.Ю., Харькова А.С., |
|
Алферов В.А., 2022 |
|
© Издательство ТулГУ, 2022 |
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
r |
– скорость химической реакции |
С |
– молярная концентрация |
С0 |
– начальная концентрация вещества |
Сх |
– концентрация прореагировавшего вещества |
[А] |
– равновесная концентрация вещества А |
τ |
– время |
k |
– константа скорости |
Кp |
– константа равновесия |
n |
– порядок реакции |
nA |
– частный порядок реакции по компоненту А |
T |
– температура |
γ |
– температурный коэффициент скорости реакции |
Eа |
– энергия активации |
R |
– универсальная газовая постоянная |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Формальная кинетика ......................................................................... |
8 |
Кинетика реакций целого порядка ................................................... |
15 |
Реакции нулевого порядка............................................................ |
15 |
Реакции первого порядка.............................................................. |
17 |
Реакции второго порядка.............................................................. |
20 |
Реакции третьего порядка ............................................................ |
23 |
Реакции n-ого порядка ................................................................. |
24 |
Методы определения порядка реакции и Константы скорости 25 |
|
Влияние температуры на скорость химических реакций........ |
30 |
Теории химической кинетики ........................................................... |
35 |
Теория активных столкновений .................................................. |
35 |
Теория активированного комплекса........................................... |
37 |
Лабораторная работа №1. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. |
|
ЙОДИРОВАНИЕ АЦЕТОНА В КИСЛОЙ СРЕДЕ ................................... |
43 |
Теоретические сведения ................................................................ |
43 |
Экспериментальная часть ............................................................ |
46 |
Лабораторная работа № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРЯДКОВ |
|
РЕАКЦИИ ПО РЕАГЕНТАМ ...................................................................... |
52 |
Теоретические сведения ................................................................ |
52 |
Экспериментальная часть ............................................................ |
54 |
4
Лабораторная работа №3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВАЦИОННЫХ |
|
ПАРАМЕТРОВ ГИДРОЛИЗА ТРЕТ-БУТИЛХЛОРИДА В ВОДНО- |
|
АЦЕТОНОВОЙ СМЕСИ .............................................................................. |
57 |
Теоретические сведения ................................................................ |
57 |
Экспериментальная часть ............................................................ |
60 |
Лабораторная работа №4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРЯДКА И |
|
КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ ПЕРОКСИДА |
|
ВОДОРОДА.................................................................................................... |
64 |
Теоретические сведения ................................................................ |
64 |
Экспериментальная часть ............................................................ |
69 |
Лабораторная работа №5. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ |
|
РАЗЛОЖЕНИЯ МОЧЕВИНЫ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ МЕТОДОМ |
|
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ......................................................................... |
75 |
Теоретические сведения ................................................................ |
75 |
Экспериментальная часть ............................................................ |
86 |
Лабораторная работа №6. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ |
|
ГОМОГЕННОЙ РЕАКЦИИ В РАСТВОРЕ................................................ |
93 |
Теоретические сведения ................................................................ |
93 |
Экспериментальная часть ............................................................ |
94 |
Внедрение научных разработок в лабораторный практикум. |
|
лабораторные работы повышенной сложности ..................................... |
98 |
Лабораторная работа 7. ИЗУЧЕНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ |
|
КИНЕТИКИ ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ ................................................... |
98 |
Теоретические сведения ................................................................ |
98 |
5
Определение кинетических параметров ферментативных |
|
||
реакций из экспериментальных данных ............................................ |
|
105 |
|
Экспериментальная часть .......................................................... |
|
109 |
|
Лабораторная работа №8. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ КИНЕТИКА |
|||
ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ В ПРИСУТСТВИИ ИНГИБИТОРА .......... |
118 |
||
Теоретические сведения .............................................................. |
|
118 |
|
Экспериментальная часть .......................................................... |
|
130 |
|
Лабораторная работа №9. ВЫЯВЛЕНИЕ ЛИМИТИРУЮЩИХ |
|||
СТАДИЙ |
БИОЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОГО |
ОКИСЛЕНИЯ |
|
СУБСТРАТА |
ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ |
ФЕРМЕНТАМИ |
|
(КЛЕТКАМИ) |
.............................................................................................. |
|
138 |
Теоретические ..............................................................сведения |
|
138 |
|
Экспериментальная ..........................................................часть |
|
146 |
|
СПИСОК ................................................................ЛИТЕРАТУРЫ |
|
150 |
|
ПРИЛОЖЕНИЕ ................................................................................ |
|
152 |
|
Приложение ....1. Единицы измерения физических величин |
152 |
||
Приложение ...................................2. Физические постоянные |
|
154 |
|
Приложение ....................3. Предельные подвижности ионов |
155 |
||
Приложение .............................4. Коэффициенты активности |
|
156 |
|
Приложение ................5. Кинетические параметры реакций |
157 |
||
Приложение 6. Энергия активации реакций разложения в |
|
||
отсутствии или .......................................присутствии катализатора |
|
159 |
|
Приложение ..................................7. Константы диссоциации |
|
160 |
|
Приложение 8. Градуировочные зависимости для определения |
|||
концентрации .................................................................................йода |
|
165 |
|
|
6 |
|
|
Приложение 9. Варианты линеаризации зависимости скорости |
|
реакции от концентрации субстрата ................................................... |
169 |
Приложение 10. Стандартные температуры фазовых |
|
переходов и их теплоты испарения ..................................................... |
171 |
Стандартные температуры фазовых переходов и их теплоты |
|
плавления ................................................................................................ |
172 |
Приложение 11. Термодинамические свойства простых |
|
веществ, соединений и ионов в водных растворах ........................... |
173 |
Приложение 12. Средняя теплоемкость простых веществ и |
|
соединений............................................................................................... |
208 |
7
ФОРМАЛЬНАЯ КИНЕТИКА
Вероятность(ΔG < 0) и направление протекания химической реакции при заданных условиях оценивается с точки зрения термодинамики. Однако термодинамика ничего не может сказать о том, за какое время осуществима данная реакция. Например, смесь газообразных водорода и
кислорода термодинамически неустойчива и должна самопроизвольно превращаться в воду, однако без внешнего воздействия и в отсутствие катализатора водород с кислородом практически не будут реагировать даже в течение долгих лет. Время в химию вводит химическая кинетика.
Химическая кинетика – раздел физической химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций.
Основные задачи химической кинетики:
1)изучение скорости реакции и выявление ее зависимости от условий эксперимента – температуры, концентраций веществ и давления
(прямая задача);
2)установление механизма химической реакции по экспериментальным данным и определение характеристик элементарных процессов, её составляющих (обратная задача);
3)установление связи между строением вещества и его реакционной способностью; неэмперический расчет характеристик элементарных процессов.
Главная задача химической кинетики, как и химической термодинамики, - построение модели химического процесса на основе
экспериментальных данных.
Основные различия между химической термодинамикой и кинетикой:
8
1.В химической термодинамике нет времени, она предсказывает только конечный результат процесса. Химическая кинетика изучает только изменяющиеся (динамические) системы.
2.Равновесные свойства определяются состоянием как исходных веществ, так и продуктов реакции, т.е. для термодинамики важны левая и правая части химического уравнения. Скорость реакции определяется только состоянием исходных веществ, т.е. для кинетики важна только левая часть уравнения реакции.
3.Термодинамические свойства определяются термодинамической активностью веществ, кинетические свойства – их концентрацией.
Одностадийные реакции, протекающие без образования интермедиатов (промежуточных веществ), называют элементарными.
Реакции, включающие две или более элементарных стадий, считаются сложными. По стехеометрическому уравнению реакции нельзя определить
является она элементарной или сложной. Для этого требуется тщательный кинетический анализ.
Механизм реакции – это совокупность элементарных реакций, которые реализуют стехеометрическое превращение реагентов в продукты. Многие реакции включают всего 2-3 элементарные стадии, хотя
существуют реакции, состоящие из нескольких десятков стадий. Существует более строгое определение элементарной реакции,
основанное на рассмотрении энергетической кривой химической реакции. Химическая реакция начинается с разрыва химических связей в молекулах реагентов, что требует затраты энергии, поэтому между реагентами продуктами всегда существует энергетический барьер (или несколько барьеров). Конфигурацию ядер вблизи барьеара называют переходным состоянием (синонимы - переходный комплекс, активированный комплекс) (рисунок 1).
9