Б2. Б. 9 физическая и коллоидная химия

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для выполнения домашнего задания (эссе)

по дисциплине

 

Б2.Б.9 ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

 

 

направление подготовки бакалавра

 

Технология продукции и организации общественного питания

 

Уфа - 2014

УДК

 

Рекомендовано к изданию методической комиссией

факультета пищевых технологий

(протокол № 5 от 24 февраля 2014г.)

 

\

 

Составитель: доценты Нигматуллин Н.Г, Ганиева Е.С.

 

Рецензент:

доцент кафедры кормления животных и физиолигии Н.Л.Нурмухаметова

 

 

 

Ответственный за выпуск:

заведующий кафедрой химии                         Ярмухамедова Э.И.

Введение

Физическая и коллоидная химия имеют большое практическое значение. Они открывают широкие возможности активного управления химико-технологическими процессами, рационального использования сырья, повышения качества продукции, экономии энергетических ресурсов, защиты окружающей среды и т.д. Данное методическое пособие является практическим руководством для самостоятельной работы студентов II курса факультета пищевых технологий по дисциплине «Физическая и коллоидная химия», в котором представлены задания по основным разделам физической химии: химическая термодинамика, фазовые равновесия, химическая кинетика и электрохимия, и коллоидной химии: поверхностные явления, лиофобные дисперсные системы, лиофильные дисперсные системы, микрогетерогенные системы.

 Данные задания предназначены для контроля самостоятельной работы студентов при изучении теоретических основ физической и коллоидной химии и приобретения навыков физико-химического расчета.

Каждый студент выполняет задания согласно варианту, определяемому преподавателем. Следует обратить внимание на то, что некоторые задачи имеют общие условия, а данные представлены в обобщенных таблицах. Для каждой из этих задач исходные данные для расчета нужно брать в таблице напротив номера задачи, соответствующего вашему варианту.

С целью привития навыков работы со справочной литературой в некоторых задачах отсутствуют некоторые данные, необходимые для их решения. Студент должен самостоятельно отыскать их в справочных изданиях.

Литература

1. Нигматуллин Н.Г. Физическая и коллоидная химия: Учебное пособие. – Уфа.: Изд-во БГАУ, 2014.-с.280.

2. Физическая химия: Учебник для хим. спец. вузов / Под ред. А.Г.Стромберга. – М.: Высшая школа, 2003. –С. 528.

3. Задачи по физической химии: Учебное пособие / В.В. Еремин, С.И. Каргов, И.А. Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин – М.: Издательство «Экзамен», 2003. – 320 с.

4. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя – Издательство «Химия», Ленинградское отделение, 1967. – 184 с.

5. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия.- Спб.: Издательство «Лань», 2008. – 336с.

6. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия – М.: ВЛАДМО, 1999. – 320с.

МОДУЛЬ 1 ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Химическая термодинамика является наукой об энергетических эффектах химических реакций, их направлении и равновесии. Изучает применение законов термодинамики к химическим и физико-химическим процессам.

Термодинамический метод полезен тем, что позволяет:

- установить взаимосвязь между параметрами системы, что дает возможность вычислить неизвестный параметр системы по другим известным параметрам;

- оценить величину изменения параметров системы при осуществлении какого-либо процесса в ней;

- определить параметры системы после перехода ее их одного состояния в другое термодинамическое состояние или из одного технологического режима в другой режим проведения процесса;

- определить принципиальную возможность протекания процесса в нужном направлении;

- оценить глубину протекания процесса в зависимости от условий.

До выполнения задания по химической термодинамике следует проработать лекционный материал соответствующего раздела. По учебнику [1] изучить теоретический материал и разобрать решения типовых задач по задачнику [2].

При определении параметров простейших термодинамических процессов идеальных газов (задание 1) советуем воспользоваться формулами, приведенными в таблицах 1.1 и 1.2. Необходимо обратить особое внимание на правильное применение соответствующих размерностей параметров. Используйте следующие значения универсальной газовой постоянной: R = 8,31 Дж/(моль·К) = 1,98 кал/(моль·К) = 0,082(л·атм)/(моль·К). Формулы в таблицах 1.1 и 1.2 приведены для 1 моля вещества. Если формула содержит параметры , то полученное значение термодинамической функции необходимо умножить на число молей вещества.

Выполнение задания 2 дает возможность усвоить методику определения параметров D H, D S, Dс и D G химических реакций в стандартных условиях и при любой другой температуре, а также наглядно увидеть по графикам характер изменения параметров и DН_Т в зависимости от температуры. Для этого воспользуйтесь данными таблицы 1.3 и 1.4.

Тепловой эффект реакций при стандартных условиях определяется по формуле

Соответствующие значения  компонентов приведены в таблице 1.4.

При расчете тепловых эффектов при других температурах необходимо опираться на закон Кирхгофа и на вытекающее из него уравнение

,

в котором  - разность суммы теплоемкостей продуктов и исходных реагентов

,

где индекс i – стехиометрические коэффициенты соответствующих исходных реагентов; j – стехиометрические коэффициенты соответствующих продуктов реакции.

При этом можно сделать следующие допущения:

1. . Тогда .

2. . Тогда определяется по значениям теплоемкости компонентов реакционной системы при стандартных условиях (таблица 1.4) и значение  вычисляют по формуле

.

3. . При этом допущении необходимо учитывать температурную зависимость теплоемкости компонентов реакционной системы

,

из которой следует

,

где . Параметры  рассчитываются аналогичным образом. Значения а, b, c, c^/ компонентов реакции приведены в таблице 1.4.

Графики зависимостей ,  и  строятся по четырем значениям температуры, при этом необходимо произвольно выбрать два промежуточных значения температуры и вычислить соответствующие им параметры  и .

Изменение энтропии реакции при стандартных условиях определяются исходя из значений S⁰ (таблица 1.4) по формуле:

.

При определении необходимо учитывать температурную зависимость теплоемкости компонентов от температуры:

.

Вычисление  проводят по формуле

.

Значение  определяют по аналогичной формуле

.

По знаку величин  и  определяют возможное направление протекания реакции при стандартных условиях и при температуре Т.

 

Литература: [1], с.59 – 105; [2], с.23 – 25, 32 – 34, 43 – 46, 57 – 59.

 

 

Таблица 1.1 Связь между основными параметрами состояния в простейших процессах и определение их функции перехода

Название процесса	Уравнение процесса	Связь между параметрами состояния	Работа в процессе	Количество теплоты, сообщенное в процессе
Изобарный
Изотер-мический
Изохорный
Адиабатный

 

 

 

Таблица 1.2 Изменение функций состояния системы в простейших процессах для п молей вещества

 

Название процесса	Δ H	Δ U	Δ S	Теплоемкость
Изобар-ный	Δ Н= Δ U+W= =Q	Δ U=п cv(T2 – T1)
Изотер- мический	Δ Н = 0	Δ U = 0
Изохор-ный	Δ Н=пс p (T2 –T1)	Δ U=п cv(T2 – T1)
Адиабат-ный				сад = 0

    Задание 1.1.1 Применение законов термодинамики к изопроцессам

Решите задачу, соответствующую вашему варианту.

1. Какое количество теплоты необходимо для повышения температуры 16 г кислорода от 300 до 500 К при давлении 1 атм? Как при этом изменится внутренняя энергия? Найти начальный и конечный объемы системы.

2. 5 л криптона, взятого при нормальных условиях, нагревается до 873 К при постоянном объеме. Каково конечное давление газа и количество тепла, затраченного на нагревание? Определить параметры D U и W.

3. 10 г кислорода, взятого при 298 К сжимают адиабатически от 8 л до 5 л. Определить конечную температуру, затраченную работу, изменение внутренней энергии и изменение энтальпии, если .

4. 2 моля паров Br₂ обратимо и изотермически сконденсировали в жидкость при 59⁰С. Рассчитать W, Q, D U и D Н в этом процессе. Удельная теплота испарения брома при 59⁰С равна 184,1 Дж/г.

5. Кислород обратимо и изотермически расширяется от 1 до 5 м³. Начальная температура 30⁰С, начальное давление 100 кПа. Определить D U, Q, W и конечное давление системы.

6. 5 молей двухатомного идеального газа, взятого при 20⁰С и давлении 50 атм, расширяется обратимо и изотермически до 5 атм. Определите W, Q, D U и D Н.

7. Один моль фторуглерода расширяется обратимо и адиабатически вдвое по объему. Начальная температура 298,15 К, давление 15 атм. Конечная температура 248,44 К. Определить V ₁, V ₂, р₂, с _v и с _p.

8. 20 г кислорода, взятого при 298 К расширяется адиабатически от 5 л до 10 л. Начальное давление газа 30 атм. Определить Т₂, р₁, р₂, W, D U и D Н.

9. 8 молей одноатомного идеального газа, взятого при 20⁰С и 10 атм сжимается обратимо и изотермически до 20 атм. Определить W, Q, D U, D Н, V ₁ и V ₂.

10. Одноатомный идеальный газ изобарно расширяется от 5 л до 10 л под давлением 200 кПа. Начальная температура газа 298 К. Определить D U, W, Т₂ и D Н.

11. 5 молей N₂ нагревается в автоклаве от 300 К до 500 К. Объем автоклава 10 л. Определить р₁, р₂, D U, W, D Н и Q.

12. 3 моля двухатомного идеального газа, находящегося при 200 К и 2 атм, обратимо и адиабатически сжали до 250 К. Определить р₂, V ₂, V ₁, W, D U, D Н и Q.

13. Одноатомный идеальный газ изобарно сжимается от 30 л до 3 л под давлением 300 кПа. Начальная температура газа 200 К. Определить Т_2, W, D U и D Н.

14. Четыре моля одноатомного идеального газа, имеющего температуру 50⁰С и 20 атм расширяется обратимо и изотермически до 5 атм. Определить W, Q, D U, D Н, V ₁ и V ₂.

15. Три моля кислорода нагревается изохорно от 298К до 450 К. Первоначальное давление газа 101,3 кПа. Определить V, р₂, D U, W, D Н и Q.

16. 50 г неона, находящегося при от 298 К и 101,3 кПа, обратимо и адиабатически сжали до 2 МПа. Определить Т₂, V ₁, V ₂, W, D U, D Н и Q.

17. 30 г хлора, взятого при 293 К и 5 атм сжимают обратимо и изотермически до 30 атм. Определить W, Q, D U, D Н, V ₁ и

18. Одноатомный идеальный газ изобарно сжимают от 50 л до 30 л под давлением 101,3 кПа. Начальная температура газа 293 К. Определить D U, W, Т₂, D Н и Q.

Задание 1.1.2 Термодинамические расчеты

Для реакции, приведенной в таблице 1.3, соответствующей вашему варианту:

1) рассчитайте стандартный тепловой эффект реакции по известным величинам стандартных теплот образования исходных веществ и продуктов реакции;

2) определите DН_т из предположения:

а) D с = 0;

б) D с = const;

в) D с = f (Т).

3) постройте на одном графике зависимости S с_прод = f (Т) для продуктов и

S с_исх = f (Т) для исходных реагентов;

4) постройте график зависимости D Н_{Т =} f (Т) в интервале (298К… Т);

5) определите и D S _Т  для реакции;

6) вычислите значение и D G _Т и сделайте вывод о направлении реакции в стандартных условиях и при температуре Т.

 

Таблица1.3 Варианты к заданию 1.1.2.

 

№ варианта	Уравнение реакции	Т, К
1	2H2 (г) + CO (г) = CH3OH (г)	800
2	4HCl (г) + O2 (г) = 2H2O (г) + 2Cl2 (г)	750
3	NH4Cl (к) = NH3 (г) + HCl (г)	455
4	2N2 (г) + 6H2O (г) = 4NH3 (г) + 3O2 (г)	1300
5	4NO (г) + 6H2O (г) = 4NH3 (г) + 5O2 (г)	1000
6	2NO2 (г) = 2NO (г) + O2 (г)	700
7	N2O4 (г) = 2NO2 (г)	400
8	Mg(OH)2 (к) = MgO (к) + H2O (г)	500
9	CaCO3 (к) = CaO (к) + CO2 (г)	1000
10	Ca(OH)2 (к) = CaO (к) + H2O (г)	500
11	(г) + 2Н2О (г) = SO2 (г) + 2H2 (г)	1000
12	(г) + 2СО2 (г) = SO2 (г) + 2CO(г)	900
13	2SO2 (г) + O2 (г) = 2SO3 (г)	700
14	SO2 (г) + Cl2 (г) = SO2Cl2 (г)	400
15	CO (г) + 3H2 (г) = CH4 (г) + H2O (г)	1000
16	2CO (г) + SO2 (г) = (г) + 2СО2(г)	900
17	CO (г) + Cl2 (г) = COCl2 (г)	400
18	CO2 (г) + H2 (г) = CO (г) + H2O (г)	1200

 

Таблица 1.4 Термодинамические характеристики веществ

Вещество	D Н0обр	S 0 ,	Ср = а + bT +  + C Т2,				,
			а	b ∙ 103	c ∙ 106	c ' ∙ 10-5
H2 (г)	0	130,7	27,3	3,27	-	0,5	28,85
CO (г)	-110,6	197,7	28,43	4,1	-	-0,46	29,13
CH3OH (г)	-202,1	239,9	15,29	105,27	-31,07	-	44,00
HCl (г)	-92,4	186,9	26,54	4,61	-	1,09	29,15
O2 (г)	0	205,2	31,46	3,39	-	-3,77	29,37
H2O (г)	-242,0	188,9	30,02	10,72	-	0,33	33,6
Cl2 (г)	0	223,1	36,9	1,05	-	-2,52	33,96
NH4Cl (к)	-315,4	94,56	49,37	133,89	-	-	84,20
NH3 (г)	-46,19	192,5	29,80	25,48	-	-1,67	35,65
N2 (г)	0	191,5	27,87	4,27	-	-	29,14
NO (г)	90,3	210,7	29,58	3,85	-	-0,58	29,89
NO2 (г)	33,89	240,3	42,16	8,54	-	-6,74	37,11
N2O4 (г)	9,37	304,0	83,89	39,75	-	-14,90	78,99
Mg(OH)2 (к)	-924,66	63,2	54,56	66,15	-	-	76,99
MgO (к)	-601,24	26,94	42,59	7,28	-	-6,20	37,41
CaCO3 (к)	-1207,9	92,9	104,5	21,92	-	-25,94	81,85
CaO (к)	-635,5	39,8	49,65	4,52	-	-6,95	42,83
Ca(OH)2 (к)	-986,8	83,4	105,27	11,953	-	-18,979	87,55
S2 (г)	129,1	228,2	36,11	1,09	-	-3,52	32,49
SO2 (г)	-296,9	248,2	42,55	12,55	-	-5,65	39,90
CO2 (г)	-393,51	213,8	44,17	9,04	-	-8,54	37,14
SO3 (г)	-395,2	256,23	57,36	26,88	-	-13,06	50,70
SO2Cl2 (г)	-358,7	311,3	53,72	79,50	-	-	77,4
CH4 (г)	-74,9	186,4	17,46	60,5	1,118	-	35,63
COCl2 (г)	-223,0	289,2	67,16	12,11	-	-9,03	60,67
C2H6 (г)	-84,67	229,7	4,494	182,26	-74,86	-	52,71
C2H5OH (г)	-235,3	282,0	19,09	212,86	-108,69	-	73,6
С2H4 (г)	52,28	219,4	4,19	154,59	-81,09	-	43,63
CH3CHO (г)	-166,0	264,2	13,02	153,51	-53,72	-	54,64
C6H12 (г)	-123,2	298,4	-51,75	598,87	-230,0	-	106,34

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ

Термодинамическая теория фазовых равновесий и растворов позволяет на основе опытных данных по диаграммам состояния теоретически предвидеть и рассчитать условия для получения нужных продуктов путем испарения, кристаллизации, экстракции и других фазовых переходов.

Прежде чем приступить к решению задач по разделу фазовые равновесия, следует проработать соответствующий лекционный материал. По учебнику [1] изучить теоретический материал и разобрать решения типовых задач по задачнику [2].

При выполнении задания следует учесть, что общие закономерности, которым подчиняются равновесные системы, содержащие любое число фаз и компонентов, устанавливаются «правилом фаз» Гиббса, согласно которому

,

где К – число компонентов системы, Ф – число фаз, n – число внешних факторов, определяющих существование системы (p, T, c), С – число степеней свободы, показывающая число переменных, которым можно придавать произвольные значения, не изменяя число фаз.

Количественно условие равновесия фаз в однокомпонентных системах выражается уравнением Клаузиуса:

,

где  - производная, описывающая изменение давления пара над жидкостью или твердым телом при испарении или возгонке; - молярная теплота равновесного фазового перехода при температуре  и давлении ;  - температура фазового перехода;  - изменение объема одного моля вещества при фазовом переходе.

Интегрирование уравнения Клаузиуса из предположения  для равновесия газ-жидкость и газ-твердое тело приводит к уравнению Клаузиуса-Клапейрона:

.

Поэтому для системы газ-жидкость тангенс угла наклона зависимости       ln р =f(1/Т) дает значение , а для системы газ-твердое тело – значение . Точка пересечения этих прямых дает координаты тройной точки.

Температуру кипения Т_кип  вещества при нормальном давлении определяют по формуле, полученной из уравнения Клаузиуса-Клапейрона:

.

Для проверки применимости правила Трутона к данной системе необходимо найти отношение . Если оно отличается от значения

 89 , то правило Трутона не применимо.

Взаимосвязь параметров в равновесной системе газ-твердое тело выражается уравнением:

.

Теплоту плавления вещества  при температуре тройной точки определяют исходя из теплоты возгонки и теплоты испарения:

.

Подставив полученное значение  в уравнение Клаузиуса, можно вычислить значение dT/dр. Для определения изменения молярного объема _пл  при плавлении необходимо сначала через обратные величины плотности  и найти удельные объемы жидкой и твердой фаз, и затем определить их молярные объемы. Отношение dT/dр позволяет определить изменение температуры плавления при давлении р, которое дано в столбце «Условие» таблицы 2.1.

Параметры процесса возгонки определяют по следующим формулам:

,                   , 

,              .

Определение числа термодинамических степеней свободы проводят, используя «правило фаз» Гиббса.

 

Литература: [1], с. 152 – 181; [2], с. 67 – 71.

Задание 1.2.1.Анализ фазовой диаграммы

    По зависимости давления насыщенного пара от температуры и плотности данного вещества А в твердом и жидком состояниях (d _тв и d _ж в кг/м³, М в г/моль) в тройной точке (тр. т.):

1) постройте график зависимости ln р = f (1/Т);

2) определите по графику координаты тройной точки;

3) рассчитайте среднюю теплоту испарения и возгонки;

4) определите приближенно температуру кипения вещества при нормальном давлении и проверьте применимость правила Трутона;

5) определите теплоту плавления вещества при температуре тройной точки Т_тр.т;

6) вычислите dT/dP для процесса плавления при температуре тройной точки;

7) вычислите температуру плавления вещества при давлении р, Па;

8) вычислите изменение энтропии, изобарно-изотермического потенциала, внутренней энергии и работы для процесса возгонки 1 моль вещества в тройной точке;

9) определите число термодинамических степеней свободы при следующих значениях температуры и давления: а) Т_тр.т, р_тр.т; б) Т_{н.т.к .}, р =1 атм; в) Т_{н.т.к .}, р_{тр.т .}.

Необходимые для расчета данные приведены в таблице 1.2, согласно вашему варианту.

 

Таблица 1.3 Варианты к заданию 1.2

 

№ варианта	Твердое состояние		Жидкое состояние		Условие
	Т, К	P, Па	Т, К	P, Па
1	248 254,4 258 259 260	7998 13300 17995 19995 23327	260 265 270 278 280 282	23330 27190 31860 40290 40555 47990	М=27 р=800·105 dтв=718 dж=709
2	55 58 60 62 63 64	1333 3999 7331,5 11997 14663 17329	60 64 66 67,8 69 71	12663 17329 22394 27993 31992 39990	М=28 р=500·105 dтв=1026 dж=808
3	100 104 107 109 110,5 112	4132 8531 14663 19995 25367 29653	105 112 114 115 116 117	17329 29659 34738 38657 46435 53053	М=30 р=900·105 dтв=1272 dж=1260
4	229,2 248,0 257,0 267,2 278,3	133,3 694,5 1333 2966 5332	278,2 285,7 298,2 302,2 304,2 306,2	5986 6665 12697 16396 18929 21328	М=32 р=300·105 dтв=837 dж=825
5	173 178 183 186	7330 11600 16795 19995	186 190 196 198 201,6 206 208	27000 31192 38657 46655 55986 69476 77314	М=34 р=450·105 dтв=1010 dж=980
6	196 203 213 220	101325 190491 402360 648480	212 220 223 239 241 242	591751 648480 674824 1005114 1065237 1131722	М=44 р=750·105 dтв=1542 dж=1510
7	276,6 278,2 279,2 280,2 281,2	1413 1706 1879 2066 2319	277,2 279,2 281,4 283,2 285,2 288,7	1826 2052 2372 2626 2932 3279	М=46 р=950·105 dтв=1240 dж=1230
8	230 233 237 240 243 245	26260 31458 39990 49987 58518 66650	236 246 248 249 251 252	63615 78647 83979 86645 96942 100508	М=52 р=350·105 dтв=3010 dж=2955
9	1758,2 1788,2 1810,2 1835,2 1873,2	22,66 63,98 99,97 115,99 266,60	1832 1905 1938 1956 1991 2010	187 387 486 573 800 973	М=52,5 р=500·105 dтв=6800 dж=6750
10	242,1 252,4 263,8 271,2 280,9 293,0	1333 2666 5332 7998 13330 26660	293 303 308 314 313 316	26660 37724 46188 51720 56186 63317	М=58 р=700·105 dтв=822 dж=812
11	183,2 188,0 196,2 199,2 203,7	333,3 586,5 1850 3000 5305	201 204 214 219 230,2	4665,5 5305 7196 7998 13328	М=64 р=1000·105 dтв=1600 dж=1560
12	131 136,5 137 139,2 141,5 144	1333 1999,5 2666 3999 5332 7998	137 141 144 146 149 151,4	6665 7331,5 8664,5 9997,5 12663 15996	М=68 р=200·105 dтв=1450 dж=1434
13	177,3 180 182 184 185,5	15996 19995 23994 28659 31992	180 185,5 188 191 194 196,8	26660 32992 37057 43456 51987 59985	М=81 р=300·105 dтв=1626 dж=1610
14	272,5 274,2 275,7 277,2 279,2 281,7	3332,5 3599,1 4065,6 4398,9 5065,4 5798,6	275,7 280,2 281,7 283,3 285,2 286,7	4878,8 5598,6 5798,6 6198,5 6931,6 7731,4	М =84 р=120·105 dтв=796 dж=788
15	353,2 363,2 373,2 383,2 393,2	39,99 79,98 186,6 393,2 679,8	363,2 393,2 395,2 400,7 403,7 408,7	186,6 679,8 733,1 973,1 1133 1399,6	М=122 р=850·105 dтв=1105 dж=1095
16	205,2 205,7 209,2 213,2 216,4 221,2	16796 19195 22662 29859 35991 45988	219,2 224,2 226,7 229,2 231,2 232,7	55319 59985 66650 75981 83979 87975	М=127,5 р=500·105 dтв=2970 dж=2850
17	334,6 338,4 343,2 348,2 353,2 353,7	266,6 352,2 533,2 733,1 1039,7 1266,3	248,2 353,7 358,2 363,8 368,8 373,8	1046 1266 1399 1666 2066 2466	М=128 р=180·105 dтв=1145 dж=982
18	423,5 433,2 437,7 441,2 444,2 448,2	23994 31325 35324 39323 43322 47454	446,4 448,2 451,2 457,2 462,2 468,2	47000 47555 49987 55986 63317 71345	М=152 р=600·105 dтв=985 dж=977

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Химическая кинетика – это учение о химическом процессе, его механизме и закономерностях протекания во времени.

Законы химической кинетики позволяют:

- рассчитать значение константы скорости химической реакции;

- определить механизм реакции по кинетическим кривым;

- прогнозировать влияние на скорость реакции температуры, концентрации реагентов, катализаторов, рН среды;

- количественно охарактеризовать ферментативные реакции.

До выполнения задания по химической кинетике следует проработать лекционный материал соответствующего раздела. По учебнику [1] изучить теоретический материал и разобрать решения типовых задач по задачнику [2]. При выполнении задания 3.1 и 3.2 советуем воспользоваться формулами, приведенными в таблице 3.1 и уравнением Аррениуса:

,

где  - константа скорости реакции при температуре ;  - универсальная газовая постоянная;  - предэкспоненциальный множитель; - энергия активации реакции.

Если известны константы скорости  и  для данной реакции при

двух разных температурах  и , то энергию активации реакции определяют по формуле:

.

Обратите внимание на то, что единицы измерения константы скорости зависят от порядка кинетического уравнения реакции. Для реакции первого порядка молярные концентрации могут быть заменены любым другим способом выражения состава системы (массовая доля, массовая концентрация и др.), но обязательно одинаковыми для С₀ и С _t.

Кинетика ферментативных реакций (задание 3.3.) описывается уравнением Михаэлиса-Ментен:

v ₀ = ,

где K_m и V_max – кинетические параметры, отражающие механизм действия фермента, [S] – концентрация субстрата.

Для определения параметров этого уравнения удобнее использовать уравнение Лайнуивера – Берка:

 =  + .

 

Таблица 1.4 Соотношения для определения констант и времени полупревращения в реакциях различного порядка

 

Порядок реакции	Дифференциаль-ное уравнение	Константа скорости, k	Время полупревращения,	Размер-ность константы скорости, k
0
1
2 (Тип I)
2 (Тип II)

 

Литература: [1], с. 284 – 316, 447 – 454; [2], с. 169-173, 177-181, 185-186, 192-197, 222-232.

 

Задание 1.3.1 Методы определения порядка реакции

1. При окислении 2-пропанола диметилдиоксираном были получены сле дующие экспериментальные данные:

t, c	0	100	200	300	400	500
[ДМДО]×103, моль/л	14	11	8,5	6,7	5,4	4

Определите порядок реакции дифференциальным методом, константу скорости реакции и период полураспада.

 

2. При окислении 2-пропанола диметилдиоксираном были получены следующие экспериментальные данные:

t, с	0	100	200	300	400	500
[ДМДО]×103, моль/л	14	11	8,5	6,7	5,4	4

Определите порядок реакции интегральным методом (методом подстановки и графическим методом), константу скорости реакции и период полураспада.

 

3. При окислении 1-бутанола хлоридом 2,2,6,6 –тетраметилпиперидин-1-оксила получили следующие данные:

t1/2, с	1200	800	620	470	380
[ROH]0, моль/л	0,015	0,022	0,029	0,037	0,044

Определите порядок реакции аналитическим и графическим 3-им интегральным методом и рассчитайте константу скорости реакции.

 

4. При изучении кинетики гидролиза сахарозы были получены следующие данные.

t, мин	0	30	90	130	180
[C12H22O11], моль/л	0,5	0,451	0,363	0,315	0,267

Определите порядок реакции дифференциальным методом, константу скорости и период полураспада.

 

5. При изучении кинетики гидролиза сахарозы были получены следующие данные:

t, мин	0	30	90	130	180
[C12H22O11], моль/л	0,5	0,451	0,363	0,315	0,267

Определите порядок реакции интегральным методом (методом подстановки и графическим методом), константу скорости и период полураспада.

 

6. При исследовании кинетики каталитического разложения аммиака при Т=1373 К получены следующие результаты:

t1/2, с	456	222	102
Р, кПа	35,32	17,32	7,73

Определите порядок реакции аналитическим и графическим 3-им интегральным методом и рассчитайте константу скорости реакции.

7. При исследовании кинетики каталитического разложения аммиака при Т=1373 К получены следующая зависимость парциального давления аммиака от времени:

t,c

0

300