تحقیق بررسی واكنش هاي شيميايي

دسته بندي : فنی و مهندسی » مهندسی شیمی
تحقيق بررسي واكنش هاي شيميايي در 47 صفحه ورد قابل ويرايش

« بنام ايزد يكتا »



مؤلف : مهندس مطيع فرد فصل اول : بينش 1

نام فرآيندهايي كه در جهان هستي در حال انجام شدن مي‌باشند با آهنگ يا سرعت خاصي رخ مي دهند. گستره اي از علم شيمي كه مربوط به سرعت واكنش هاي شيميائي مي باشد، سينتيك شيميائي نام دارد. سينتيك شيميائي با سرعت انجام يك فرآيند شيميائي و عوامل مؤثر بر سرعت سر و كار دارد.

اگر در محيط اطراف زندگي خود نگاه كنيم در اثر گذشت زمان، واكنش هاي شيميائي در حال رخ دادن مي باشند. برخي كند مانند زنگ زدن ، آهن و برخي تند مانند سوختن و ياخنثي شدن اسيد و باز مي باشند.

نكته: دقت شود در مورد سرعت خودبخودي بخودن معنا ندارد، به عبارتي خودبخودي بودن مفهوم سريع بودن را نمي رساند. بسياري از واكنش هاي خودبخودي آنچنان كند مي باشند كه شايد هفته ها و سالها در دماي معمولي رخ ندهند. مانند:



نكته: خودبخودي بودن واكنش بحثي است ترموديناميكي و ترموديناميك با تعيين سطح انرژي واكنش دهنده ها و فرآورده ها و تغيير آنتروپي است. وقوع واكنش را بررسي مي كند، در حالي كه سينتيك دوباره چگونگي تبديل آن‌ها به يك ديگر و شرايط بهينه براي انجام شدن واكنش را بررسي مي كند.

نكته: سينتيك تابع مسير است.

سرعت يا شتاب يك فرآيند عبارت است از تغيير يك كميت معين در يك زمان معين. حال اين كميت معين مي‌تواند غلظت – بو – زنگ و … باشد.

همچنان كه در علم فيزيك سرعت يك متحرك را با تغييرات جابه‌جائي متحرك در تغييرات واحد زمان. بيان مي كنيم در علم شيمي نيز به دنبال يك كميت مستقيم تا در واحد زمان تغيير كند. از آنجائي كه در حين يك واكنش شيميائي تعداد مولها دستخوش تغيير مي شوند بنابراين سرعت يك واكنش شيميائي عبارت است از تغيير غلظت يك واكنش گر و يا يك فرآورده در واحد زمان.

مثلاً در واكنش اگر بخواهيم سرعت را برحسب جزء A حساب كنيم. (در علم شيمي سرعت را با R نمايش مي‌دهيم و از آنجائي كه سرعت يك واكنش ثابت نيست و با گذشت زمان تغيير مي كند. همچون علم فيزيك به بيان سرعت متوسط واكنش مي پردازيم يعني ) حرف R از كلمه Rate به معناي سرعت گرفته شده است.






غلظت A در t1 – غلظت A در t2




T2-t1

توجه: [A] يعني غلظت A بر پايه مول بر ليتر

حرف يوناني (دلتا)‌به معناي تغيير يك كميت اندازه گيري شده است.

نكته : سرعت در لحظه هاي مختلف واكنش با يكديگر تفاوت دارد. به عبارتي سرعت يك واكنش در ابتدا زياد و با گذشت زمان از آنجائي كه غلظت واكنشگرها رو به كاهش مي‌گذارد كم مي گردد.

سرعت يك واكنش كميتي است تجربي و با اندازه گيري سرعت مصرف واكنش دهنده (ها) يا سرعت توليد فرآورده (ها) معين مي گردد.

توجه گردد كه عبارت ‌يك عبارت منفي است. زيرا غلظت دوم A به دليل مصرف شدن ‌از غلظت اول A كوچكتر است و از آنجائي كه در علم شيمي سرعت منفي معنا ندارد بنابراين سرعت متوسط مصرف A را با عبارت:



به عبارتي ‌سرعت را با بيان يك علامت منفي براي واكنش دهنده (ها) بيان مي كنيم.

بنابراين مي توان سرعت را برحسب جزء (B) نيز تعريف نمود:



پرسش: تغييرهاي سرعت واكنش با پيشرفت زمان به چه ترتيب است؟

1) سرعت واكنش در ابتدا كم است و در نزديك پايان زياد مي شود.

2) در تمام مدت سرعت واكنش ثابت است.

3) سرعت واكنش در ابتدا زياد و در نزديك پايان كم مي گردد.

4) با پيشرفت زمان سرعت واكنش به طور منظم افزايش مي يابد.

نكته :

انتخاب واحد زمان در سطح دبيرستان اصولاً ثانيه (s) و دقيقه است (min) ولي براي واكنش كند مانند زنگ زدن آهن و يا خرد شدن صفحات كاغذي يك كتاب از واحدهاي نظير روز – هفته – ماه وسال استفاده مي شود. در اين بحث بيشتر از واحد ثانيه استفاده مي گردد.

بنابراين سرعت واحدهاي مختلفي دارد.

نكته : انواع واحدهاي سرعت

1- واحد mol/s يا mol/min

2- واحد mol/lit/s يا mol/lit/min يا M/S

3- واحد lit/s كه بيشتر براي گازها استفاده مي شود.

پرسش: در يك آزمايش 08/0 مول N2 را در ظرف يك ليتري قرار داده تا با هيدروژن واكنش دهد. و مطابق واكنش زير آمونياك تشكيل گردد.



اگر در دقيقه هاي چهارم و هشتم پس از شروع واكنش مقدار N2 باقيمانده در ظرف 04/0 و 02/0 مول باشد سرعت متوسط مصرف N2 در فاصله زماني دقيقه هاي چهارم و هشتم برابر است با :

1) 3-10*5 2) 2-10*1 3) 2-10*2 4) 3-10*5/2

نكته: زماني كه سرعت واكنش بر حسب mol/s باشد آن را به صورت نمايش مي دهند و زماني كه سرعت واكنش برحسب مول بر ليتر بر ثانيه باشد آن را به صورت نمايش مي دهند.

نكته 5:

پرسش: 23/0 گرم سديم در مدت 100 ثانيه در آب حل مي شود، سرعت متوسط مصرف مولهاي سديم برحسب ثانيه كدام است؟ 23=Na

1) 2-10*1 2) 4-10*1 3) 3-10*5/2 4) 3-10*3/2

پرسش: اگر غلظت يكي از مواد در واكنش در مدت 25 ثانيه از 05/0 مول در ليتر به 025/0 مول بر ليتر كاهش يابد، سرعت متوسط آن واكنش در مدت زمان گفته شده برحسب، مول بر ثانيه كدام است؟

1) 4-10*1 2) 3-10*5/2 3) 2-10*5 4) 3-10*1

نكته 6:

پرسش: واكنش روبرو در يك ظرف 2 ليتري در حال انجام شدن است.

اگر در مدت 10 ثانيه مقدار No2 به 4/0 مول افزايش يابد، سرعت متوسط تشكيل No2 برحسب 1-mol.s و 1-M.S متر كدامند؟

1) 04/0-02/0 2) 02/0-02/0 3) 04/0-04/0 4) 02/0-04/0

بررسي نمودار غلظت زمان در واكنش

با توجه به اين كه غلظت مواد اوليه رو به كاهش و غلظت مواد حاصل رو به افزايش است با گذشت زمان مي توان رسم نمود:

در رسم نمودار دقت كنيد مصرف يا توليد نسبي هر ماده در يك بازه زماني متناسب با ضريب استوكيدمتري آن ماده دو معادله موازنه شده است.

پرسش: مطلوب است سرعت واكنش مصرف در فاصله زماني 10 تا 20 ثانيه

1) 01/0

2) 02/0

3) 1/0

4) 2/0

نكته 7 : بسيار مهم:

نكته 8:

بررسي انواع واكنش ها از لحاظ آثار گرمايي:

1- واكنش گرماده (گرمازا) : واكنش هايي هستند كه در ضمن انجام شدن آنها انرژي گرمايي آزاد مي شود. در اين دسته از واكنش ها سطح انرژي مواد اوليه بالاتر از سطح انرژي مواد حاصل است.

مثلا در واكنش

Ea انرژي فعالسازي واكنش رفت

Ea …………..برگشت (اگر واكنش را معكوس در نظر بگيريم)

: آنتالپي واكنش

با توجه به منحني مي توان نكات زير را بدست آورد.

1- انرژي فعالسازي رفت كوچكتر از برگشت است بنابراين واكنش رفت بيشتر از برگشت است.

2- براي بدست آوردن داريم:



در واكنش هاي گرمازا و در واكنش گرماگير است.

3- سطح انرژي مواد حاصل كمتر از سطح انرژي مواد اوليه است.

پرسش: اگر انرژي فعالسازي رفت و برگشت واكنشي به ترتيب kj180 و kj210 باشد واكنش برابر است با:

1) 30 2) 30- 3) 390 4) 390-

پرسش: با توجه به نمودار، كدام مطلب درباره واكنش گازي درست است؟

1) انرژي فعالسازي آن در جهت مستقيم بيشتر است.

2) واكنش گرماده و با افزايش محسوس بي نظمي ذرات است.

3) واكنش گرماگير و با افزايش سطح انرژي ذرات همراه است.

4) آن برابر 1-kgmol226- است.

پرسش: اگر در يك واكنش انرژي فعالسازي رفت برابر kj10 و واكنش به اندازه 150 كيلوژول بر مول انرژي ده باشد، انرژي فعالسازي واكنش برگشت كدام است؟

1) 160- 2) 140- 3) 160 4) 140

2- واكنش هاي گرماگير (يا گرماخواه) :

واكنش هاي گرماگير (يا گرماخواه) :

واكنش هاي هستند كه براي انجام شدن آنها نياز به انرژي گرمايي است. در اين واكنش ها سطح انرژي مواد اوليه پائين تر از مواد حاصل است.

است زيار واكنش برگشت سريع است. چرا؟

نكته: 16:

نكته 17:

پرسش: كدام مطلب در مورد انرژي فعالسازي واكنش نادرست است؟

1) از روي تفاوت محتواي انرژي كمپلكس فعال و مواد اوليه مشخص مي گردد.

2) عامل مهمي در تعيين سرعت نسبي واكنش ها مي باشد.

3) مقدار آن در واكنش رفت، عكس مقدار آن در واكنش برگشت است.

4) هر چه مقدار آن در واكنش بزرگتر باشد، سرعت آن واكنش كمتر است.

با پيشرفت يك واكنش در دماي ثابت كدام تغيير روي مي دهد؟

1) انرژي فعالسازي كاهش مي يابد 2) برخورد مؤثر بين مولكولها افزايش مي يابد.

3) سرعت آن واكنش كاهش مي يابد 4) مقدار افزايش مي يابد.

نكته 18: شرايط متفاوتي در حجم گازها در اين شرايط:

پرسش: از اثر Mg بر Hcl در مدت 5 دقيقه 6/5 ليتر گاز هيدروژن در شرايط متعارفي حاصل شده است، سرعت متوسط واكنش برحسب مولهاي هيدروژن در دقيقه كدام است؟

1) 2) 3) 4)

نكته 19:

نكته 20:

نكته 21:

پرسش : علت اصلي افزايش سرعت واكنش با افزايش دما اين است كه :

1) مولكولهاي در جهت مناسب برخورد قرار مي گيرند.

2) انرژي فعالسازي واكنش كاهش مي يابد.

3) توانايي مولكولها جهت تشكيل كمپلكس فعال افزايش مي يابد.

4) بي نظمي مولكولها در محيط افزايش مي يابد.

ساز و كار واكنش هاي شيميائي: بررسي جزء به جز مراحل انجام شدن يك واكنش شيميايي را يا بررسي فرآيند انجام شده در سطح ذره اي ساز و كار واكنش ناميده مي شود.

مثلا واكنش زير را در نظر بگيريد.



شواهد تجربي نشان مي دهد كه واكنش از طريق ساز و كار دو مرحله اي زير انجام مي گيرد.

مرحله 1:

مرحله 2:

واكنش كلي از جمع مراحل تشكيل دهنده ساز و كار بدست مي آيد.



نكته 22: واكنش تك مرحله اي و يا واكنشي كه طي آن در يك مرحله فراورده از برخورد مستقيم واكنش بدست آيد يك واكنش … ناميده مي شود. يك واكنش كلي اغلب از چند مرحله بنيادي تشكيل شده است.

نكته 23:



پيش بيني جهت پيشرفت واكنش و خارج قسمت واكنش:

هنگامي كه واكنشگرها و فرآورده هاي يك واكنش شيميايي مفروض با هم آميخته مي شوند، دانستن اين نكته كه آيا مخلوط در تعادل است يا نه و جهتي كه سيستم بايد داشته باشد. تا به تعادل برسد، مفيد است. اگر غلظت يكي از واكنش دهنده ها يا فرآورده ها صفر باشد، سيستم به سويي مي رود كه آن چه را كه نيست ، توليدكند. اما اگر همگي غلظت هاي آغازي، غير از صفر باشند، تعيين جهت حركت به سوي تعادل، دشوارتر است. براي تعيين جهت حركت در اين گونه از موارد از خارج قسمت واكنش كه آن را با Q نمايش مي دهيم، استفاده مي گردد.

زماني كه غلظت واكنشگرها و فرآورده ها در آغاز در عبارت ثابت تعادل قرار گيرد آن كه بدست مي آيد، خارج قسمت واكنش نام دارد. خارج قسمت را با نماد Q به صورت زير نمايش مي دهيم:







براي تعيين اينكه يك سيستم، براي رسيدن به تعادل، در كدام راستا حركت مي كند، مقادير Q و k را با هم مقايسه مي نمائيم. كه 3 حالت زير امكان وجود دارد:

1- Q برابر k باشد - در اين حالت سيستم در تعادل است و حركتي صورت نمي گيرد.

2- Q بزرگتر از k باشد – در اين حالت، نسبت غلظت هاي آغازي فرآورده ها به غلظت هاي آغاز واكنشگرها، نسبت بسيار بزرگي است. براي رسيدن به تعادل يك تغيير از فرآورده ها به سوي واكنشگرها، بايستي رخ دهد، سيستم به سمت چپ پيشرفت مي كند تا فرآورده ها را مصرف كند و صورت Q كوچكتر شود تا با k هم ارز گردد.

4- Q كوچكتر از k است. در اين حالت غلظت هاي آغازي فرآورده ها نسبت به غلظت هاي آغازي واكنشگرها بسيار كم است، سيستم براي رسيدن به تعادل، بايستي به سمت راست برود تا واكنشگرها را مصرف و فرآورده ها را توليد كند.