Kufelin Sandra
Inżynieria chemiczna i procesowa
semestr 4
grupa 1
sekcja 8
„SYMULACJA KINETYKI ZŁOŻONYCH REAKCJI CHEMICZNYCH”
LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z symulacją komputerową reakcji chemicznych. Na jej podstawie wyznaczamy stałą szybkości reakcji chemicznych, badamy zmiany stężenia substratów i produktów w określonych przedziale czasowym oraz określamy typ reakcji chemicznych.
WSTĘP TEORETYCZNY
Podstawowym pojęciem, które trzeba omówić jest reakcja chemiczna, czyli każdy proces w wyniku którego dochodzi do zerwania lub utworzenia nowego wiązania chemicznego. Reakcje chemiczne dzielimy ze względu na przebieg na reakcje proste i złożone.
Reakcje proste, to takie, w których następuje jednorazowe rozerwanie lub otworzenie nowego wiązania chemicznego. Są to reakcje bardzo rzadko spotykane.
Reakcje złożone, tutaj jednocześnie powstają i rozpadają się wiązania chemiczne, każdą z takich reakcji można zapisać jako ciąg reakcji następczych- elementarnych. Sposób i kolejność w jaki następują reakcje elementarne nazywany jest mechanizmem reakcji. Reakcje złożone dzielą się głównie na: addycję(dodawanie), gdzie cząsteczka reagująca zyskuje jeden atom lub grupę atomów; substytucję(podstawienie), w wyniku tej reakcji następuje wymiana atomów lub grup atomów z druga cząsteczką; eliminację(oderwanie), gdzie od cząsteczki zostają oderwane atomy lub ich grupy.
Wykonując symulację komputerową reakcji chemicznych, odtwarzamy zmiany stężeń produktów i substratów w określonym przedziale czasowym wykonując serie obliczeń kinetycznych. Sprowadza się to do określenia kilku parametrów kinetycznych reakcji. Wśród nich są:
Stała szybkości reakcji chemicznej, to współczynniki występujące w równaniach kinetycznych, opisujących ich przebieg w czasie. W zależności od rzędowości reakcji występują różne jednostki stałej szybkości.
Dla rzędu pierwszego:
Dla rzędu drugiego:
Dla rzędu trzeciego:
Równanie kinetyczne, jest zazwyczaj równaniem różniczkowym opisującym przebieg zmian stężenia molowego substratów i produktów w czasie zachodzenia reakcji. Zazwyczaj przyjmuje ono postać:
gdzie: A, B, C- są stężeniami substancji występujących w reakcji; m, n, o- są rzędami reakcji- wykładnikami potęgowymi; k- jest stałą szybkości
Rząd reakcji, jest to suma wykładników potęg występujących przy stężeniach związków chemicznych, w równaniach kinetycznych danej reakcji chemicznej. Możemy tutaj wyróżnić rząd względny- jest to wartość pojedynczego wykładnika przy danym substracie oraz rząd zewnętrzny- który jest sumą wszystkich wykładników w danej reakcji.
Cząsteczkowość reakcji chemicznej, to liczba cząsteczek biorących udział w najwolniejszym stadium reakcji. Cząsteczkowość jest zwykle równa rzędowości reakcji, natomiast nie jest słuszne stwierdzenie odwrotne.
Dane z symulacji wykorzystywane są do zapisu modelu matematycznego reakcji, który jest różnych dla różnych typów reakcji.
REAKCJE RÓWNOLEGŁE „I” RZĘDU WYCHODZĄCE Z JEDNEGO SUBSTRATU I DAJĄCE RÓŻNE PRODUKTY
Otrzymujemy wykresy dla wszystkich stężeń oraz model matematyczny, w którym możemy obserwować zanik substratu A, którego stężenie opisane jest równaniem:
Przyrost produktów B, C i D, ze stężeniami opisanymi równaniami:
REAKCJE RÓWNOLEGŁE „I” RZĘDU DAJĄCE WSPÓLNY PRODUKT
Zaniki substratów A i B po scałkowaniu opisują równania:
Natomiast stężenie produktu C, obliczamy z bilansu stężeń w całym układzie:
Warunkiem spełnienia bilansu jest zamknięty układ reakcyjny.
REAKCJE KONSEKUTYWNE „I” RZĘDU
Reakcje te są reakcjami następczymi, czyli jeden z występujących tu związków, jest jednocześnie produktem i substratem.
Stężenie substratu A obliczamy tak samo jak przy pozostałych typach reakcji, czyli:
Stężenie związku B, który jest i produktem i substratem przedstawia się następująco:
Stężenie ostatniego produktu- C, opisane jest zależnością:
Z racji, że układ jest zamknięty, stężenie początkowe substratu A, przedstawiamy jako sumę stężeń związków A, B i C w określonym czasie t.
REAKCJE ODWRACALNE „I” RZĘDU
Na początku tej reakcji stężenie związku B wynosi 0, natomiast związku A= A0. W trakcie przebiegu reakcji, ustala się bilans wynoszący B= A0- A. Pozwala to na wyeliminowanie stężenia B w obliczeniach. Otrzymujemy wtedy:
W reakcjach tego typu ustala się stan równowagi, w którym
i występują wartości stężenia w stanie równowagi Av i Bv, dlatego powyższe równanie można przedstawić jako:
Ogólnie przekształcone równanie związku A przedstawia się jako:
REAKCJE ODWRACALNE „I” i „II” RZĘDU
Model matematyczny wygląda podobnie jak w reakcjach odwracalnych „I” rzędu. Występują tutaj takie same założenia, czyli
, występują wartości stężenia w stanie równowagi Av i Bv oraz, że związki Bi C występują w stężeniach równomolowych:
Stąd przy tych założeniach równanie przekształcamy do postaci:
WYKONANIE
Po wydrukowaniu danych z programu „symula” sporządzamy na ich podstawie 5 wykresów, określamy typ reakcji każdego ze sporządzonych wykresów.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
lp |
typ reakcji |
czas symulacji [s] |
A0 |
B0 |
stałe szybkości |
||
|
|
|
|
|
k1 |
k2 |
k3 |
1 |
odwracalna „I” rzędu |
370 |
1,71 |
0,00 |
0,00386 |
0,01920 |
- |
2 |
konsekutywna |
340 |
1,27 |
0,00 |
0,0126 |
0,0152 |
- |
3 |
równoległa dająca wspólny produkt |
130 |
0,86 |
1,16 |
0,0152 |
0,0148 |
- |
4 |
odwracalna „I” i „II” rzędu |
330 |
1,14 |
0,00 |
0,006908 |
0,00471 |
- |
5 |
wychodząca z jednego substratu dająca różne produkty |
390 |
1,86 |
0,00 |
0,015732 |
0,017027 |
0,012944 |
Sporządzone wykresy:
Obliczenia:
t |
A' |
B' |
0 |
1,71000 |
0,00000 |
37 |
1,54575 |
0,16425 |
74 |
1,47577 |
0,23423 |
111 |
1,44595 |
0,26405 |
148 |
1,43324 |
0,27676 |
185 |
1,42783 |
0,28217 |
222 |
1,42552 |
0,28448 |
259 |
1,42454 |
0,28546 |
296 |
1,42412 |
0,28588 |
333 |
1,42394 |
0,28606 |
370 |
1,42387 |
0,28613 |
Obliczenia:
t |
A' |
B' |
C' |
0 |
1,27000 |
0,00000 |
0,00000 |
34 |
0,82747 |
0,33927 |
0,10326 |
68 |
0,53914 |
0,42340 |
0,30746 |
102 |
0,35128 |
0,39656 |
0,52217 |
136 |
0,22887 |
0,33036 |
0,71077 |
170 |
0,14912 |
0,25818 |
0,86270 |
204 |
0,09716 |
0,19382 |
0,97902 |
238 |
0,06331 |
0,14155 |
1,06514 |
272 |
0,04125 |
0,10134 |
1,12741 |
306 |
0,02687 |
0,07146 |
1,17167 |
340 |
0,01751 |
0,04980 |
1,20269 |
Obliczenia:
t |
A' |
B' |
C' |
0 |
0,86000 |
1,16000 |
0,00000 |
13 |
0,70580 |
0,95697 |
0,35723 |
26 |
0,57925 |
0,78948 |
0,65127 |
39 |
0,47539 |
0,65130 |
0,89331 |
52 |
0,39015 |
0,53731 |
1,09254 |
65 |
0,32020 |
0,44327 |
1,25654 |
78 |
0,26279 |
0,36569 |
1,39153 |
91 |
0,21567 |
0,30168 |
1,50265 |
104 |
0,17700 |
0,24888 |
1,59412 |
117 |
0,14526 |
0,20532 |
1,66942 |
130 |
0,11922 |
0,16938 |
1,73140 |
Obliczenia:
t |
A' |
B' |
C' |
0 |
1,14000 |
0,00000 |
0,00000 |
33 |
0,91037 |
0,22963 |
0,22963 |
66 |
0,73962 |
0,40038 |
0,40038 |
99 |
0,61928 |
0,52072 |
0,52072 |
132 |
0,53764 |
0,60236 |
0,60236 |
165 |
0,48366 |
0,65634 |
0,65634 |
198 |
0,44859 |
0,69141 |
0,69141 |
231 |
0,42605 |
0,71395 |
0,71395 |
264 |
0,41168 |
0,72832 |
0,72832 |
297 |
0,40255 |
0,73745 |
0,73745 |
330 |
0,39677 |
0,74323 |
0,74323 |
Obliczenia:
t |
A' |
B' |
C' |
D' |
0 |
1,86000 |
0,00000 |
0,00000 |
0,00000 |
39 |
0,31290 |
0,53255 |
0,57637 |
0,43818 |
78 |
0,05264 |
0,62214 |
0,67333 |
0,51189 |
117 |
0,00886 |
0,63721 |
0,68964 |
0,52429 |
156 |
0,00149 |
0,63975 |
0,69239 |
0,52638 |
195 |
0,00025 |
0,64017 |
0,69285 |
0,52673 |
234 |
0,00004 |
0,64025 |
0,69293 |
0,52679 |
273 |
0,00001 |
0,64026 |
0,69294 |
0,52680 |
312 |
0,00000 |
0,64026 |
0,69294 |
0,52680 |
351 |
0,00000 |
0,64026 |
0,69294 |
0,52680 |
390 |
0,00000 |
0,64026 |
0,69294 |
0,52680 |
WNIOSKI
Ćwiczenie polegało na wyrysowaniu wykresów na podstawie podanych zależności stężenia od czasu i określenie typu reakcji, co nie sprawiało większych problemów. Na podstawie danych, należało również określić stałe szybkości reakcji dla każdego typu oraz wyliczyć stężenia związków występujących w reakcji. Po wyliczeniu wartości A', B' i C', które nieznacznie różniły się tylko od wartości A, B i C podanych na wydruku. Po otrzymaniu tych wartości należało ponownie sporządzić wykresy uwzględniając nowe dane: A'(t), B'(t), C'(t)