Сборник задач по химической кинетике
Покупка
Издательство:
Интеллект
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 288
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-91559-306-9
Артикул: 826291.01.99
Химическая кинетика рассматривает закономерности протекания химических реакций во времени, механизм химического процесса, взаимосвязь между строением и реакционной способностью химических соединений.
«Сборник задач по химической кинетике», дополняющий учебник К. П. Брылякова и А. А. Антонова «Курс лекций по химической кинетике» (ИД «Интеллект», 2022, 288 с.) включает в себя более 850 оригинальных задач по формальной кинетике, процессам в открытых системах, теориям элементарного акта химического превращения, влиянию среды на протекание химических реакций, корреляционным соотношениям в химической кинетике, сложным процессам (процессам с инициированием, цепным, каталитическим, автоколебательным процессам, реакциям переноса электрона). Сборник в значительной степени построен на основе сборников задач по химической кинетике и катализу, в разное время использовавшихся для преподавания химической кинетики в Новосибирском государственном университете. По сравнению с наиболее свежим изданием этой серии («Сборник задач по химической кинетике и катализу», под ред. А. А. Антонова, О. Г. Сальникова, А. И. Лысикова и К. П. Брылякова, 4-е издание, исправленное и дополненное, Изд-во НГУ, 2018, 234 с.), был внесён ряд изменений. Так, структура задачника унифицирована со структурой «Курса лекций по химической кинетике», добавлено более 100 новых задач и новый раздел «Ответы». Представленные задачи позволят читателю закрепить теоретический материал курса лекций на практике, познакомиться с примерами описания химических процессов при помоши физико-математического аппарата химической кинетики. Книга ориентирована прежде всего на студентов химических специальностей университетов, прошедших базовые курсы математического анализа, теории дифференциальных уравнений, химической термодинамики, основ квантовой механики и строения вещества. Также может быть полезна аспирантам при самостоятельной подготовке к экзаменам по специальностям «Кинетика и катализ», «Физическая химия», и преподавателям университетских учебных курсов химической кинетики и катализа.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 04.03.01: Химия
- Аспирантура
- 04.06.01: Химические науки
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
СБОРНИК ЗАДАЧ ПО ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКЕ Под редакцией А.А. Антонова и К.П. Брылякова
À.À. Àíòîíîâ, Ê.Ï. Áðûëÿêîâ (ðåä.) Ñáîðíèê çàäà÷ ïî õèìè÷åñêîé êèíåòèêå: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / À.À. Àíòîíîâ, Ê.Ï. Áðûëÿêîâ (ðåä.) – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2022. – 288 ñ. ISBN 978-5-91559-306-9 Õèìè÷åñêàÿ êèíåòèêà ðàññìàòðèâàåò çàêîíîìåðíîñòè ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé âî âðåìåíè, ìåõàíèçì õèìè÷åñêîãî ïðîöåññà, âçàèìîñâÿçü ìåæäó ñòðîåíèåì è ðåàêöèîííîé ñïîñîáíîñòüþ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. «Ñáîðíèê çàäà÷ ïî õèìè÷åñêîé êèíåòèêå», äîïîëíÿþùèé ó÷åáíèê Ê. Ï. Áðûëÿêîâà è À. À. Àíòîíîâà «Êóðñ ëåêöèé ïî õèìè÷åñêîé êèíåòèêå» (ÈÄ «Èíòåëëåêò», 2022, 288 ñ.) âêëþ÷àåò â ñåáÿ áîëåå 850 îðèãèíàëüíûõ çàäà÷ ïî ôîðìàëüíîé êèíåòèêå, ïðîöåññàì â îòêðûòûõ ñèñòåìàõ, òåîðèÿì ýëåìåíòàðíîãî àêòà õèìè÷åñêîãî ïðåâðàùåíèÿ, âëèÿíèþ ñðåäû íà ïðîòåêàíèå õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, êîððåëÿöèîííûì ñîîòíîøåíèÿì â õèìè÷åñêîé êèíåòèêå, ñëîæíûì ïðîöåññàì (ïðîöåññàì ñ èíèöèèðîâàíèåì, öåïíûì, êàòàëèòè÷åñêèì, àâòîêîëåáàòåëüíûì ïðîöåññàì, ðåàêöèÿì ïåðåíîñà ýëåêòðîíà). Ñáîðíèê â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè ïîñòðîåí íà îñíîâå ñáîðíèêîâ çàäà÷ ïî õèìè÷åñêîé êèíåòèêå è êàòàëèçó, â ðàçíîå âðåìÿ èñïîëüçîâàâøèõñÿ äëÿ ïðåïîäàâàíèÿ õèìè÷åñêîé êèíåòèêè â Íîâîñèáèðñêîì ãîñóäàðñòâåííîì óíèâåðñèòåòå. Ïî ñðàâíåíèþ ñ íàèáîëåå ñâåæèì èçäàíèåì ýòîé ñåðèè («Ñáîðíèê çàäà÷ ïî õèìè÷åñêîé êèíåòèêå è êàòàëèçó», ïîä ðåä. À. À. Àíòîíîâà, Î. Ã. Ñàëüíèêîâà, À. È. Ëûñèêîâà è Ê. Ï. Áðûëÿêîâà, 4-å èçäàíèå, èñïðàâëåííîå è äîïîëíåííîå, Èçä-âî ÍÃÓ, 2018, 234 c.), áûë âíåñ¸í ðÿä èçìåíåíèé. Òàê, ñòðóêòóðà çàäà÷íèêà óíèôèöèðîâàíà ñî ñòðóêòóðîé «Êóðñà ëåêöèé ïî õèìè÷åñêîé êèíåòèêå», äîáàâëåíî áîëåå 100 íîâûõ çàäà÷ è íîâûé ðàçäåë «Îòâåòû». Ïðåäñòàâëåííûå çàäà÷è ïîçâîëÿò ÷èòàòåëþ çàêðåïèòü òåîðåòè÷åñêèé ìàòåðèàë êóðñà ëåêöèé íà ïðàêòèêå, ïîçíàêîìèòüñÿ ñ ïðèìåðàìè îïèñàíèÿ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ïðè ïîìîùè ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà õèìè÷åñêîé êèíåòèêè. Êíèãà îðèåíòèðîâàíà ïðåæäå âñåãî íà ñòóäåíòîâ õèìè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé óíèâåðñèòåòîâ, ïðîøåäøèõ áàçîâûå êóðñû ìàòåìàòè÷åñêîãî àíàëèçà, òåîðèè äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé, õèìè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè, îñíîâ êâàíòîâîé ìåõàíèêè è ñòðîåíèÿ âåùåñòâà. Òàêæå ìîæåò áûòü ïîëåçíà àñïèðàíòàì ïðè ñàìîñòîÿòåëüíîé ïîäãîòîâêå ê ýêçàìåíàì ïî ñïåöèàëüíîñòÿì «Êèíåòèêà è êàòàëèç», «Ôèçè÷åñêàÿ õèìèÿ», è ïðåïîäàâàòåëÿì óíèâåðñèòåòñêèõ ó÷åáíûõ êóðñîâ õèìè÷åñêîé êèíåòèêè è êàòàëèçà. © 2022, À.À. Àíòîíîâ, Ê.Ï. Áðûëÿêîâ © 2022, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò, îôîðìëåíèå ISBN 978-5-91559-306-9
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Глава 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 § 1.1. Основные понятия химической кинетики. Размерности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Глава 2. Формальная кинетика простых реакций . . . . . . . . . . . . . 11 § 2.1. Составление кинетических уравнений. . . . . . . . . . . . . . 11 § 2.2. Интегрирование кинетических уравнений необратимых реакций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 § 2.3. Определение константы скорости и порядка реакции . . 17 § 2.4. Определение энергии активации. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Глава 3. Формальная кинетика сложных реакций . . . . . . . . . . . . 36 § 3.1. Обратимые реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 § 3.2. Параллельные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 § 3.3. Последовательные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 § 3.4. Последовательно-параллельные реакции. . . . . . . . . . . . 49 § 3.5. Метод квазистационарных концентраций . . . . . . . . . . . 53 § 3.6. Квазиравновесное приближение . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Глава 4. Расчёт процессов при постоянном давлении. . . . . . . . . . 74 § 4.1. Реактор идеального вытеснения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 § 4.2. Реактор полного смешения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Оглавление 4 Глава 5. Скорость элементарного акта химического превращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 § 5.1. Элементарная теория активных соударений. Столкновения в газовой фазе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 § 5.2. Расчёт константы скорости при помощи теории переходного состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 § 5.3. Оценка температурной зависимости предэкспонента и стерического фактора с помощью теории переходного состояния . . . . . . . . . . 107 § 5.4. Термодинамическая формулировка теории переходного состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 § 5.5. Кинетический изотопный эффект. . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Глава 6. Химические процессы в конденсированной фазе . . . . . . 129 § 6.1. Влияние диффузии на скорость реакций в жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 § 6.2. Реакции в жидкости. Клеточный эффект . . . . . . . . . . . 133 § 6.3. Влияние среды на элементарный акт химического превращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 § 6.4. Корреляционные соотношения в химической кинетике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 § 6.5. Учёт нарушения равновесного распределения частиц по энергиям. Схема Линдемана . . . . . . . . . . . . . 151 § 6.6. Реакции переноса электрона. Теория Маркуса . . . . . . . 155 § 6.7. Туннельные процессы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Глава 7. Инициирование и катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 § 7.1. Фотохимическое и радиационное инициирование. . . . . 159 § 7.2. Ферментативный катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 § 7.3. Гомогенный катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 § 7.4. Автокаталитические реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 § 7.5. Автоколебательные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 § 7.6. Адсорбция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 § 7.7. Гетерогенный катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Оглавление Глава 8. Цепные реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 § 8.1. Неразветвлённые цепные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . 218 § 8.2. Разветвлённые цепные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 § 8.3. Реакции с вырожденным разветвлением цепей . . . . . . . 245 § 8.4. Третий предел самовоспламенения. Стационарная теория теплового взрыва Н.Н. Семёнова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 § 8.5. Нестационарная теория теплового взрыва. . . . . . . . . . . 252 § 8.6. Кинетические закономерности процессов полимеризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Ответы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Ответы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Ответы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Ответы к задачам § 2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Ответы к задачам § 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Ответы к задачам § 2.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Ответы к задачам § 2.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Ответы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Ответы к задачам § 3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Ответы к задачам § 3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Ответы к задачам § 3.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Ответы к задачам § 3.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Ответы к задачам § 3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Ответы к задачам § 3.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Ответы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Ответы к задачам § 4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Ответы к задачам § 4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Ответы к главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Ответы к задачам § 5.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Ответы к задачам § 5.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Ответы к задачам § 5.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Оглавление Ответы к задачам § 5.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Ответы к задачам § 5.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Ответы к главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Ответы к задачам § 6.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Ответы к задачам § 6.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Ответы к задачам § 6.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Ответы к задачам § 6.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Ответы к задачам § 6.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Ответы к задачам § 6.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Ответы к главе 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Ответы к задачам § 7.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Ответы к задачам § 7.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Ответы к задачам § 7.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Ответы к задачам § 7.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Ответы к задачам § 7.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Ответы к задачам § 7.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Ответы к задачам § 7.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Ответы к главе 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Ответы к задачам § 8.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Ответы к задачам § 8.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Ответы к задачам § 8.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Ответы к задачам § 8.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Ответы к задачам § 8.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Ответы к задачам § 8.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Часто используемые формулы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
ПРЕДИСЛОВИЕ В 1979 году Юрием Дмитриевичем Цветковым был выпущен первый сборник задач по химической кинетике [1], содержавший на тот момент 100 задач по основным разделам курса. В 1997 году под общей редакцией Е.Н. Савинова и В.Н. Пармона вышел в свет дополненный задачник, в котором появились также задачи по катализу [2]. Третье, дополненное издание под редакцией А.Г. Окунева было выпущено в 2009 году [3], а в 2018 году было опубликовано четвёртое издание под редакцией А.А. Антонова, О.Г. Сальникова, А.И. Лысикова и К.П. Брылякова [4]. За прошедшие десятилетия курс химической кинетики существенно эволюционировал, соответственно видоизменились и задачи: появилось больше задач по открытым системам, гетерогенному катализу, цепным процессам. В последние годы задачи стали более конкретными, приближенными к практике; во многих новых задачах рассматриваются реальные химические процессы, в том числе представляющие практический интерес. Настоящий сборник содержит более 850 задач. При этом было сохранено большинство задач из предыдущих сборников и добавлено около 100 новых оригинальных задач, предложенных студентам 3 курса Факультета естественных наук НГУ для решения на контрольных работах и экзаменах. Структура задачника приведена в соответствие с «Курсом лекций по химической кинетике», опубликованным К.П. Брыляковым и А.А. Антоновым в 2022 году. Появилось несколько новых разделов: «Нестационарная теория теплового взрыва», «Реакции переноса электрона. Теория Маркуса», «Кинетические закономерности процессов полимеризации», а также раздел «Ответы»; расширились главы, посвященные гетерогенному катализу, автоколебательным процессам, кинетическим закономерностям реакций с вырожденным разветвлением цепей.
Несомненно, определяющий вклад в становление и развитие курса химической кинетики в НГУ внесли Виктор Николаевич Панфилов, Кирилл Ильич Замараев, Евгений Николаевич Савинов, Алексей Григорьевич Окунев, в разные годы читавшие лекции по химической кинетике студентам-химикам 3 курса Факультета естественных наук НГУ. Авторы сборника выражают глубочайшую признательность сотрудникам кафедры физической химии Новосибирского государственного университета, в разные годы проводившим семинарские занятия по химической кинетике: Анне Александровне Лысовой, Антону Игоревичу Лысикову, Дмитрию Игоревичу Потемкину, Дмитрию Викторовичу Красникову, Олегу Георгиевичу Сальникову, Антону Алексеевичу Габриенко, Дмитрию Петровичу Лубову, Тимофею Михайловичу Карнаухову, Зое Николаевне Лащинской, Владимиру Ивановичу Курганскому, Владимиру Алексеевичу Рогову, Владимиру Александровичу Собянину, Юрию Дмитриевичу Цветкову, Владимиру Петровичу Жданову, Владимиру Александровичу Семиколенову, Юрию Ивановичу Аристову, Виктору Михайловичу Тормышеву, Денису Владимировичу Козлову, Андрею Александровичу Онищуку, Александру Валерьевичу Воронцову, Валентину Николаевичу Пармону. Благодаря их творческим усилиям возникла и пополнялась коллекция оригинальных и нестандартных задач, вошедших в конечном итоге в данный сборник. А.А. Антонов, К.П. Брыляков Предисловие
ВВЕДЕНИЕ § 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ. РАЗМЕРНОСТИ 1.1.1 Скорость бимолекулярной реакции А + В ¾ ¾ С равна W (Мс–1). Парциальное давление А равно pА (торр), концентрация В составляет (см–3). Чему равна константа скорости реакции в (M–1с–1)? 1.1.2 Окисление бутилового спирта (C4H9OH) перманганатом калия в присутствии серной кислоты описывается схемой MnO C H CH OH Mn C H COOH. 4 3 7 2 2 3 7 + ¾ ¾ , , За один час концентрация KMnO4, равная изначально 5 г/100 см3 раствора, уменьшается на 8.7%. Рассчитайте скорость образования органической кислоты в системе СГС. 1.1.3 Для простой обратимой реакции i i i k k j j j A B å å ¾ ¾¾ ¬ ¾ ¾¾ 1 1 известно изменение энергии Гиббса rG. Исходя из уравнения изотермы химической реакции, найдите отношение скоростей прямой и обратной реакции W1/W–1. 1.1.4 Давление насыщенного пара над бромбензолом при 130 С равно 400 торр. Оцените по порядку величины начальную скорость распада бромбензола C H Br C H Br 6 5 6 5 ¾ ¾ + в жидкой и газовой фазах, если энергия активации распада равна 71 ккал/моль, плотность жидкого бромбензола — 1.5 г/см3. Г Л А В А 1
Глава 1. Введение 1.1.5 Справедливы ли утверждения: А) Нормальное значение предэкспонента для элементарной реакции k0 = 1013 см3/с. Б) Реакция порядка n < 1 протекает за конечное время. В) Для схемы A --B --C всегда можно использовать метод квазистационарных концентраций. Г) Квазиравновесное приближение можно использовать только тогда, когда концентрация компонентов в равновесии много меньше концентрации реагентов. Д) k3 = 10–45 см6/с. Чему равна эта константа скорости в единицах М–2с–1? Е) Начальные скорости моно-, би- и тримолекулярных реакций совпадают. Начальные концентрации реагентов также равны. Скорость какой реакции будет больше в момент полупревращения? V = const.