NEKE INFORMACIJE O PRINCIPIMA RADA

Grijači na drveni ugalj.
Još prije 90 godina, inventivna misao okrenula se najčešćem egzotermnom procesu - reakciji sagorijevanja. Pojavili su se uređaji u kojima se tinjajuća karbonska šipka umotana u poseban papir stavljala u metalnu kutiju, a ova u platnenu. Takvi grijači imali su relativno malu težinu i djelovali su 5-6 sati. Na površini kućišta temperatura je bila od 60 do 100 stepeni Celzijusa.

C + O2 --> CO2 + 94 kcal/mol

katalitički grijači.
Tokom Prvog svetskog rata milioni vojnika su se smrzli u rovovima, a tokom četiri ratne godine, izumitelji Sjedinjenih Država, Japana i Engleske patentirali su nekoliko verzija džepnih tečnih grejača. Princip njihovog rada bio je jednostavan: katalitička beplamena oksidacija alkohola ili benzina. Platina je služila kao katalizator u svim slučajevima. Japanski jastučić za grijanje izgledao je kao kutija za cigarete, unutar koje se nalazio rezervoar napunjen pamukom i platinastom brtvom. U kućištu su izbušene rupe za dovod zraka u katalizator i odvođenje plinova izgaranja. Za pokretanje jastučića za grijanje, u rezervoar je uliven alkohol koji je natopio vatu. Zatim je katalizator zagrijan plamenom šibice i reakcija je započela. Glavni nedostatak katalitičkih grijača je njihov ograničeni vijek trajanja: nečistoće sadržane u gorivu brzo otruju katalizator i grijaća kutija za cigarete postaje beskorisna.

Jastučići za grijanje koji koriste reakciju gašenja vapna.

Još 1920-ih godina u Njemačkoj je za zagrijavanje hrane na terenu predloženo korištenje topline koja se oslobađa prilikom gašenja živog vapna vodom. Međutim, nedovoljno veliki toplotni efekat reakcije u početku je bio sprečen praktična primjena ovu ideju. Korak naprijed bila je kombinacija dvije reakcije: gašenje vapna i neutralizacija vapna. Da bi se to postiglo, kristalni hidrati oksalne ili limunske kiseline uvedeni su u vapno. Reakcije u jastučiću za grijanje odvijale su se prema sljedećoj shemi.

CaO + H2 O --> Ca(OH)2 + 10,6 kcal.
2Ca (OH) 2 + H2C2O4 + 2 H2O --> CaC2O4 + 4H2O + 31 kcal

Sa ove dvije reakcije moguće je postići temperaturu od 100 do 300 stepeni Celzijusa u prijenosnom uređaju. Osim toga, upotreba kiselih hidrata omogućava vam da pokrenete jastučić za grijanje s malom količinom vode, a voda oslobođena tijekom neutralizacije reagirat će sa sljedećim dijelovima vapna.

Jastučići za grijanje koji koriste reakcije oksidacije metala.
U normalnim uslovima, korozija metala u vazduhu se odvija, na sreću, sporo. Prisustvo soli dramatično ubrzava proces. Krajem 20-ih, za grijanje vojnika Crvene armije preporučena je "gvozdena" grijalica - pored gvozdenih strugotina, kalijum permanganata i punila - ugalj i pijesak stavljani su u vreću od gumirane tkanine. Nakon dodavanja vode, temperatura od 100 stepeni Celzijusa održava se na površini grijača 10-20 sati.

4Fe + 2H2 O + 3O2 --> 2(Fe2O3 * H2O) + 390,4 kcal/mol

Umjesto željeza u korozivnim grijačima, bolje je koristiti aluminij. U ovoj reakciji oslobađa se mnogo više topline nego tijekom oksidacije željeza:

8Al + 3Fe3O4 ---> 4Al2O3 + 9Fe + 795 kcal/mol

Jastučići za grijanje koji koriste reakcije pomicanja metala.
Godine 1940. SSSR je razvio pojas za grijanje - bakarni rezervoar prekriven kožom, koji je bio pričvršćen za kaiš za pantalone. Rezervoar je napunjen sa 200 g reakcione smeše - aluminijum praha bakar hlorida, uzete u stehiometrijskom odnosu. Voda u količini od 100-120 ml. je dodan u rezervoar iz boce sa raspršivačem u džepu na grudima. Snabdijevanje vodom je regulirano jednostavnim termičkim relejem. Pojas bi mogao da zadrži toplotu 8 sati. Ovaj hemijski jastučić za grijanje bio je nov ne samo po obliku, već i po sadržaju: prvi put je korištena toplina nastala pomicanjem jednog metala drugim, više elektronegativnim. U Lenjingradu, tokom blokadne zime 1942. godine, korišćeni su jastučići za grejanje punjeni mešavinom bakar-hlorida i gvozdenih strugotina. Od jednog punjenja vodom, takvi jastučići za grijanje radili su 60-70 sati.

Grijači za kristalizaciju.
Kristalizacijski grijači koriste tvari s niskim tačkama topljenja i relativno visokim toplinama fuzije. Takav termalni akumulator daje toplinu, koja se oslobađa tijekom kristalizacije ili skrućivanja prethodno zagrijane i rastaljene tvari. Klasično radno tijelo grijača-akumulatora je parafin. Možete koristiti i stearinsku kiselinu, nisko topljive kristalne hidrate, na primjer, Glauberovu so Na2SO4*10H2O ili natrijum acetat trihidrat CH3COONa*3H2O. Mali dodaci hidratizovanom kalcijum hloridu, natrijum tiosulfitu ili glicerinu mogu usporiti proces kristalizacije i time produžiti trajanje grejnog jastuka. Jastučić za grijanje se zagrijava za 15 sekundi. do 55 °C, a proces oslobađanja topline traje 25-30 minuta. Jastučić za grijanje ima dovoljno visok toplinski kapacitet i još 25-30 minuta može odavati toplinu u načinu hlađenja. Jastučić za grijanje kristalizacijskog tipa dobar je kao terapeutsko i profilaktičko sredstvo za upalne procese, za bolesnike sa različitim oblicima išijasa, za tubaž jetre i druge zahvate u stacionarni uslovi(kod kuće ili u bolnici).

Upotreba kristalizacijskih grijača u vanrednim situacijama na terenu ograničena je kratkim trajanjem načina oslobađanja topline grijača.

Glavna prednost jastučića za grijanje kristalizacijskog tipa je mogućnost ponovne upotrebe: da biste vratili početno stanje jastučića za grijanje, dovoljno ga je kuhati u vodi 15-20 minuta.

http://umcsa.narod.ru/rus/umcsa/projects/ait.htm

GRIJAČ CEVI
Prilikom planinarenja, ribolova, posebno po lošem vremenu, često postoji potreba za običnim grijačem. Naravno, i obična guma je dobra, ali ima jedan značajan nedostatak: voda se vrlo sporo zagrijava za nju na lomači.

Pokušajmo napraviti hemijski jastučić za grijanje. Da bismo to učinili, potrebni su nam najčešći reagensi.

Počnimo s jednostavnim eksperimentom. Idite u kuhinju i uzmite pakovanje kuhinjske soli. Međutim, ne treba vam pakovanje. 20 g (2 kašičice) biće dovoljno. Zatim pogledajte u ormarić, gdje su pohranjene sve vrste kućnih potrepština i materijala. Sigurno je nakon popravke stana sačuvano malo bakrenog sulfata. Trebaće 40 g (3 kašičice). Vjerovatno će se naći i sječka i komadić aluminijske žice. Ako jeste, spremni ste. Istrljajte vitriol i sol u malteru tako da veličina kristala ne prelazi 1 mm (naravno, na oko). U dobijenu smjesu dodajte 30 g (5 žlica) piljevine i dobro promiješajte. Savijte komad žice spiralom ili zmijom, stavite ga u teglu za majonez. Tamo sipajte pripremljenu smesu tako da nivo zatrpavanja bude 1-1,5 cm ispod grla tegle. Jastuk za grijanje je u vašim rukama. Da biste ga sproveli, dovoljno je u teglu uliti 50 ml (četvrtina šolje) vode. Nakon 3-4 minuta, temperatura jastučića za grijanje će porasti na 50-60°C.

Odakle dolazi toplina u tegli i kakvu ulogu igra svaka od komponenti? Pogledajmo jednačinu reakcije:

CuSO4+2NaCl > Na2SO4+CuCl2

Kao rezultat interakcije bakrenog sulfata sa običnom soli, nastaju natrijum sulfat i bakar hlorid. Ona nas zanima. Ako izračunamo toplinski bilans reakcije, ispada da se formiranjem jednog gram-molekula bakrenog klorida oslobađa 4700 kalorija topline. Plus, toplota rastvaranja u početnim rezultujućim preparatima iznosi 24.999 kalorija. Ukupno: približno 29.600 kalorija.

Odmah nakon formiranja, bakar hlorid stupa u interakciju sa aluminijumskom žicom:

2Al+3CuCl2 > 2AlCl3+3Cu

U ovom slučaju se oslobađa približno 84.000 kalorija (također u smislu 1 g-mol bakar hlorida).

Kao što vidite, kao rezultat procesa, ukupna količina oslobođene topline prelazi 100.000 kalorija po gram-molekulu tvari. Dakle, nema greške ili prevare: jastučić za grijanje je stvaran.

Šta je sa piljevinom? Ne učestvujući u hemijskim reakcijama, oni istovremeno igraju veliku ulogu važnu ulogu. Pohlepno upijajući vodu, piljevina usporava tok reakcija, rasteže rad jastučića za grijanje na vrijeme. Osim toga, drvo ima prilično nisku toplinsku provodljivost: ono na neki način akumulira oslobođenu toplinu, a zatim je neprestano odaje. U dobro zatvorenoj posudi, toplota se zadržava najmanje dva sata.

I posljednja napomena: banka, naravno, nije najbolja posuda za jastučić za grijanje. Trebao nam je samo u svrhu demonstracije. Stoga razmislite sami o obliku i materijalu rezervoara u koji ćete postaviti mješavinu za grijanje.

Primjer 1. Koliko puta treba povećati koncentraciju vodonika u sistemu

N 2  3H 2  2NH 3

povećati brzinu reakcije za 100 puta?

Odluka. Izraz za brzinu date reakcije

v = k 3 .

U početnom trenutku vremena

v0 = k 0 0 3 .

Uzmimo povećanje koncentracije vodika kao x,

v 1 = k 0 [xH 2] 3 = x 3 k 0 0 3 = x 3 v 0 = 100v0,

a zatim bi povećanje koncentracije vodika trebalo biti

Primjer 2. Kako će se promijeniti brzina reakcije naprijed ako se pritisak u sistemu utrostruči?

N 2  3H 2  2NH 3

Odluka. Povećanje pritiska za faktor tri je ekvivalentno smanjenju zapremine za faktor tri i, shodno tome, povećanju koncentracije svih supstanci za faktor tri.

Brzina reakcije u početnom trenutku:

v0 = k 0 0 3 ;

nakon povećanja pritiska

v1 = k 3 = 3 3 3 k 0 0 3 = 81v 0 ,

tj. brzina direktne reakcije će se povećati za 81 puta.

Primjer 3. Povećanje temperature sa 50 0 C na 70 0 C uzrokuje povećanje brzine reakcije za 9 puta. Odrediti temperaturni koeficijent reakcije.

Odluka. Izražavamo temperaturni koeficijent reakcije iz van't Hoffove jednadžbe:

γ (t 1- t 2) / 10 \u003d v 2 / v 1,

i dobijamo

γ (70-50)/10 = 9, γ 2 = 9, γ = 3.

Primjer 4. Izračunajte energiju aktivacije i konstantu brzine hemikalije

kakva reakcija

CO + H 2 O  H 2 + CO 2

na 303 K (T 3), ako su konstante brzine reakcije na 288 K (T 1) i 313 K (T 2) 3,1 10 -4 odnosno 8,15 10 -3 mol / l.

Odluka. Iz Arrheniusove jednačine slijedi

Ea = 2,3RT 1 T 2 lg (k 2 /k 1) / (T 2 -T 1).

Zamjenom dobijenih vrijednosti dobijamo:

Ea = 2,3 8,31 288 313 lg (8.15. 10 -3 / 3,1 10 -4) / (313-288) = 97848 J / mol.

Konstanta brzine reakcije na 303 K može se naći iz odnosa

lg (k 3 /k 1) \u003d Ea (T 3 - T 1) / (2.3RT 3 T 1) ili lg (k 2 /k 3) = Ea (T 2 - T 3) / (2.3RT 2 T 3).

Zamjenom dostupnih vrijednosti u bilo koju od ovih formula, dobijamo:

k 3 = 2,34 10 -3 l mol -1 min -1.

Primjer 5 Na temperaturi od 10 0 C reakcija se završava nakon 120 sekundi, a na 30 0 C - nakon 30 sekundi. Pronađite energiju aktivacije.

Odluka. Očigledno je da je k (30) / k (10) =  (10) /  (30), a zatim, zamjenom vrijednosti u formulu Ea = 2,3RT 1 T 2 lg (k 2 /k 1) / (T 2 T 1), dobijamo:

Ea = 2,3 8,31(273+10)(273+30)lg(120/30)/(30-10) = 49336 J/mol

ili 49,3 kJ/mol.

Primjer 6. Konstanta saponifikacije etil estera sirćetne kiseline sa natrijum hidroksidom na 100C je 2,38 l/mol. min. Odrediti vrijeme potrebno za saponifikaciju 90 octenog etil estera ako se 1 litar 0,05 molarnog rastvora etra pomeša na ovoj temperaturi sa 1 litrom 0,05 molarnog rastvora NaOH.

Odluka. Reakcija

CH 3 COOC 2 H 5 + NaOH \u003d CH 3 COONa + C 2 H 5 OH

je reakcija drugog reda; koncentracije etera i alkalija su jednake i možete koristiti jednadžbu:

k = x/( a(ax)),

 = x/(k a(ax)).

Uzimajući u obzir međusobno razblaživanje rastvora za faktor dva i konverziju octenoetil estera za 90, dobijamo:

a \u003d 0,05 / 2 \u003d 0,025 mol / l; x = 0,05 0,9 / 2 = 0,0225 mol / l.

Tada će vrijeme reakcije biti

 \u003d 0,0225 / ((2,38 0,025 (0,025-0,225)) \u003d 151,2 min.

2. Hemijska ravnoteža

2.1. Reverzibilne i ireverzibilne reakcije

Jedna od najvažnijih karakteristika hemijske reakcije je dubina (stepen) konverzije, koja pokazuje koliko se polazne supstance pretvaraju u produkte reakcije. Što je veći, to se proces može ekonomičnije provesti. Dubina konverzije, između ostalih faktora, zavisi od reverzibilnosti reakcije.

reverzibilan reakcije , Za razliku od nepovratan, ne nastavljajte do kraja: nijedan od reaktanata nije u potpunosti potrošen. U isto vrijeme, produkti reakcije stupaju u interakciju s formiranjem početnih materijala.

Razmotrimo primjere:

1) jednake količine gasovitog joda i vodonika se unose u zatvorenu posudu na određenoj temperaturi. Ako dođe do sudara molekula ovih supstanci sa željenom orijentacijom i dovoljnom energijom, tada se hemijske veze mogu preurediti sa formiranjem intermedijarnog jedinjenja (aktivirani kompleks, vidi odeljak 1.3.1). Daljnje preuređenje veza može dovesti do razgradnje intermedijarnog spoja na dva molekula jodida vodika. Jednačina reakcije:

H 2  I 2  2HI

Ali molekuli jodida vodika će se također nasumično sudarati s molekulima vodonika, joda i međusobno. Kada se HI molekule sudare, ništa neće spriječiti stvaranje međuspoja, koje se zatim može razgraditi na jod i vodonik. Ovaj proces se izražava jednačinom:

2HI  H 2 + I 2

Dakle, u ovom sistemu će se istovremeno odvijati dve reakcije - stvaranje jodida vodika i njegovo raspadanje. Mogu se izraziti jednom opštom jednačinom

H 2 + I 2  2HI

Reverzibilnost procesa je označena znakom .

Reakcija usmjerena u ovom slučaju prema stvaranju vodikovog jodida naziva se direktna, a suprotna - obrnuta.

2) ako dva mola sumpor-dioksida pomešamo sa jednim molom kiseonika, stvorimo uslove u sistemu koji su povoljni za odvijanje reakcije i nakon isteka vremena analiziramo mešavinu gasova, rezultati će pokazati da će sistem sadrže i SO 3 - proizvod reakcije, i početne supstance - SO 2 i O 2. Ako se sumporov oksid (+6) stavi pod iste uslove kao i početna supstanca, tada će se moći utvrditi da će se njegov deo raspasti na kiseonik i sumpor oksid (+4), a konačni odnos između količina svih tri supstance će biti iste kao kada se polazi od mješavine sumpor-dioksida i kisika.

Stoga je interakcija sumpor-dioksida s kisikom također jedan od primjera reverzibilnog hemijska reakcija i izražava se jednačinom

2SO 2 + O 2  2SO 3

3) interakcija gvožđa sa hlorovodoničnom kiselinom odvija se prema jednačini:

Fe + 2HCL  FeCL 2 + H 2

Sa dovoljno hlorovodonične kiseline, reakcija će se završiti kada

svo gvožđe je potrošeno. Osim toga, ako pokušamo izvesti ovu reakciju u obrnuti smjer- da prođe vodonik kroz otopinu željeznog hlorida, tada metalno željezo i hlorovodonična kiselina neće raditi - ova reakcija ne može ići u suprotnom smjeru. Dakle, interakcija željeza sa hlorovodoničnom kiselinom je ireverzibilna reakcija.

Međutim, treba imati na umu da teoretski bilo nepovratan proces može se zamisliti kao reverzibilno pod određenim uslovima, tj. U principu, sve reakcije se mogu smatrati reverzibilnim. Ali vrlo često jedna od reakcija očito prevlada. To se dešava u onim slučajevima kada se produkti interakcije uklone iz reakcione sfere: talog se taloži, oslobađa se gas, tokom reakcija jonske razmene nastaju praktično nedisocijacijski proizvodi; ili kada je zbog jasnog viška polaznih supstanci suprotan proces praktično potisnut. Dakle, prirodno ili umjetno isključivanje mogućnosti obrnute reakcije omogućava vam da proces dovedete gotovo do kraja.

Primjeri takvih reakcija su interakcija natrijum hlorida sa srebrovim nitratom u rastvoru

NaCL + AgNO 3  AgCl  + NaNO 3,

bakar bromid sa amonijakom

CuBr 2 + 4NH 3  Br 2,

neutralizacija hlorovodonične kiseline rastvorom natrijum hidroksida

HCl + NaOH  NaCl + H 2 O.

Ovo su sve samo primjeri praktično ireverzibilni procesi, budući da je srebro hlorid donekle rastvorljiv, a kompleksni kation 2+ nije apsolutno stabilan i voda disocira, iako u izuzetno maloj meri.

Utjecaj temperature na brzinu kemijske reakcije približno je određen van't Hoffovo pravilo. Sa povećanjem temperature za 10 0 C, brzina hemijske reakcije se povećava 2-4 puta.

Matematička notacija van't Hoffovog pravila: γ - temperaturni koeficijent brzine reakcije ili van't Hoffov koeficijent za većinu reakcija nalazi se u rasponu od 2-4.

Zadatak. Koliko će se puta promijeniti brzina hemijske reakcije koja se odvija u gasnoj fazi ako se temperatura promijeni sa 80 0 C na 120 0 C ( γ = 3)?

U skladu sa van't Hoffovim pravilom pišemo:

Povećanje brzine kemijske reakcije s povećanjem temperature objašnjava se ne samo povećanjem kinetička energija molekuli u interakciji. Na primjer, broj sudara molekula raste proporcionalno kvadratnom korijenu apsolutne temperature. Kada se supstance zagreju od nula do sto stepeni Celzijusa, brzina kretanja molekula se povećava za 1,2 puta, a brzina hemijske reakcije se povećava za oko 59 hiljada puta. Tako naglo povećanje brzine reakcije s povećanjem temperature objašnjava se udjelom aktivnih molekula čiji sudar dovodi do hemijska interakcija. Prema teoriji aktivnih sudara, samo aktivni molekuli,čija energija premašuje prosječnu energiju molekula date supstance, tj. molekule sa energijom aktivacije.

Energija aktivacije (E A)- ovo je višak energije u odnosu na prosječnu zalihu koju molekuli moraju imati da bi izveli kemijsku reakciju. Ako E A< 40 кДж/моль – реакции протекают быстро, если Е А >120 kJ/mol - reakcije se ne odvijaju ako je E A = 40-120 kJ/mol - reakcije se odvijaju u normalnim uslovima. Povećanje temperature smanjuje energiju aktivacije, čini tvari reaktivnijima, a brzina interakcije se povećava.

Točnija zavisnost brzine hemijske reakcije od temperature ustanovljena je pomoću C. Arrhenius: Konstanta brzine reakcije je proporcionalna bazi prirodnog logaritma podignutog na stepen (-E A / RT). ,

A - predeksponencijalni faktor, određuje broj aktivnih

sudari;

e je eksponent (osnova prirodnog logaritma).