NÉHÁNY INFORMÁCIÓ A MUNKAELVEKRŐL

Faszén melegítők.
Még 90 évvel ezelőtt is a találékony gondolkodás a leggyakoribb exoterm folyamat, az égési reakció felé fordult. Megjelentek olyan készülékek, amelyekben fémtokba, az utóbbit pedig szövettokba helyezték a speciális papírba csomagolt, parázsló szénrudat. Az ilyen melegítők viszonylag kis súlyúak, és 5-6 órán át működtek. A tok felületén a hőmérséklet 60 és 100 Celsius-fok között volt.

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

katalitikus melegítők.
Az első világháború idején katonák milliói fagytak meg a lövészárkokban, a háború négy éve alatt pedig az Egyesült Államok, Japán és Anglia feltalálói szabadalmaztatták a zsebfolyadékos melegítők többféle változatát. Működésük elve egyszerű volt: alkohol vagy benzin katalitikus lángmentes oxidációja. A platina minden esetben katalizátorként szolgált. A japán fűtőbetét úgy nézett ki, mint egy cigarettatartó, amiben egy pamuttal töltött tartály és egy platina tömítés volt. A házba lyukakat fúrtak a katalizátor levegőellátására és az égési gázok eltávolítására. A fűtőbetét elindításához alkoholt öntöttek a tartályba, ami átáztatta a vattát. Ezután a katalizátort gyufalánggal felmelegítjük, és a reakció megindul. A katalitikus fűtőtestek fő hátránya a korlátozott élettartam: az üzemanyagban lévő szennyeződések gyorsan megmérgezik a katalizátort, és a fűtő cigarettaház használhatatlanná válik.

Fűtőpárnák mészoltási reakcióval.

Az 1920-as években Németországban az élelmiszerek szántóföldi melegítésére javasolták az égetett mész vízzel történő oltásakor felszabaduló hő felhasználását. A reakció nem kellően nagy termikus hatása azonban eleinte megakadályozta praktikus alkalmazás ez az ötlet. Előrelépést jelentett két reakció kombinációja: a mészoltás és a mészsemlegesítés. Ehhez oxál- vagy citromsav kristályos hidrátokat vittek a mészbe. A fűtőbetétben a reakció a következő séma szerint ment végbe.

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

Ezzel a két reakcióval 100 és 300 Celsius fok közötti hőmérséklet érhető el egy hordozható készülékben. Ezenkívül a savhidrátok használata lehetővé teszi, hogy a melegítőpárnát kis mennyiségű vízzel indítsa el, és a semlegesítés során felszabaduló víz reagál a következő mészadagokkal.

Fémoxidációs reakciókat használó fűtőbetétek.
Normál körülmények között a fémek korróziója a levegőben szerencsére lassan megy végbe. A sók jelenléte drámaian felgyorsítja a folyamatot. A 20-as évek végén a Vörös Hadsereg katonáinak melegítésére "vas" fűtőbetétet javasoltak - a vasreszelék, kálium-permanganát és töltőanyagok mellett egy gumírozott szövetzsákba szenet és homokot tettek. A víz hozzáadása után a 100 Celsius fokos hőmérsékletet a fűtőtest felületén 10-20 órán keresztül tartják.

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

A korrozív fűtőbetétekben vas helyett jobb alumíniumot használni. Ebben a reakcióban sokkal több hő szabadul fel, mint a vas oxidációja során:

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

Fűtőpárnák fémeltolódási reakciókkal.
1940-ben a Szovjetunió kifejlesztett egy fűtőszalagot - egy bőrrel borított réztartályt, amelyet egy nadrágszíjhoz erősítettek. A tartályt megtöltöttük 200 g reakciókeverékkel - réz-klorid alumíniumporral, sztöchiometrikus arányban. Víz 100-120 ml mennyiségben. a mellzsebében lévő spray-palackból került a tartályba. A vízellátást egyszerű hőrelé szabályozta. Az öv 8 órán keresztül melegen tartható. Ez a vegyszeres fűtőbetét nemcsak formailag, hanem tartalmilag is új volt: most először használták fel az egyik fém másik, elektronegatívabbra való kiszorítása során keletkező hőt. Leningrádban az 1942-es blokád telén réz-klorid és vasforgács keverékével töltött fűtőbetéteket használtak. Egy vízzel való feltöltéssel az ilyen fűtőbetétek 60-70 órát működtek.

Kristályosító melegítők.
A kristályosító melegítők alacsony olvadáspontú és viszonylag magas olvadási hővel rendelkező anyagokat használnak. Az ilyen hőtároló hőt ad le, amely egy előmelegített és megolvadt anyag kristályosodása vagy megszilárdulása során szabadul fel. A fűtő-akkumulátorok klasszikus munkateste a paraffin. Használhat sztearinsavat, alacsony olvadáspontú kristályos hidrátokat is, például Glauber-sót Na2SO4*10H2O vagy nátrium-acetát-trihidrátot CH3COONa*3H2O-val. A hidratált kalcium-klorid, nátrium-tioszulfit vagy glicerin kis mennyiségben történő hozzáadása lelassíthatja a kristályosodási folyamatot, és ezáltal megnövelheti a melegítőpárna időtartamát. A fűtőbetét 15 másodperc alatt felmelegszik. 55 °C-ig és a hőleadás folyamata 25-30 percig tart. A fűtőbetét kellően nagy hőkapacitású és hűtési üzemmódban még 25-30 percig képes hőt leadni. A kristályosító típusú melegítőpárna jó terápiás és profilaktikus szer gyulladásos folyamatokban, különböző formájú isiászban szenvedő betegeknél, májcsővezetéknél és egyéb eljárásoknál. álló körülmények(otthon vagy a kórházban).

A kristályosító fűtőelemek terepen vészhelyzetben történő alkalmazását korlátozza a fűtőtestek hőleadási üzemmódjának rövid időtartama.

A kristályosító típusú fűtőbetétek fő előnye az ismételt felhasználás lehetősége: a melegítőpárna kezdeti állapotának helyreállításához elegendő 15-20 percig vízben forralni.

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

KÉSZTCSŐ FŰTÉS
Túrázáskor, horgászatkor, különösen rossz időben, gyakran van szükség egy közönséges fűtőbetétre. Természetesen a közönséges gumi sem rossz, de van egy jelentős hátránya: a víz nagyon lassan melegszik fel a máglyán.

Próbáljunk meg kémiai fűtőbetétet készíteni. Ehhez a legáltalánosabb reagensekre van szükségünk.

Kezdjük egy egyszerű kísérlettel. Menj a konyhába, és vegyél egy csomag konyhasót. Azonban nincs szükség csomagra. 20 g (2 teáskanál) elég lesz. Ezután nézzen be a szekrénybe, ahol mindenféle háztartási előkészületet és anyagot tárolnak. Bizonyára megmaradt a lakás javítása után egy kis réz-szulfát. 40 g-ra (3 teáskanálra) lesz szüksége. Feltehetően faforgácsot és egy darab alumíniumhuzalt is találnak majd. Ha igen, akkor minden készen áll. A vitriolt és a sót mozsárba dörzsöljük úgy, hogy a kristályok mérete ne haladja meg az 1 mm-t (természetesen szemmel). Adjunk hozzá 30 g (5 evőkanál) fűrészport a kapott keverékhez, és alaposan keverjük össze. Hajlítsa meg a drótdarabot spirállal vagy kígyóval, tegye egy majonézes üvegbe. Öntse oda az elkészített keveréket úgy, hogy a visszatöltés szintje 1-1,5 cm-rel az edény nyaka alatt legyen. A melegítőpárna a kezedben van. A működéshez elegendő 50 ml (negyed csésze) vizet önteni egy üvegbe. 3-4 perc múlva a melegítőpárna hőmérséklete 50-60°C-ra emelkedik.

Honnan származik a hő az edényben, és milyen szerepet töltenek be az egyes összetevők? Nézzük a reakcióegyenletet:

CuSO4+2NaCl > Na2SO4+CuCl2

A réz-szulfát és a konyhasó kölcsönhatása következtében nátrium-szulfát és réz-klorid képződik. Ő az, aki érdekel minket. Ha kiszámítjuk a reakció hőmérlegét, akkor kiderül, hogy egy gramm réz-klorid molekula képződése során 4700 kalória hő szabadul fel. Ráadásul az eredetileg kapott készítményekben az oldódási hő 24 999 kalória. Összesen: körülbelül 29 600 kalória.

Közvetlenül a képződés után a réz-klorid kölcsönhatásba lép az alumíniumhuzallal:

2Al+3CuCl2 > 2AlCl3+3Cu

Ebben az esetben körülbelül 84 000 kalória szabadul fel (1 g-mol réz-kloridra vonatkoztatva is).

Mint látható, a folyamat eredményeként a teljes felszabaduló hőmennyiség meghaladja a 100 000 kalóriát az anyag grammjában. Tehát nincs tévedés vagy megtévesztés: a fűtőbetét valódi.

Mi a helyzet a fűrészporral? Nem vesznek részt kémiai reakciókban, ugyanakkor nagyon fontosak fontos szerep. A mohón felszívódó vizet, fűrészpor lelassítja a reakciók lefolyását, időben megnyújtja a melegítőpárna munkáját. Ráadásul a fának meglehetősen alacsony a hővezető képessége: a felszabaduló hőt mintegy felhalmozza, majd folyamatosan leadja. Szorosan lezárt edényben a hő legalább két órán át megmarad.

És az utolsó megjegyzés: a bank természetesen nem a legjobb edény fűtőbetétnek. Csak bemutató céllal kellettünk. Tehát gondolja meg maga a tartály formáját és anyagát, amelybe a fűtőkeveréket helyezi.

1. példa. Hányszor kell növelni a hidrogén koncentrációját a rendszerben

N 2  3H 2  2NH 3

100-szorosára növelni a reakciósebességet?

Megoldás. Egy adott reakció sebességének kifejezése

v = k 3.

Az idő kezdeti pillanatában

v0 = k 0 0 3 .

A hidrogénkoncentráció növekedését vegyük x-nek,

v 1 \u003d k 0 [xH 2] 3 \u003d x 3 k 0 0 3 \u003d x 3 v 0 = 100v0,

és akkor a hidrogénkoncentráció növekedése legyen

2. példa. Hogyan változik az előrehaladó reakció sebessége, ha a rendszerben a nyomás megháromszorozódik?

N 2  3H 2  2NH 3

Megoldás. A nyomás háromszoros növekedése egyenértékű a térfogat háromszoros csökkenésével, és ennek megfelelően az összes anyag koncentrációjának háromszoros növekedésével.

A reakció sebessége a kezdeti időpontban:

v0 = k 0 0 3;

nyomásemelkedés után

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

azaz a közvetlen reakció sebessége 81-szeresére nő.

3. példa. A hőmérséklet 50 0 C-ról 70 0 C-ra emelése a reakciósebesség 9-szeres növekedését okozza. Határozza meg a reakció hőmérsékleti együtthatóját!

Megoldás. A reakció hőmérsékleti együtthatóját a van't Hoff-egyenletből fejezzük ki:

γ (t 1-t 2) / 10 \u003d v 2 / v 1,

és megkapjuk

γ (70-50)/10 = 9, γ 2 = 9, γ = 3.

4. példa. Számítsa ki a vegyszer aktiválási energiáját és sebességi állandóját!

milyen reakció

CO + H 2 O  H 2 + CO 2

303 K (T 3) hőmérsékleten, ha a reakciósebesség állandó 288 K (T 1) és 313 K (T 2) hőmérsékleten 3,1 10 -4 és 8,15 10 -3 mol / l.

Megoldás. Az Arrhenius-egyenletből következik

Ea \u003d 2,3RT 1 T 2 lg (k 2 /k 1) / (T 2 -T 1).

A kapott értékeket behelyettesítve a következőt kapjuk:

Ea = 2,3 8,31 288 313 lg (8,15, 10 -3 / 3,1 10 -4) / (313-288) \u003d 97848 J / mol.

A 303 K-en mért reakciósebesség-állandó az összefüggésből megtalálható

lg (k 3 /k 1) \u003d Ea (T 3 - T 1) / (2,3RT 3 T 1) vagy lg (k 2 /k 3) \u003d Ea (T 2 - T 3) / (2,3 RT 2) T 3).

Ha behelyettesítjük a rendelkezésre álló értékeket ezen képletek bármelyikébe, a következőket kapjuk:

k 3 \u003d 2,34 10 -3 l mol -1 perc -1.

5. példa 10 0 C hőmérsékleten a reakció 120 másodperc múlva, 30 0 C-on 30 másodperc múlva fejeződik be. Keresse meg az aktiválási energiát.

Megoldás. Nyilvánvaló, hogy k (30) / k (10) =  (10) /  (30), majd az értékeket az Ea = 2,3RT 1 T 2 lg (k 2 /k 1) képletbe behelyettesítve / (T 2 T 1), kapjuk:

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

vagy 49,3 kJ/mol.

6. példa. Az ecetsav-etil-észter nátrium-hidroxiddal való elszappanosítási állandója 100 °C-on 2,38 l/mol. min. Határozza meg a 90%-os ecetsav-etil-észter elszappanosításához szükséges időt, ha 1 liter 0,05 mólos éteroldatot ezen a hőmérsékleten keverünk 1 liter 0,05 mólos NaOH-oldattal.

Megoldás. Reakció

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

egy másodrendű reakció; az éter és a lúg koncentrációja egyenlő, és használhatja a következő egyenletet:

k = x/( a(ax)),

 = x/(k a(ax)).

Figyelembe véve az oldatok kölcsönös hígítását kétszeresére és az ecetsav-etil-észter 90%-os átalakulását, a következőt kapjuk:

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

Ekkor lesz a reakcióidő

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

2. Kémiai egyensúly

2.1. Reverzibilis és visszafordíthatatlan reakciók

A kémiai reakciók egyik legfontosabb jellemzője az átalakulás mélysége (fokozata), amely megmutatja, hogy a kiindulási anyagok mennyire alakulnak reakciótermékekké. Minél nagyobb, annál gazdaságosabban hajtható végre az eljárás. Az átalakulás mélysége többek között a reakció reverzibilitásától is függ.

megfordítható reakciók , nem úgy mint visszafordíthatatlan, ne menjen a végére: egyik reaktáns sem fogy el teljesen. Ugyanakkor a reakciótermékek kölcsönhatásba lépnek a kiindulási anyagok képződésével.

Vegye figyelembe a példákat:

1) egy zárt edénybe egy bizonyos hőmérsékleten azonos térfogatú jódot és hidrogént vezetnek be. Ha ezen anyagok molekuláinak ütközése a kívánt orientációval és elegendő energiával történik, akkor a kémiai kötések átrendeződnek egy köztes vegyület (aktivált komplex, lásd 1.3.1. fejezet) képződésével. A kötések további átrendeződése a köztitermék vegyület két hidrogén-jodid molekulává történő bomlásához vezethet. Reakció egyenlet:

H 2  I 2  2HI

De a hidrogén-jodid molekulák véletlenszerűen ütköznek hidrogén-, jódmolekulákkal és egymással is. Amikor a HI-molekulák ütköznek, semmi sem akadályozza meg egy köztes vegyület képződését, amely aztán jódra és hidrogénre bomlik. Ezt a folyamatot a következő egyenlet fejezi ki:

2HI  H 2 + I 2

Így ebben a rendszerben egyidejűleg két reakció megy végbe - a hidrogén-jodid képződése és bomlása. Egy általános egyenlettel fejezhetők ki

H 2 + I 2  2HI

A folyamat visszafordíthatóságát a  jel jelzi.

Ebben az esetben a hidrogén-jodid képződésére irányuló reakciót közvetlennek, az ellenkezőjét pedig fordítottnak nevezik.

2) ha két mól kén-dioxidot összekeverünk egy mól oxigénnel, a rendszerben a reakció lefolyásához kedvező feltételeket teremtünk, majd az idő letelte után a gázelegyet elemezzük, az eredmények azt mutatják, hogy a rendszer SO 3 - reakcióterméket, valamint kiindulási anyagokat - SO 2 és O 2 - tartalmaznak. Ha a kén-oxidot (+6) ugyanolyan körülmények közé helyezzük, mint a kiindulási anyagot, akkor megállapítható, hogy egy része oxigénre és kén-oxidra (+4) bomlik, és a végső arány az összes mennyisége között. három anyag ugyanaz lesz, mint amikor kén-dioxid és oxigén keverékéből indulunk ki.

Így a kén-dioxid és az oxigén kölcsönhatása is a reverzibilis példái közé tartozik kémiai reakcióés az egyenlettel fejezzük ki

2SO 2 + O 2  2SO 3

3) a vas és a sósav kölcsönhatása a következő egyenlet szerint megy végbe:

Fe + 2HCL  FeCL 2 + H 2

Elegendő sósavval a reakció akkor ér véget

az összes vas elhasználódott. Ezen túlmenően, ha ezt a reakciót megpróbáljuk végrehajtani ellentétes irány- hidrogént vas-klorid oldaton átvezetni, akkor a fémvas és a sósav nem fog működni - ez a reakció nem mehet az ellenkező irányba. Így a vas és a sósav kölcsönhatása visszafordíthatatlan reakció.

Ugyanakkor szem előtt kell tartani, hogy elméletileg bármely visszafordíthatatlan folyamat bizonyos feltételek mellett visszafordíthatónak képzelhető el, pl. Elvileg minden reakció reverzibilisnek tekinthető. De nagyon gyakran az egyik reakció egyértelműen érvényesül. Ez azokban az esetekben történik, amikor a kölcsönhatás termékei kikerülnek a reakciószférából: csapadék válik ki, gáz szabadul fel, az ioncserélő reakciók során gyakorlatilag nem disszociáló termékek keletkeznek; vagy amikor a kiindulási anyagok egyértelmű feleslege miatt az ellenkező folyamat gyakorlatilag elnyomódik. Így a fordított reakció lehetőségének természetes vagy mesterséges kizárása lehetővé teszi, hogy a folyamat szinte a végére kerüljön.

Ilyen reakciók például a nátrium-klorid és az ezüst-nitrát kölcsönhatása oldatban

NaCL + AgNO 3  AgCl  + NaNO 3,

réz-bromid ammóniával

CuBr 2 + 4NH 3  Br 2,

sósav semlegesítése nátrium-hidroxid oldattal

HCl + NaOH  NaCl + H 2 O.

Ezek mind csak példák gyakorlatilag visszafordíthatatlan folyamatok, mivel az ezüst-klorid valamelyest oldódik, és a 2+ komplex kation nem abszolút stabil, és a víz disszociál, bár rendkívül kis mértékben.

A hőmérséklet hatását a kémiai reakció sebességére megközelítőleg a van't Hoff szabálya. A hőmérséklet 10 0 C-os emelkedésével a kémiai reakció sebessége 2-4-szeresére nő.

A van't Hoff-szabály matematikai jelölése: γ - a reakciósebesség hőmérsékleti együtthatója vagy van't Hoff-együtthatója a legtöbb reakcióhoz 2-4 tartományba esik.

Egy feladat. Hányszor változik meg a gázfázisban lezajló kémiai reakció sebessége, ha a hőmérséklet 80 0 С-ról 120 0 С-ra változik? γ = 3)?

A van't Hoff-szabálynak megfelelően ezt írjuk:

A hőmérséklet emelkedésével a kémiai reakció sebességének növekedése nem csak a hőmérséklet növekedésével magyarázható kinetikus energia kölcsönhatásba lépő molekulák. Például a molekulák ütközésének száma az abszolút hőmérséklet négyzetgyökével arányosan növekszik. Ha az anyagokat nulláról száz Celsius-fokra hevítik, a molekulák mozgási sebessége 1,2-szeresére, a kémiai reakció sebessége pedig körülbelül 59 ezerszeresére nő. A reakciósebesség ilyen meredek növekedése a hőmérséklet emelkedésével az aktív molekulák azon hányadával magyarázható, amelyek ütközése kémiai kölcsönhatás. Az aktív ütközések elmélete szerint csak aktív molekulák, amelynek energiája meghaladja egy adott anyag molekuláinak átlagos energiáját, azaz. aktiválási energiával rendelkező molekulák.

Aktiválási energia (E A)- ez a többletenergia ahhoz képest, hogy a molekuláknak rendelkezniük kell egy kémiai reakció végrehajtásához. Ha E A< 40 кДж/моль – реакции протекают быстро, если Е А >120 kJ / mol - a reakciók nem mennek végbe, ha E A = 40-120 kJ / mol - a reakciók normál körülmények között mennek végbe. A hőmérséklet emelkedése csökkenti az aktiválási energiát, reaktívabbá teszi az anyagokat, és nő a kölcsönhatás sebessége.

A kémiai reakció sebességének pontosabb függését a hőmérséklettől állapították meg C. Arrhenius: A reakciósebesség-állandó arányos a hatványra emelt természetes logaritmus alapjával (-E A / RT). ,

A - pre-exponenciális tényező, meghatározza az aktívak számát

ütközések;

e a kitevő (a természetes logaritmus alapja).