ALCUNE INFORMAZIONI SUI PRINCIPI DI LAVORO

Stufe a carbone.
Anche 90 anni fa, il pensiero inventivo si è rivolto al processo esotermico più comune: la reazione di combustione. Apparvero dispositivi in ​​cui un'asta di carbonio fumante avvolta in carta speciale era collocata in una custodia di metallo e quest'ultima in una custodia di stoffa. Tali riscaldatori pesavano relativamente poco e agivano per 5-6 ore. Sulla superficie del case, la temperatura era compresa tra 60 e 100 gradi Celsius.

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

riscaldatori catalitici.
Durante la prima guerra mondiale, milioni di soldati congelarono nelle trincee e durante i quattro anni di guerra gli inventori di Stati Uniti, Giappone e Inghilterra brevettarono diverse versioni di riscaldatori a liquido tascabili. Il principio del loro funzionamento era semplice: ossidazione catalitica senza fiamma di alcol o benzina. Il platino fungeva da catalizzatore in tutti i casi. Il termoforo giapponese sembrava un portasigarette, all'interno del quale c'era un serbatoio pieno di cotone e una guarnizione di platino. Sono stati praticati dei fori nell'alloggiamento per l'alimentazione dell'aria al catalizzatore e la rimozione dei gas di combustione. Per avviare il termoforo, è stato versato dell'alcol nel serbatoio, che ha inzuppato il cotone idrofilo. Quindi il catalizzatore è stato riscaldato con una fiamma di fiammifero ed è iniziata la reazione. Lo svantaggio principale dei riscaldatori catalitici è la loro durata limitata: le impurità contenute nel carburante avvelenano rapidamente il catalizzatore e il portasigarette riscaldante diventa inutile.

Cuscinetti riscaldanti con reazione di spegnimento della calce.

Già negli anni '20 in Germania, per riscaldare gli alimenti sul campo, si proponeva di utilizzare il calore rilasciato durante l'estinzione della calce viva con l'acqua. Tuttavia, l'effetto termico insufficientemente grande della reazione è stato inizialmente impedito applicazione pratica questa idea. Un passo avanti è stata la combinazione di due reazioni: spegnimento della calce e neutralizzazione della calce. Per fare questo, sono stati introdotti nella calce idrati cristallini di acido ossalico o citrico. Le reazioni nel termoforo sono andate secondo il seguente schema.

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

Con queste due reazioni è possibile ottenere temperature da 100 a 300 gradi Celsius in un dispositivo portatile. Inoltre, l'uso di idrati acidi consente di avviare il termoforo con una piccola quantità di acqua e l'acqua rilasciata durante la neutralizzazione reagirà con le successive porzioni di calce.

Cuscinetti riscaldanti che utilizzano reazioni di ossidazione dei metalli.
In condizioni normali, la corrosione dei metalli nell'aria procede, fortunatamente, lentamente. La presenza di sali velocizza notevolmente il processo. Alla fine degli anni '20 si consigliava un termoforo "di ferro" per riscaldare i soldati dell'Armata Rossa - oltre a limatura di ferro, permanganato di potassio e cariche - carbone e sabbia venivano posti in un sacco di tessuto gommato. Dopo aver aggiunto l'acqua, la temperatura di 100 gradi Celsius viene mantenuta sulla superficie del riscaldatore per 10-20 ore.

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

Invece del ferro nelle piastre riscaldanti corrosive, è meglio usare l'alluminio. In questa reazione viene rilasciato molto più calore che durante l'ossidazione del ferro:

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

Cuscinetti riscaldanti che utilizzano reazioni di spostamento del metallo.
Nel 1940, l'URSS sviluppò una cintura di riscaldamento: un serbatoio di rame ricoperto di pelle, che era attaccato a una cintura di pantaloni. Il serbatoio è stato riempito con 200 g della miscela di reazione - polvere di alluminio di cloruro di rame, presa in rapporto stechiometrico. Acqua in una quantità di 100-120 ml. è stato aggiunto al serbatoio da un flacone spray nel taschino. L'approvvigionamento idrico era regolato da un semplice relè termico. La cintura potrebbe tenersi al caldo per 8 ore. Questo termoforo chimico era nuovo non solo nella forma, ma anche nel contenuto: per la prima volta veniva utilizzato il calore generato dallo spostamento di un metallo su un altro, più elettronegativo. A Leningrado, durante il blocco invernale del 1942, furono utilizzate piastre riscaldanti riempite con una miscela di cloruro di rame e trucioli di ferro. Da un riempimento con acqua, tali piastre riscaldanti hanno funzionato per 60-70 ore.

Riscaldatori di cristallizzazione.
I riscaldatori di cristallizzazione utilizzano sostanze con bassi punti di fusione e calori di fusione relativamente elevati. Un tale accumulatore termico emette calore, che viene rilasciato durante la cristallizzazione o la solidificazione di una sostanza preriscaldata e fusa. Il classico corpo di lavoro dei riscaldatori-accumulatori è la paraffina. Puoi anche usare acido stearico, idrati cristallini a basso punto di fusione, ad esempio sale di Glauber Na2 SO4 * 10H2O o acetato di sodio triidrato CH3COONa * 3H2O. Piccole aggiunte al cloruro di calcio idrato, al tiosolfito di sodio o alla glicerina possono rallentare il processo di cristallizzazione e quindi aumentare la durata del termoforo. Il termoforo si riscalda in 15 secondi. fino a 55 °C e il processo di rilascio del calore dura 25-30 minuti. Il termoforo ha una capacità termica sufficientemente elevata e per altri 25-30 minuti è in grado di emettere calore in modalità raffreddamento. Un termoforo del tipo a cristallizzazione è buono come agente terapeutico e profilattico per i processi infiammatori, per i pazienti con varie forme di sciatica, per il tubo del fegato e altre procedure in condizioni stazionarie(a casa o in ospedale).

L'uso di riscaldatori a cristallizzazione in situazioni di emergenza sul campo è limitato dalla breve durata della modalità di rilascio del calore dei riscaldatori.

Il principale vantaggio dei termofori di tipo a cristallizzazione è la possibilità di un uso ripetuto: per ripristinare lo stato iniziale del termoforo è sufficiente bollirlo in acqua per 15-20 minuti.

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

RISCALDATORE PER PROVETTE
Durante le escursioni, la pesca, soprattutto in caso di maltempo, è spesso necessario un normale termoforo. Certo, anche la gomma normale va bene, ma ha uno svantaggio significativo: l'acqua si riscalda molto lentamente per metterla in gioco.

Proviamo a realizzare un termoforo chimico. Per fare ciò, abbiamo bisogno dei reagenti più comuni.

Iniziamo con un semplice esperimento. Vai in cucina e prendi un pacchetto di sale da cucina. Tuttavia, non hai bisogno di un pacchetto. Saranno sufficienti 20 g (2 cucchiaini). Quindi guarda nell'armadietto, dove sono conservati tutti i tipi di preparati e materiali per la casa. Sicuramente dopo la riparazione dell'appartamento si è conservato un po' di solfato di rame. Avranno bisogno di 40 g (3 cucchiaini). Presumibilmente verranno trovati anche trucioli di legno e un pezzo di filo di alluminio. Se è così, sei a posto. Pestare vetriolo e sale in un mortaio in modo che la dimensione dei cristalli non superi 1 mm (ovviamente ad occhio). Aggiungere 30 g (5 cucchiai) di segatura alla miscela risultante e mescolare accuratamente. Piega un pezzo di filo con una spirale o un serpente, mettilo in un barattolo di maionese. Versare lì la miscela preparata in modo che il livello di riempimento sia 1-1,5 cm sotto il collo del barattolo. Il termoforo è nelle tue mani. Per metterlo in azione, è sufficiente versare 50 ml (un quarto di tazza) di acqua in un barattolo. Dopo 3-4 minuti, la temperatura del termoforo salirà a 50-60°C.

Da dove viene il calore nel barattolo e quale ruolo gioca ciascuno dei componenti? Diamo un'occhiata all'equazione di reazione:

CuSO4+2NaCl > Na2SO4+CuCl2

Come risultato dell'interazione del solfato di rame con il sale comune, si formano solfato di sodio e cloruro di rame. È lei che ci interessa. Se calcoliamo il bilancio termico della reazione, risulta che la formazione di un grammo-molecola di cloruro di rame rilascia 4700 calorie di calore. Inoltre, il calore di dissoluzione nelle preparazioni risultanti iniziali è di 24.999 calorie. Totale: circa 29.600 calorie.

Immediatamente dopo la formazione, il cloruro di rame interagisce con il filo di alluminio:

2Al+3CuCl2 > 2AlCl3+3Cu

In questo caso vengono rilasciate circa 84.000 calorie (anche in termini di 1 g-mol di cloruro di rame).

Come puoi vedere, come risultato del processo, la quantità totale di calore rilasciata supera le 100.000 calorie per grammo-molecola della sostanza. Quindi non c'è errore o inganno: il termoforo è reale.

E la segatura? Non prendendo parte alle reazioni chimiche, svolgono allo stesso tempo un ruolo molto importante ruolo importante. Assorbendo avidamente l'acqua, la segatura rallenta il corso delle reazioni, allunga nel tempo il lavoro del termoforo. Inoltre, il legno ha una conducibilità termica piuttosto bassa: accumula in un certo senso il calore rilasciato e poi lo cede costantemente. In un contenitore ermeticamente chiuso, il calore viene mantenuto per almeno due ore.

E l'ultima osservazione: la banca, ovviamente, non è la nave migliore per un termoforo. Ne avevamo bisogno solo a scopo dimostrativo. Quindi pensa tu stesso alla forma e al materiale del serbatoio in cui posizionare la miscela riscaldante.

Esempio 1. Quante volte deve essere aumentata la concentrazione di idrogeno nel sistema

N 2  3H 2  2NH 3

aumentare la velocità di reazione di 100 volte?

Soluzione. L'espressione per la velocità di una data reazione

v = k 3 .

Al momento iniziale

v0 = k 0 0 3 .

Prendiamo l'aumento della concentrazione di idrogeno come x,

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

e quindi dovrebbe essere l'aumento della concentrazione di idrogeno

Esempio 2. Come cambierà la velocità della reazione diretta se la pressione nel sistema viene triplicata?

N 2  3H 2  2NH 3

Soluzione. Un aumento della pressione di un fattore tre equivale a una diminuzione del volume di un fattore tre e, di conseguenza, un aumento della concentrazione di tutte le sostanze di un fattore tre.

La velocità di reazione al momento iniziale:

v0 = k 0 0 3 ;

dopo l'aumento della pressione

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

cioè, la velocità della reazione diretta aumenterà di 81 volte.

Esempio 3. Un aumento della temperatura da 50 0 C a 70 0 C provoca un aumento della velocità di reazione di 9 volte. Trova il coefficiente di temperatura della reazione.

Soluzione. Esprimiamo il coefficiente di temperatura della reazione dall'equazione di van't Hoff:

γ (t 1- t 2) / 10 \u003d v 2 / v 1,

e otteniamo

γ (70-50)/10 = 9, γ 2 = 9, γ = 3.

Esempio 4. Calcolare l'energia di attivazione e la costante di velocità della sostanza chimica

che reazione

CO + H 2 O  H 2 + CO 2

a 303 K (T 3), se le costanti di velocità di reazione a 288 K (T 1) e 313 K (T 2) sono rispettivamente 3,1 10 -4 e 8,15 10 -3 mol / l.

Soluzione. Dall'equazione di Arrhenius segue

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

Sostituendo i valori ottenuti si ottiene:

Ea \u003d 2,3 8,31 288 313 lg (8.15. 10 -3 / 3,1 10 -4) / (313-288) \u003d 97848 J / mol.

La costante di velocità di reazione a 303 K può essere trovata dalla relazione

lg (k 3 /k 1) \u003d Ea (T 3 - T 1) / (2.3RT 3 T 1) o lg (k 2 /k 3) \u003d Ea (T 2 - T 3) / (2.3RT 2 T3).

Sostituendo i valori disponibili in una qualsiasi di queste formule, otteniamo:

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

Esempio 5 A una temperatura di 10 0 C, la reazione termina dopo 120 secondi ea 30 0 C dopo 30 secondi. Trova l'energia di attivazione.

Soluzione. È ovvio che k (30) / k (10) =  (10) /  (30), e quindi, sostituendo i valori nella formula Ea = 2.3RT 1 T 2 lg (k 2 /k 1) / (T 2 T 1), otteniamo:

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

o 49,3 kJ/mol.

Esempio 6. La costante di saponificazione dell'estere etilico dell'acido acetico con idrossido di sodio a 100°C è 2,38 l/mol. min. Determinare il tempo necessario per la saponificazione dell'estere etilico acetico 90 se 1 litro di soluzione 0,05 molare di etere viene miscelato a questa temperatura con 1 litro di soluzione 0,05 molare di NaOH.

Soluzione. Reazione

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

è una reazione del secondo ordine; le concentrazioni di etere e alcali sono uguali e puoi usare l'equazione:

k = x/( a(ax)),

 = x/(k a(ax)).

Tenendo conto della diluizione reciproca delle soluzioni di un fattore due e della conversione dell'estere acetico-etilico di 90, si ottiene:

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

Quindi sarà il tempo di reazione

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

2. Equilibrio chimico

2.1. Reazioni reversibili e irreversibili

Una delle caratteristiche più importanti di una reazione chimica è la profondità (grado) di conversione, che mostra quanto le sostanze di partenza vengono convertite in prodotti di reazione. Più è grande, più economicamente può essere eseguito il processo. La profondità della conversione, tra gli altri fattori, dipende dalla reversibilità della reazione.

reversibile reazioni , a differenza di irreversibile, non andare fino in fondo: nessuno dei reagenti è completamente consumato. Allo stesso tempo, i prodotti di reazione interagiscono con la formazione dei materiali di partenza.

Considera esempi:

1) volumi uguali di iodio gassoso e idrogeno vengono introdotti in un recipiente chiuso a una certa temperatura. Se le collisioni delle molecole di queste sostanze si verificano con l'orientamento desiderato e l'energia sufficiente, i legami chimici possono essere riorganizzati con la formazione di un composto intermedio (un complesso attivato, vedere la sezione 1.3.1). Un ulteriore riarrangiamento dei legami può portare alla decomposizione del composto intermedio in due molecole di acido ioduro. Equazione di reazione:

H 2  I 2  2HI

Ma le molecole di acido ioduro collideranno anche casualmente con molecole di idrogeno, iodio e tra di loro. Quando le molecole di HI entrano in collisione, nulla impedirà la formazione di un composto intermedio, che può quindi decomporsi in iodio e idrogeno. Questo processo è espresso dall'equazione:

2HI  H 2 + I 2

Pertanto, due reazioni procederanno contemporaneamente in questo sistema: la formazione di acido ioduro e la sua decomposizione. Possono essere espressi da un'equazione generale

H 2 + I 2  2HI

La reversibilità del processo è indicata dal segno .

La reazione diretta in questo caso verso la formazione di acido ioduro è chiamata diretta e, al contrario, inversa.

2) se mescoliamo due moli di anidride solforosa con una mole di ossigeno, creiamo nel sistema condizioni favorevoli affinché la reazione proceda e, trascorso il tempo, analizziamo la miscela di gas, i risultati mostreranno che il sistema sarà contengono sia SO 3 - il prodotto di reazione, sia le sostanze iniziali - SO 2 e O 2. Se l'ossido di zolfo (+6) viene posto nelle stesse condizioni della sostanza iniziale, sarà possibile scoprire che parte di esso si decomporrà in ossigeno e ossido di zolfo (+4), e il rapporto finale tra le quantità di tutti tre sostanze saranno le stesse di quando si parte da una miscela di anidride solforosa e ossigeno.

Pertanto, anche l'interazione dell'anidride solforosa con l'ossigeno è uno degli esempi di reversibile reazione chimica ed è espresso dall'equazione

2SO 2 + O 2  2SO 3

3) l'interazione del ferro con l'acido cloridrico procede secondo l'equazione:

Fe + 2 HCL  FeCL 2 + H 2

Con abbastanza acido cloridrico, la reazione terminerà quando

tutto il ferro è esaurito. Inoltre, se proviamo a realizzare questa reazione in direzione inversa- per far passare l'idrogeno attraverso una soluzione di cloruro di ferro, il ferro metallico e l'acido cloridrico non funzioneranno - questa reazione non può andare nella direzione opposta. Pertanto, l'interazione del ferro con l'acido cloridrico è una reazione irreversibile.

Tuttavia, va tenuto presente che teoricamente qualsiasi processo irreversibile può essere immaginato come reversibile in determinate condizioni, cioè In linea di principio, tutte le reazioni possono essere considerate reversibili. Ma molto spesso prevale chiaramente una delle reazioni. Ciò accade in quei casi in cui i prodotti dell'interazione vengono rimossi dalla sfera di reazione: precipita un precipitato, viene rilasciato un gas, durante le reazioni di scambio ionico si formano prodotti praticamente non dissocianti; oppure quando, per un evidente eccesso di sostanze di partenza, viene praticamente soppresso il processo opposto. Pertanto, l'esclusione naturale o artificiale della possibilità di una reazione inversa consente di portare il processo quasi alla fine.

Esempi di tali reazioni sono l'interazione del cloruro di sodio con il nitrato d'argento in soluzione

NaCL + AgNO 3  AgCl  + NaNO 3,

bromuro di rame con ammoniaca

CuBr 2 + 4NH 3  Br 2,

neutralizzazione dell'acido cloridrico con soluzione di idrossido di sodio

HCl + NaOH  NaCl + H 2 O.

Questi sono tutti solo esempi in pratica processi irreversibili, poiché il cloruro d'argento è alquanto solubile e il complesso catione 2+ non è assolutamente stabile e l'acqua si dissocia, sebbene in misura estremamente ridotta.

L'influenza della temperatura sulla velocità di una reazione chimica è approssimativamente determinata da regola di van't Hoff. Con un aumento della temperatura di 10 0 C, la velocità di una reazione chimica aumenta di 2-4 volte.

Notazione matematica della regola di van't Hoff: γ - coefficiente di temperatura della velocità di reazione o coefficiente di van't Hoff per la maggior parte delle reazioni si trova nell'intervallo 2-4.

Un compito. Quante volte cambierà la velocità di una reazione chimica che si verifica nella fase gassosa se la temperatura cambia da 80 0 С a 120 0 С ( γ = 3)?

In accordo con la regola di van't Hoff, scriviamo:

L'aumento della velocità di una reazione chimica all'aumentare della temperatura è spiegato non solo da un aumento di energia cinetica molecole interagenti. Ad esempio, il numero di collisioni di molecole aumenta in proporzione alla radice quadrata della temperatura assoluta. Quando le sostanze vengono riscaldate da zero a cento gradi Celsius, la velocità di movimento delle molecole aumenta di 1,2 volte e la velocità di una reazione chimica aumenta di circa 59 mila volte. Un così forte aumento della velocità di reazione all'aumentare della temperatura è spiegato dalla frazione di molecole attive, la cui collisione porta a interazione chimica. Secondo la teoria delle collisioni attive, solo molecole attive, la cui energia supera l'energia media delle molecole di una data sostanza, cioè molecole con energia di attivazione.

Energia di attivazione (EA)- questa è l'energia in eccesso rispetto all'apporto medio che le molecole devono avere per compiere una reazione chimica. Se E A< 40 кДж/моль – реакции протекают быстро, если Е А >120 kJ / mol - le reazioni non vanno se E A = 40-120 kJ / mol - le reazioni procedono in condizioni normali. Un aumento della temperatura riduce l'energia di attivazione, rende le sostanze più reattive e la velocità di interazione aumenta.

Una dipendenza più accurata della velocità di una reazione chimica dalla temperatura è stata stabilita da C. Arrhenius: La costante di velocità di reazione è proporzionale alla base del logaritmo naturale elevato alla potenza (-E A / RT). ,

A - fattore pre-esponenziale, determina il numero di attivi

collisioni;

e è l'esponente (la base del logaritmo naturale).