CATEVA INFORMATII DESPRE PRINCIPIILE DE LUCRU
Încălzitoare cu cărbune.
Chiar și în urmă cu 90 de ani, gândirea inventiva s-a îndreptat către cel mai comun proces exotermic - reacția de ardere. Au apărut dispozitive în care o tijă de cărbune mocnitoare învelită în hârtie specială era așezată într-o carcasă metalică, iar aceasta din urmă într-o carcasă de pânză. Astfel de încălzitoare au cântărit relativ puțin și au acționat timp de 5-6 ore. La suprafața carcasei, temperatura era de la 60 la 100 de grade Celsius.
C + O2 --> CO2 + 94 kcal/mol
încălzitoare catalitice.
În timpul Primului Război Mondial, milioane de soldați au înghețat în tranșee, iar în cei patru ani de război, inventatorii Statelor Unite, Japoniei și Angliei au brevetat mai multe versiuni de încălzitoare de lichid de buzunar. Principiul funcționării lor era simplu: oxidarea catalitică fără flacără a alcoolului sau a benzinei. Platina a servit drept catalizator în toate cazurile. Pernuța de încălzire japoneză arăta ca o cutie de țigări, în interiorul căreia se afla un rezervor umplut cu bumbac și o garnitură de platină. În carcasă au fost forate găuri pentru alimentarea cu aer a catalizatorului și îndepărtarea gazelor de ardere. Pentru a porni placa de încălzire, în rezervor a fost turnat alcool, care a înmuiat vata. Apoi catalizatorul a fost încălzit cu o flacără de chibrit și a început reacția. Principalul dezavantaj al încălzitoarelor catalitice este durata de viață limitată a acestora: impuritățile conținute în combustibil otrăvește rapid catalizatorul și tasta de încălzire a țigărilor devine inutilă.
Tampoane de încălzire folosind reacția de stingere a calcarului.
În anii 1920 în Germania, pentru încălzirea alimentelor pe câmp, se propunea folosirea căldurii degajate la stingerea varului nestins cu apă. Cu toate acestea, efectul termic insuficient de mare al reacției a fost prevenit la început aplicație practică această idee. Un pas înainte a fost combinarea a două reacții: stingerea calcarului și neutralizarea calcarului. Pentru a face acest lucru, în var au fost introduși hidrați cristalini de acid oxalic sau citric. Reacțiile din placa de încălzire au mers conform următoarei scheme.
CaO + H2O --> Ca(OH)2 + 10,6 kcal.
2Ca (OH) 2 + H2C2O4 + 2 H2O --> CaC2O4 + 4H2O + 31 kcal
Cu aceste două reacții, este posibil să se obțină temperaturi de la 100 la 300 de grade Celsius într-un dispozitiv portabil. În plus, utilizarea hidraților acizi vă permite să porniți placa de încălzire cu o cantitate mică de apă, iar apa eliberată în timpul neutralizării va reacționa cu următoarele porțiuni de var.
Perne de încălzire folosind reacții de oxidare a metalelor.
În condiții normale, coroziunea metalelor în aer se desfășoară, din fericire, încet. Prezența sărurilor accelerează dramatic procesul. La sfârșitul anilor 20, pentru încălzirea soldaților Armatei Roșii se recomanda o plăcuță de încălzire „de fier” - pe lângă pilitură de fier, permanganat de potasiu și umpluturi - într-o pungă de material cauciucat se puneau cărbune și nisip. După adăugarea apei, temperatura de 100 de grade Celsius se menține pe suprafața încălzitorului timp de 10-20 de ore.
4Fe + 2H2 O + 3O2 --> 2(Fe2O3 * H2O) + 390,4 kcal/mol
În loc de fier în plăcuțe de încălzire corozive, este mai bine să folosiți aluminiu. În această reacție se eliberează mult mai multă căldură decât în timpul oxidării fierului:
8Al + 3Fe3O4 ---> 4Al2O3 + 9Fe + 795 kcal/mol
Tampoane de încălzire folosind reacții de deplasare a metalului.
În 1940, URSS a dezvoltat o centură de încălzire - un rezervor de cupru acoperit cu piele, care a fost atașat de o centură de pantaloni. Rezervorul a fost umplut cu 200 g de amestec de reacție - pulbere de aluminiu de clorură de cupru, luată în raport stoichiometric. Apă în cantitate de 100-120 ml. a fost adăugată în rezervor dintr-o sticlă cu pulverizare din buzunarul de la piept. Alimentarea cu apă era reglată printr-un simplu releu termic. Cureaua se poate menține cald timp de 8 ore. Acest suport chimic de încălzire era nou nu numai ca formă, ci și ca conținut: pentru prima dată, a fost folosită căldura generată de deplasarea unui metal cu altul, mai electronegativ. La Leningrad, în timpul iernii blocadei din 1942, s-au folosit plăcuțe de încălzire umplute cu un amestec de clorură de cupru și așchii de fier. Dintr-o umplere cu apă, astfel de plăcuțe de încălzire au funcționat 60-70 de ore.
Incalzitoare de cristalizare.
Încălzitoarele de cristalizare folosesc substanțe cu puncte de topire scăzute și călduri de fuziune relativ mari. Un astfel de acumulator termic degajă căldură, care este eliberată în timpul cristalizării sau solidificării unei substanțe preîncălzite și topite. Corpul de lucru clasic al încălzitoarelor-acumulatoare este parafina. De asemenea, puteți utiliza acid stearic, hidrați cristalini cu punct de topire scăzut, de exemplu, sarea Glauber Na2 SO4 * 10H2O sau acetat de sodiu trihidrat CH3COONa * 3H2O. Adăugările mici la clorură de calciu hidratată, tiosulfit de sodiu sau glicerină pot încetini procesul de cristalizare și, prin urmare, pot crește durata de încălzire. Placa de încălzire se încălzește în 15 secunde. până la 55 °C și procesul de eliberare a căldurii durează 25-30 de minute. Placa de încălzire are o capacitate de căldură suficient de mare și pentru încă 25-30 de minute este capabilă să degaje căldură în modul de răcire. Un tampon de încălzire de tip cristalizare este bun ca agent terapeutic și profilactic pentru procesele inflamatorii, pentru pacienții cu diverse forme de sciatică, pentru tubaj hepatic și alte proceduri în condiții staționare(acasa sau in spital).
Utilizarea încălzitoarelor cu cristalizare în situații de urgență în teren este limitată de durata scurtă a modului de eliberare a căldurii a încălzitoarelor.
Principalul avantaj al plăcuțelor de încălzire de tip cristalizare este posibilitatea utilizării repetate: pentru a restabili starea inițială a plăcuței de încălzire, este suficient să-l fierbeți în apă timp de 15-20 de minute.
http://umcsa.narod.ru/rus/umcsa/projects/ait.htm
Încălzitor cu tub de încercare
Când faceți drumeții, pescuit, mai ales pe vreme rea, este adesea nevoie de o pernă de încălzire obișnuită. Desigur, cauciucul obișnuit este, de asemenea, bun, dar are un dezavantaj semnificativ: apa este încălzită foarte lent pentru ea în joc.
Să încercăm să facem o pernă de încălzire chimică. Pentru a face acest lucru, avem nevoie de cei mai obișnuiți reactivi.
Să începem cu un experiment simplu. Du-te la bucătărie și ia un pachet de sare de masă. Cu toate acestea, nu aveți nevoie de un pachet. 20 g (2 lingurițe) vor fi suficiente. Apoi priviți în dulap, unde sunt depozitate tot felul de preparate și materiale de uz casnic. Cu siguranță s-a păstrat după repararea apartamentului puțin sulfat de cupru. Va avea nevoie de 40 g (3 lingurițe). Se vor găsi, probabil, așchii de lemn și o bucată de sârmă de aluminiu. Dacă da, ești gata. Se toarnă vitriolul și sarea într-un mojar, astfel încât dimensiunea cristalelor să nu depășească 1 mm (desigur, cu ochiul). Adăugați 30 g (5 linguri) de rumeguș la amestecul rezultat și amestecați bine. Îndoiți o bucată de sârmă cu o spirală sau un șarpe, puneți-o într-un borcan cu maioneză. Turnați amestecul preparat acolo, astfel încât nivelul de umplere să fie la 1-1,5 cm sub gâtul borcanului. Pernuța de încălzire este în mâinile tale. Pentru a o pune în acțiune, este suficient să turnați 50 ml (un sfert de cană) de apă într-un borcan. După 3-4 minute, temperatura pernei de încălzire va crește la 50-60°C.
De unde vine căldura din borcan și ce rol joacă fiecare dintre componente? Să ne uităm la ecuația reacției:
CuSO4+2NaCl > Na2SO4+CuCl2
Ca rezultat al interacțiunii sulfatului de cupru cu sarea comună, se formează sulfat de sodiu și clorură de cupru. Ea este cea care ne interesează. Dacă calculăm balanța termică a reacției, se dovedește că formarea unei molecule-gram de clorură de cupru eliberează 4700 de calorii de căldură. În plus, căldura de dizolvare în preparatele inițiale rezultate este de 24.999 de calorii. Total: Aproximativ 29.600 de calorii.
Imediat după formare, clorura de cupru interacționează cu firul de aluminiu:
2Al+3CuCl2 > 2AlCl3+3Cu
În acest caz, se eliberează aproximativ 84.000 de calorii (tot în termeni de 1 g-mol de clorură de cupru).
După cum puteți vedea, în urma procesului, cantitatea totală de căldură eliberată depășește 100.000 de calorii per gram-moleculă de substanță. Deci nu există greșeală sau înșelăciune: placa de încălzire este reală.
Ce zici de rumeguș? Nu iau parte la reacțiile chimice, dar în același timp joacă un rol foarte important rol important. Absorbind cu lăcomie apa, rumegușul încetinește cursul reacțiilor, întinde în timp activitatea plăcuței de încălzire. În plus, lemnul are o conductivitate termică destul de scăzută: acumulează oarecum căldura degajată și apoi o cedează în mod constant. Într-un recipient etanș, căldura este reținută timp de cel puțin două ore.
Și ultima remarcă: banca, desigur, nu este cel mai bun vas pentru o pernă de încălzire. Aveam nevoie de el doar în scopuri demonstrative. Așa că gândiți-vă singur la forma și materialul rezervorului în care să plasați amestecul de încălzire.
Exemplul 1. De câte ori trebuie crescută concentrația de hidrogen din sistem
N 2 3H 2 2NH 3
pentru a crește viteza de reacție de 100 de ori?
Soluţie. Expresia vitezei unei reacții date
v = k 3 .
În momentul inițial de timp
v0 = k 0 0 3 .
Să luăm creșterea concentrației de hidrogen ca x,
v 1 \u003d k 0 [xH 2] 3 \u003d x 3 k 0 0 3 \u003d x 3 v 0 = 100v0,
și atunci creșterea concentrației de hidrogen ar trebui să fie
Exemplul 2. Cum se va schimba viteza reacției înainte dacă presiunea din sistem este triplată?
N 2 3H 2 2NH 3
Soluţie. O creștere a presiunii cu un factor de trei este echivalent cu o scădere a volumului cu un factor de trei și, în consecință, o creștere a concentrației tuturor substanțelor cu un factor de trei.
Viteza de reacție în momentul inițial de timp:
v0 = k 0 0 3;
după creșterea presiunii
v1 = k 3 = 3 3 3 k 0 0 3 = 81v 0 ,
adică, viteza reacției directe va crește de 81 de ori.
Exemplul 3. O creștere a temperaturii de la 50 0 C la 70 0 C determină o creștere a vitezei de reacție de 9 ori. Aflați coeficientul de temperatură al reacției.
Soluţie. Exprimăm coeficientul de temperatură al reacției din ecuația van't Hoff:
γ (t 1- t 2) / 10 \u003d v 2 / v 1,
și primim
γ (70-50)/10 = 9, γ 2 = 9, γ = 3.
Exemplul 4. Calculați energia de activare și constanta de viteză a substanței chimice
ce reactie
CO + H 2 O H 2 + CO 2
la 303 K (T 3), dacă constantele vitezei de reacție la 288 K (T 1) și 313 K (T 2) sunt 3,1 10 -4 și respectiv 8,15 10 -3 mol/l.
Soluţie. Din ecuația lui Arrhenius urmează
Ea \u003d 2.3RT 1 T 2 lg (k 2 /k 1) / (T 2 -T 1).
Inlocuind valorile obtinute, obtinem:
Ea \u003d 2,3 8,31 288 313 lg (8,15. 10 -3 / 3,1 10 -4) / (313-288) \u003d 97848 J / mol.
Constanta vitezei de reacție la 303 K poate fi găsită din relație
lg (k 3 /k 1) \u003d Ea (T 3 - T 1) / (2.3RT 3 T 1) sau lg (k 2 /k 3) \u003d Ea (T 2 - T 3) / (2.3RT 2) T 3).
Înlocuind valorile disponibile în oricare dintre aceste formule, obținem:
k 3 \u003d 2,34 10 -3 l mol -1 min -1.
Exemplul 5 La o temperatură de 10 0 C, reacția se termină după 120 de secunde, iar la 30 0 C - după 30 de secunde. Găsiți energia de activare.
Soluţie. Este evident că k (30) / k (10) = (10) / (30), iar apoi, înlocuind valorile în formula Ea = 2,3RT 1 T 2 lg (k 2 /k 1) / (T 2 T 1), obținem:
Ea = 2,3 8,31(273+10)(273+30)lg(120/30)/(30-10) = 49336 J/mol
sau 49,3 kJ/mol.
Exemplul 6. Constanta de saponificare a esterului etilic al acidului acetic cu hidroxid de sodiu la 100C este de 2,38 l/mol. min. Determinați timpul necesar pentru saponificarea esterului etilic acetic 90 dacă 1 litru de soluție 0,05 molară de eter este amestecat la această temperatură cu 1 litru de soluție 0,05 molară de NaOH.
Soluţie. Reacţie
CH 3 COOC 2 H 5 + NaOH \u003d CH 3 COONa + C 2 H 5 OH
este o reacție de ordinul doi; concentrațiile de eter și alcali sunt egale și puteți folosi ecuația:
k = x/( a(ax)),
= x/(k a(ax)).
Luând în considerare diluția reciprocă a soluțiilor cu un factor de doi și conversia esterului acetic-etil cu 90, obținem:
a \u003d 0,05 / 2 \u003d 0,025 mol / l; x \u003d 0,05 0,9 / 2 \u003d 0,0225 mol / l.
Atunci timpul de reacție va fi
\u003d 0,0225 / ((2,38 0,025 (0,025-0,225)) \u003d 151,2 min.
2. Echilibru chimic
2.1. Reacții reversibile și ireversibile
Una dintre cele mai importante caracteristici ale unei reacții chimice este adâncimea (gradul) de conversie, care arată cât de mult sunt transformate substanțele inițiale în produși de reacție. Cu cât este mai mare, cu atât procesul poate fi realizat mai economic. Adâncimea conversiei, printre alți factori, depinde de reversibilitatea reacției.
reversibil reactii , Spre deosebire de ireversibil, nu mergeți până la final: niciunul dintre reactanți nu este consumat complet. În același timp, produsele de reacție interacționează cu formarea materiilor prime.
Luați în considerare exemple:
1) volume egale de iod gazos și hidrogen sunt introduse într-un vas închis la o anumită temperatură. Dacă ciocnirile moleculelor acestor substanțe au loc cu orientarea dorită și energie suficientă, atunci legăturile chimice pot fi rearanjate cu formarea unui compus intermediar (un complex activat, vezi secțiunea 1.3.1). Rearanjarea ulterioară a legăturilor poate duce la descompunerea compusului intermediar în două molecule de iodură de hidrogen. Ecuația reacției:
H 2 I 2 2HI
Dar moleculele de iodură de hidrogen se vor ciocni, de asemenea, aleatoriu cu moleculele de hidrogen, iod și între ele. Când moleculele HI se ciocnesc, nimic nu va împiedica formarea unui compus intermediar, care se poate descompune apoi în iod și hidrogen. Acest proces este exprimat prin ecuația:
2HI H 2 + I 2
Astfel, două reacții vor decurge simultan în acest sistem - formarea iodurii de hidrogen și descompunerea acesteia. Ele pot fi exprimate printr-o ecuație generală
H 2 + I 2 2HI
Reversibilitatea procesului este indicată prin semnul .
Reacția îndreptată în acest caz spre formarea iodurii de hidrogen se numește directă, iar invers - invers.
2) dacă amestecăm doi moli de dioxid de sulf cu un mol de oxigen, creăm în sistem condiții favorabile pentru ca reacția să continue și, după ce a trecut timpul, analizăm amestecul de gaze, rezultatele vor arăta că sistemul va conțin atât SO 3 - produsul de reacție, cât și substanțele inițiale - SO 2 și O 2. Dacă oxidul de sulf (+6) este plasat în aceleași condiții ca substanța inițială, atunci va fi posibil să găsim că o parte din acesta se va descompune în oxigen și oxid de sulf (+4) și raportul final dintre cantitățile tuturor trei substanţe vor fi aceleaşi ca atunci când se pleacă de la un amestec de dioxid de sulf şi oxigen.
Astfel, interacțiunea dioxidului de sulf cu oxigenul este, de asemenea, unul dintre exemplele de reversibilitate reactie chimicași se exprimă prin ecuație
2SO 2 + O 2 2SO 3
3) interacțiunea fierului cu acidul clorhidric se desfășoară conform ecuației:
Fe + 2HCL FeCL 2 + H 2
Cu suficient acid clorhidric, reacția se va termina când
tot fierul este consumat. În plus, dacă încercăm să realizăm această reacție în direcție inversă- pentru a trece hidrogenul printr-o soluție de clorură de fier, atunci fierul metalic și acidul clorhidric nu vor funcționa - această reacție nu poate merge în direcția opusă. Astfel, interacțiunea fierului cu acidul clorhidric este o reacție ireversibilă.
Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că teoretic orice proces ireversibil poate fi imaginat ca reversibil în anumite condiții, adică În principiu, toate reacțiile pot fi considerate reversibile. Dar de foarte multe ori una dintre reacții prevalează în mod clar. Acest lucru se întâmplă în acele cazuri când produsele de interacțiune sunt îndepărtate din sfera de reacție: un precipitat precipită, se eliberează un gaz, în timpul reacțiilor de schimb ionic se formează practic produse nedisociante; sau când, din cauza unui exces clar de substanţe iniţiale, procesul opus este practic suprimat. Astfel, excluderea naturală sau artificială a posibilității unei reacții inverse vă permite să duceți procesul aproape la final.
Exemple de astfel de reacții sunt interacțiunea clorurii de sodiu cu azotat de argint în soluție
NaCL + AgNO 3 AgCl + NaNO 3,
bromură de cupru cu amoniac
CuBr 2 + 4NH 3 Br 2,
neutralizarea acidului clorhidric cu soluție de hidroxid de sodiu
HCl + NaOH NaCl + H2O.
Toate acestea sunt doar exemple practic procese ireversibile, deoarece clorura de argint este oarecum solubilă, iar cationul complex 2+ nu este absolut stabil, iar apa se disociază, deși într-o măsură extrem de mică.
Influența temperaturii asupra vitezei unei reacții chimice este determinată aproximativ de regula lui van't Hoff. Cu o creștere a temperaturii cu 10 0 C, viteza unei reacții chimice crește de 2-4 ori.
Notarea matematică a regulii van't Hoff: γ - coeficientul de temperatură al vitezei de reacție sau coeficientul van't Hoff pentru majoritatea reacțiilor se află în intervalul 2-4.
O sarcină. De câte ori se va schimba viteza unei reacții chimice care are loc în faza gazoasă dacă temperatura se schimbă de la 80 0 С la 120 0 С ( γ = 3)?
În conformitate cu regula van't Hoff, scriem:
Creșterea vitezei unei reacții chimice odată cu creșterea temperaturii se explică nu numai printr-o creștere a energie kinetică molecule care interacționează. De exemplu, numărul de ciocniri de molecule crește proporțional cu rădăcina pătrată a temperaturii absolute. Când substanțele sunt încălzite de la zero la o sută de grade Celsius, viteza de mișcare a moleculelor crește de 1,2 ori, iar viteza unei reacții chimice crește de aproximativ 59 de mii de ori. O astfel de creștere bruscă a vitezei de reacție cu creșterea temperaturii se explică prin fracția de molecule active, a cărei ciocnire duce la interacțiune chimică. Conform teoriei coliziunilor active, numai molecule active, a cărui energie depășește energia medie a moleculelor unei substanțe date, adică. molecule cu energie de activare.
Energia de activare (EA)- aceasta este energia in exces fata de aportul mediu pe care trebuie sa o aiba moleculele pentru a desfasura o reactie chimica. Dacă E A< 40 кДж/моль – реакции протекают быстро, если Е А >120 kJ / mol - reacțiile nu merg dacă E A = 40-120 kJ / mol - reacțiile se desfășoară în condiții normale. O creștere a temperaturii reduce energia de activare, face substanțele mai reactive, iar rata de interacțiune crește.
O dependență mai precisă a vitezei unei reacții chimice de temperatură a fost stabilită de C. Arrhenius: Constanta vitezei de reacție este proporțională cu baza logaritmului natural ridicat la putere (-E A / RT). ,
A - factor pre-exponenţial, determină numărul de activi
coliziuni;
e este exponentul (baza logaritmului natural).