PREPARĂRI DE SOLUŢII. PROPRIETĂŢI

Am rezolvat anumite probleme din bibliografia datã, pe baza experienţei la catedrã, când elevii mei mi-au solicitat sprijinul pentru acest gen. Sunt utile şi studenţilor. Varianta de rezolvare este personalã şi nu exclude altele învãţate.
Chimia soluţiilor nu se înţelege din “cretã şi tablã”- este o ştiinţã experimentalã şi care are conexiuni cu matematica, fizica, biologia, chimia analiticã… Mulţi elevi o considerã dificilã, motivele sunt multe; dar unii ajung sã practice o meserie bazatã pe chimie: medic, asistent medical, farmacist, profesor, chimist, programator, bucãtar. Alţi elevi câştigã medalii la olimpiada internaţionalã de chimie.
Poţi folosi aceste exemple şi link-urile de mai sus, pentru a rezolva temele.
Aş fi mulţumitã, dacã oferta mea te-a ajutat.

I have been solving problems from the above books based on the teaching experience and when my students asked support to me for such problems. These problems are useful even for the faculty students. The way of solving these problems is my own and does not exclude other learned methods of solving. The Chemistry of solutions it is not understood by “chalk and blackboard” – it is an experimental science connected to Math, Physics, Biology, Analithic Chemistry… Many students consider it difficult, the motives are many; but some of them will practice a career based on Chemistry: doctor, nurse, pharmacist, teacher, chemist, programmer, cook. Other students win medals at the international Chemistry Olympics.
You may use these examples and the above links in order to solve your homework and other tasks.
I would be happy if my offer helped you.

Bibliografie:
1. A .Şova, Exerciţii şi probleme de chimie, Editura Junimea, Iaşi, 1978;
2. Olga Petrescu, Adrian-Mihail Stadler, Chimie anorganicã şi chimie fizicã teste şi probleme, Editura Aramis, 2003;
3. F. Urseanu, C.Tãrãşanu-Mihãilã, G. Bogza, Probleme de chimie şi de tehnologie chimicã, Editura Tehnicã, Bucureşti, 1978
4. https://meddstudent.files.wordpress.com/2013/08/electricitate-c899i-electromagnetism.pdf
5. http://chimiegenerala.3x.ro/Capitolul4/Curs/c4_2_4.htm
6. http://www.ziare.com/scoala/chimie/performanta-pentru-elevii-romani-patru-medalii-la-olimpiada-internationala-de-chimie-1313687
7. http://chemistry.about.com/lr/general_chemistry/1381983/3/

Cuprins

Se prezintã probleme rezolvate de tipul:
1. moduri de exprimare a concentraţiei soluţiilor;
2. transformãri reciproce ale diverselor tipuri de concentraţie (procentualã, molarã, normalã, molalã, titrul, fracţia molarã);
3. solubilitatea substanţelor;
4. efecte ale interacţiunii solvent-solvat;
5. preparãri de soluţii; calculul cantitãţii de oleum necesarã preparãrii unei soluţii de acid sulfuric; obţinerea unui produs de reacţie într-o concentraţie data;
6. proprietãţi ale soluţiilor: presiunea de vapori; urcarea punctului de fierbere (ebulioscopia); scãderea punctului de solidificare al soluţiilor (crioscopia); presiunea osmoticã a soluţiilor.

I. PROBLEME REZOLVATE
TRANSFORMĂRI DE CONCENTRAŢII, PREPĂRĂRI DE SOLUŢII
PE BAZĂ DE REACŢIE CHIMICĂ

Problema 1 Oleum este o soluţie de SO3 în H2SO4
Câte Kilograme acid sulfuric 60% H2SO4 şi câte kilograme oleum 60 % SO3 sunt necesare pentru a prepara 60 Kg oleum 6 % SO3 ?

Rezolvare

1-images (2)-002

1-images (2)-001 1-images (2)

Vom rezolva un sistem:
m s1 + m s2 = ms3
md1 + md2 = md 3 – se referã la masele dizolvate de acid sulfuric în cele trei soluţii.

m d2 = masa dizolvatã de H2SO4 din soluţia de oleum şi care este suma dintre masa de acid sulfuric existent şi  cel format dintre apa şi SO3

m d3 = masa dizolvatã de H2SO4 din soluţia de oleum REZULTATA şi care este suma dintre masa de acid sulfuric existent şi cel format dintre apa şi SO3

Ĩn care se noteazã cu:

-m s1= x (kg)
-ms2 = y (kg)
Se exprimã md1.2,3 în funcţie de x şi y.

Calcule

1. Calcule pentru soluţia 1
Se calculeazã la soluţia 1 de 60% H2SO4 masa dizolvatã de H2SO4 :
Dacã în 100 % soluţie de acid sulfuric …..sunt……………….60% de acid sulfuric
Atunci în x (kg) soluţie de acid sulfuric…..sunt…………….md1 (kg) acid sulfuric

m d1 = 60 x/ 100= 0,6 x H2SO4

2. Calcule pentru soluţia 2. O soluţie 60% oleum are: 60% SO3 şi 40 % H2SO4

2.1Se calculeazã la soluţia nr. 2 de oleum SO3 60 % cantitatea SO3 dizolvat şi H2SO4:
Dacã în 100 % soluţie de oleum …..sunt……….60% de SO3………..40% H2SO4
Atunci în y (kg) soluţie de oleum…..sunt……… a (kg) SO3……….b(kg)

a = 0,6 y SO3 (kg); b = 0,4y (kg) H2SO4

2.2. Se calculeazã cantitatea de acid sulfuric format de SO3 cu apa.
SO3 + H2O = H2SO4

1kmol SO3……………….1kmol H2SO4
80 kg SO3…………………98 kg H2SO4
0,6 y………………………..c

c = 0,6.98/ 80 = 0,735 y H2SO4

2.3.Se calculeazã masa totalã de acid sulfuric din soluţia nr.2:
md 2 = 0,4y + 0,735 y = 1,14 y (aprox.)

3. Calcule pentru soluţia rezultatã de oleum, soluţia nr.3 :
3.1 Se calculeazã masele de SO3 şi H2SO4 (kg) :
100 % oleum …….sunt……………6% SO3……………………….94% H2SO4
60 kg oleum……..are…………d…………………………e

d = 60.6/100= 3,6 kg SO3
e = 60.94 / 100= 60-3,6 = 56, 4 kg H2SO4

3.2 Se calculeazã masa de acid sulfuric format de 3,6 kg SO3 cu apa :
1kmol SO3……………….1kmol H2SO4
80 kg SO3…………………98 kg H2SO4
3,6 kg………………………..f

f = 3,6. 98/ 80 =4,41kg H2SO4

3.3 Se calculeazã masa totalã de acid sulfuric din soluţia 3:
m d3 = 56,4 + 4,41 = 60,81 kg

4. Se rezolvã sistemul :

CodeCogsEqn

0,6x + 1,14y -0,6x-0,6y = 60,81-0,6.60
0,54 y = 24,81
y = 45,94 kg
x = 60-45,94=14,06 kg

R : 45,94 ; 14,06

II PROPRIETĂŢILE COLIGATIVE ALE SOLUŢIILOR: SCĂDEREA PRESIUNII DE VAPORI, EBULIOSCOPIA, CRIOSCOPIA, PRESIUNEA OSMOTICĂ

THE COLLIGATIVE PROPERTIES OF THE SOLUTIONS:

EBULLIOSCOPIA AND FREEZING POINT

Am rezolvat probleme referitoare la: ebulioscopie şi criscopie, prin care se aflã masa molecularã a unui compus. Sunt metode fizico-chimice de analizã, ce permit determinarea masei moleculare a substanţei şi mai departe identificarea substanţei- dacã este necunoscutã, dacã se mãsoarã temperaturile: de fierbere a soluţiei; de solidificare a soluţiei. Sper sã ajute pe cei care studiazã acest domeniu al chimiei şi al chimiei fizice.

I have solved problems referring at: ebullioscopy and freezing point, among which is the molecular mass of a compound. There are physical chemical methods of analysis that allow determining a substance molecular mass and further the identification of the substance – if it is unknown. I hope this helps those who study this Physical Chemistry domain.
SĂ NE AMINTIM:

Note bibliografie
C. D. Neniţescu, Chimie generalã, EDP Bucureşti, 1979

Proprietãţile coligative ale soluţiilor sunt acele proprietãţi enumerate mai sus, care sunt aproximativ proporţionale cu concentraţiile molale ale sovatului/ sau molare ale lui şi nu depind de natura chimicã a solutului. Ĩn practicã se lucreazã cu concentraţia molalã: numãrul de moli de solvat la 1000 g solvent.
Cum un mol dintr-o substanţã conţine N( numãrul lui Avogadro) particule (molecule sau ioni) se deduce cã proprietãţile coligative ale soluţiilor sunt proporţionale cu numãrul de particul dintr-o cantitate datã de solvent.
Legea formulatã mai sus se aplicã ( aproximativ) numai la substanţele covalente, care nu ionizeazã în soluţie. Ĩn practicã se lucreazã cu soluţii diluate: 0,01; 0,001 molale, fiindcã la soluţiile concentrate apar abateri de la aceste legi.

PROBLEME REZOLVATE

I BIBLIOGRAFIE

Aurica Şova, Exerciţii şi probleme de chimie pentru licee şi admitere în învãţãmântul superior, Editura Junimea, Iaşi, 1978

1.(3.39) Care este masa molecularã a substanţei A ştiind cã prin dizolvarea un gram din acest compus în 1000 g benzen, produce o scãdere a temperaturii de solidificare cu 0,0530 C.Constanta ebulioscopicã a benzenului este 5000.

Rezolvare

Este o problemã care se referã la scãderea punctului de solidificare a soluţiei de substanţã A, care este dizolvatã în solventul benzen- se numeşte şi crioscopie.
„Crioscopia – reprezinta scaderea temperaturii de solidificare TS, a solutiei fata de cea a solventului pur TS0. Scaderea punctului de solidificare DTc este proportionala cu concentratia molala a solutiei.”
http://www.scrigroup.com/educatie/chimie/SISTEME-DISPERSE-Solutii-Propr95772.php

http://primulanlaumfcluj.files.wordpress.com/2012/10/curs-8.pdf

Se aplicã formula de calcul:
∆T crioscopic = Kc .Cmolalã = Kc. msolvat / Msolvat . m solvent

Unde:
∆T crioscopic= scãderea temperaturii la solidificarea soluţiei
= T congelare solvent – Tcongelare soluţiei (0 C)

m solvat =masa de substanţã A = 1 g
m solvent = masa de benzene = 1000 g
Kc = constanta crioscopicã =5000
∆T crioscopic=0,0530 C

Etape de lucru:
1.Ĩnlocuim datele în formula de calcul:

0,053 = 5000.1/  MA. 1000

2. Se rezolvã acestã ecuaţie, cu necunoscuta MA:
MA = 5/ 0,053 = 94,34

R = 94,34

2. (3.42) Care va fi masa molecularã a unui compus organic dacã se cunosc cã:
a) soluţia obţinutã prin dizolvarea a 5g din aceastã substanţã în benzen, produce o scãdere a punctului de solidificare de 1,870 C;
b) dacã se dizolvã în aceeaşi cantitate de benzen 2 g etanol ( C2H5OH) scãderea punctului de solidificare este de 2,2630C.

Rezolvare

Caz 1                              Caz 2

 

solutia 1 de A in m benzen solutia 2 de benzen in alcool

 

Se observã din desenele de mai sus, cã cele douã soluţii au IN comun aceeaşi masã de benzen, care este SOLVENT .
Din formula de calculare a scãderii temperaturii de solidificare pentru soluţia 2 se va afla masa de benzen, care se înlocuieşte în formula de calculare a scãderii temperaturii de solidificare pentru solutia 1 şi va rezulta masa molecularã a substanţei A. Constanta crioscopicã a benzenului este identicã în ambele cazuri.

Etape de calcul:
1. Se calculeazã masa de solvent – benzenul din soluţia 2:
∆T crioscopic = Kc .Cmolalã = Kc. msolvat / Msolvat . m solvent

m solvat = 2 g de etanol
M etanol= 46
m solvent= m benzen (g)
∆T crioscopic= 2,263 grade C

2,263 = KC . 2 / 46.m benzen
2,263.46. m benzen = 2 KC
52,094 m benzen= KC
m benzen = KC / 52,094

2. Se calculeazã masa molecularã a solvatului din soluţia 1:
∆T crioscopic = Kc .Cmolalã = Kc. msolvat / Msolvat . m solvent

m solvat = 5g
m solvent= m benzen= KC / 52,094
∆T crioscopic= 1,87 grade C

1,87 = KC . 5 / M solvate . (KC / 52,094)

CodeCogsEqn (1)

1,87 . M = 260, 25
M = 139,17

R = 139

3. Ce cantitate de zahãr trebuie sã se dizolve în 100g de apã pentru ca soluţia sã fiarbã la 100,10C. Constanta ebulioscopicã a apei este 520. Formula zahãrului este C12H22O11.

Rezolvare

Este o problemã despre creşterea temperaturii de fierbere a soluţiei, faţã de temperatura de fierbere a solventului pur.
Ebulioscopia reprezintã creşterea temperaturii de fierbere a unei soluţii (Tf), in raport cu cea a solventului pur (Tf0). La presiune constantã creşterea temperaturii de fierbere a unei soluţii faţã de cea a solventului pur este proporţionalã cu concentraţia molalã a soluţiei.

∆T ebulioscopic = Tf – Tf0 = Ke .Cmolalã = Ke. msolvat / Msolvat . m solvent

unde:

m = concentraţia molalã a soluţiei (numãrul de moli de solut la 1000 g solvent pur);
Ke = constanta ebulioscopicã, care reprezintã creşterea temperaturii de fierbere la dizolvarea unui mol de substanta în 1000 g solvent.

Calcule:
M  C12H22O11= 12.12 + 22.1 + 11.16 = 342
Tf = 100,1 0 C
Tf0 = 100 0 C
m solvat = necunoscut
m solvent (apã) = 100 g
K e= 520

100,1-100= 520. m solvat/ 342. 100

0,1 = 520 m solvat / 34200
0,1.34200 = 520 m solvat

m solvat = 6,576 g

R= 6,576 g

CINETICA CHIMICĂ . VITEZA DE REACŢIE

Viteza de reactie si Ordin de reactie         

CINETICA CHIMICĂ . VITEZA DE REACŢIE

 Bibliografie

  1. C.D. Nenitescu, Chimie generalã, EDP Bucureşti
  2. Olga Petrescu, Adrian-Mihail Stadler, Chimie anorganicã şi Chimie fizicã teste şi probleme, Editura Ramis
  3. F. Urseanu, C.Tãbãrãşanu-Mihaela, G.Bogza, Probleme de chimie şi de tehnologie chimicã, Editura tehnicã, 1978
  4. https://fsagrupa1312.wordpress.com/chimie-2/
  5. http://usm.md/chimie/wp-content/uploads/2014/05/Probleme-de-Chimie-Fizic%C4%83.pdf

I  want  to help in solving problems about reaction speed.

 Mi-am propus sã ajut prin rezolvarea unor probleme de nivel mediu cu viteza de reacţie, ordinul de reacţie, constanta de vitezã pentru reacţii de ordinul I şi II.  Reprezintã punctul meu de vedere şi nu anuleazã alte variante de rezolvare. Cinetica chimicã se studiazã la: chimie, nivel liceu; modulul de Termodinamicã şi Cineticã chimicã, nivel liceu tehnologic, domeniul de pregãtire în Chimie Industrialã; Chimie fizicã şi Chimie, nivel facultate.Eu predau modulul de mai sus. Aceastã parte a chimiei este importantã pentru analiza substanţelor şi în tehnologia chimicã.

Citez din bibliografie:

Cinetica chimicã are obiect de studiu viteza de reacţie şi dependenţa ei de diferiţi factori (concentraţia reactanţilor, temperaturã, influenţa catalizatorilor, etc.)-într-un sens restrâns al cuvântului.

Viteza de reacţie

Viteza unei reacţii chimice omogene reprezintă variaţia cantităţii de substanţă a reactantului sau produsului de reacţie într-o unitate de timp pe o unitate de volum al amestecului reactant. Cantitatea de reactant se exprimã în moli/L-adicã concentraţia molarã.
Expresia vitezei de reacţie la o temperaturã constantã şi la cazuri simple, este direct proporţionalã cu produsul concentraţiilor reactanţilor ridicate la puteri egale cu ordinele parţiale de reacţie în raport cu componenţii (uneori sunt egale cu coeficienţii stoechiometrici).

Avem o reacţie simplã:
aA + bB = Produşi
a,b = coeficienţi stoechiometrici
Ecuaţia vitezei de reacţie:
v = k. [A]nA.  [B]nB                                                                                                      (1)
k= constanta de vitezã, care înglobeazã: temperatura, presiunea, catalizatorii şi alţi factori ce influenţeazã viteza de reacţie
nA, nB= ordine parţiale de reacţie în raport cu componenţii A, B
Ĩn ecuaţiile de vitezã se pot utiliza în locul concentraţiilor şi alte mãrimi proporţionale cu acestea, cum ar fi presiunile parţiale ale reactanţilor pentru reacţiile în fazã gazoasã.
Din punct de vedere dimensional, viteza de reacţie se exprimã :
Unitate de masã reacţionatã/ unitate de timp.unitate de volum                                        (2)
Uzual: [mol.s-1.L-1]
Ordin de reacţie
Ordinul parţial de reacţie este exponentul unei anume concentraţii în legea generalã de vitezã.
nA, nB= ordine parţiale de reacţie în raport cu componenţii A, B – pentru reacţia :
aA + bB = Produşi
Ordinul total de reacţie n, al unei reacţii este dat de suma exponenţilor concentraţiilor din expresia vitezei de reactie, deci este suma ordinelor parţiale
n = nA + nB
 Molecularitatea
a+ b= molecularitatea reacţiei
Ordinul de reacţie şi molecularitatea coincid numai în cazul reacţiilor elementare foarte simple, care au loc într-o singurã treaptã. Ĩn realitate reacţiile au loc dupã mecanisme complexe, iar ordinul de reacţie nu mai coincide cu molecularitatea; el poate fi şi fracţionar.
 Exemple de reacţii chimice şi expresia matematicã a vitezei de reacţie
 1.Br2 = 2 Br
Ordin de reacţie=1 ( avem 1 mol de reactant Br2)
v = k[Br2]

2. HCl + NaOH = NaCl + H2O
Ordin de reacţie=2 (avem 1 mol de HCl reactant şi 1 mol de NaOH reactant)
v = k[HCl] . [NaOH]

3. 2NO + O2 = 2NO2
Ordin de reacţie=3 (avem 2 moli de NO reactant şi 1 mol de O2 reactant)
v = k[NO]2. [O2]
 

4. Cl2 + HCOOH = 2HCl + CO2
Ordin de reacţie=2 (avem 1 mol de Cl2 reactant şi 1 mol de HCOOH reactant)
v = k[Cl2] . [HCOOH]

5. Cl2C=CCl2 + Cl2 = Cl3C-CCl3 ( reacţie de adiţie în prezenţa luminii)

Ordin de reacţie=3/2 ( mecanism complex, în care ordinul de reacţie nu mai este egal cu coeficienţii stoechiometrici din reacţie)
v = k[Cl2]3/2

Constanta de vitezã (k)
Constanta de vitezã, k, din expresia matematicã a vitezei de reacţie se numeşte şi viteza specificã, când concentraţiile reactanţilor= 1mol/L; v = k.
Constanta de vitezã exprimã dependenţa de temperaturã a vitezei de reacţie. Dacã temperatura creşte cu 100C, viteza de reacţie creşte de 2-3 ori.
Se numeşte coeficient de temperaturã al vitezei de reacţie şi pentru cazul cân temperatura creşte cu 00C , raportul :

CodeCogsEqn                                                                                                                                                  (3)
 

Cu aceastã relaţie se calculeazã valoarea constantei de vitezã la o altã temperaturã ( care a crescut nu mai mult cu 100C).

 
Expresia constantei de vitezã a reacţiei chimice în funcţie de energia de activare E şi factorul de frecvenţã k0:

CodeCogsEqn (4)                                                                                                                                   (4)

 
k 0 = factor de frecvenţã (o mãsurã a ciocnirilor moleculelor între ele);
E=energia de activare;
R=constanta gazelor ideale;
T=temperatura absolutã;
e = baza logaritmilor naturali;
 
Reacţii de ordinul I ( participã un singur reactant)
Pot fi reacţiile de izomerizare, de descompunere termicã, reacţiile descompunerii radioactive a nucleelor atomice, etc.

A   =   B

Viteza unei reacţii de ordinul I este caracterizatã prin constanta vitezei de reacţie şi prin perioada de înjumãtãţire.
Expresia vitezei de reacţie va fi:

CodeCogsEqn (5)                                                                                                                                                   (5)

în care:
dc/dt = derivata concentraţiei reactantului faţã de timp
k=constanta vitezei de reacţie
c=concentraţia reactantantului
Separând variabilele  şi integrând între C A0  şi CA, respectiv între timpul 0 şi t, se obţine:
C A =  C A0  . e-k t                                                                                                                                                                            (6)
Sau:

CodeCogsEqn (6)                                                                                                                                   (7)

Sau:
k= (2,303 /t ) log CA0 / CA                                                                                                               (8)
Dacã se utilizeazã conversia reactantului, X, relaţia 5 devine:

X = fracţiunea din acel reactant, transformatã în cursul reacţiei chimice şi se exprimã prin relaţia:

CodeCogsEqn (8)                                                                                                                                                                                                                                                                                          (9)

CodeCogsEqn (9)

(10)

Timpul de înjumãtãţire
Este timpul necesar pentru a reacţiona jumãtate din substanţa iniţialã (reactant).
Avem expresia matematicã a relaţiei (7), dupã înlocuirea C=C0/ 2
k.t1/2  = ln2 = 0,6932                                                                                                                                   (11)

Reacţii de ordinul II (are loc între douã molecule de reactant)

Se considerã reacţia de ordinul II :

A+B = P+R

Viteza de reacţie este datã de relaţia matematicã :
v = k CA CB

Avem cazurile
1. Concentraţiile iniţiale ale lui A şi B sunt egale : C0 = CA0=CB 0 (mol/L); ele reacţioneazã în raport molar 1:1. Ĩn timp concentraţiile acestora vor fi egale:
CA = CB = C (mol/L)
v = k.C2

CodeCogsEqn (4)

CodeCogsEqn (5)

2. Concentraţiile iniţiale  ale lui A şi B nu sunt egale; cantitatea reacţionatã din compusul A este egalã cu cea reacţionatã din compusul B:
v = k CA CB

CA0 – CA = C B 0 – CB

CodeCogsEqn (13)

(13)

Probleme

 Problema 1
Reacţia ionului iodurã cu ionul hipoclorit, în anumite condiţii de pH, are loc dupã ecuaţia:
ClO- + I- = IO- + Cl-

Iar dependenţa vitezei în funcţie de concentraţia reactanţilor este redatã mai jos

v (mol/L.s) [ClO-] mol/L [I-] mol/L
6,3.103 1,02.10-3 1,02.10-2
1,26. 104 2,04.10-3 1,02.10-2
1,26.104 1,02.10-3 2,04.10-2

Sã se determine ordinul total de reacţie, valoarea constantei de vitezã, expresia de reacţie în funcţie de concentraţie şi de viteza de reacţie pentru [ClO-] = 10-2 mol/L şi [I-] = 4.10-3 mol/L.

Rezolvare:

1. Calcularea ordinului total de reacţie:
a) Este o reacţie de ordinul II, participã 2 reactanţi. Expresia matematicã a vitezei de reacţie este:
aClO- + b I- = IO- + Cl-
v = k [ClO-]a . [I-]b
a, b = ordine parţiale de reacţie
k = constanta vitezei de reacţie
m=ordinul total de reacţie = a+ b
b) Se înlocuiesc datele în expresia matematicã a vitezei de reacţie :
v 1 = 6,3.103  =  k.[1,02.10-3] a .[ 1,02.10-2]b
v 2 = 1,26.104 = k.[ 2,04.10-3]a . [1,02.10-2]b
v3  = 1,26.104 = k.[1,02.10-3] a . [2,04. 10-3]b

c) Se aflã a prin împãrţirea v1 la v2 , fiindcã au comun [ 1,02.10-2]b şi b prin împãrţirea v1 la v3, fiindcã au comun [1,02.10-3] a :

v1/ v2 = 6,3.103 /1,26.104 = k.[1,02.10-3] a .[ 1,02.10-2]b / k.[ 2,04.10-3]a . [1,02.10-2]b

0,5= 0,5a       deci a = 1

v 1 / v2= 6,3.103 /1,26.104 = k.[1,02.10-3] a .[ 1,02.10-2]b/ k.[1,02.10-3] a . [2,04. 10-3]b
0,5 = 0,5 b   deci b=1

Ordinul total de reacţie pentru reacţia datã este:
m = a + b = 1+1 = 2

2. Se calculeazã valoarea constantei de reacţie k :

Se înlocuiesc datele în una din expresele matematice ale vitezelor 1,2,3 şi se calculeazã k:
6,3.103 = k. .[1,02.10-3] .[ 1,02.10-2]
6,3.103 = k. 1,040 .10-5
k = 6,3.103 / 1,040 .10-5 = 6,057.108 L/ mol.s

3.Se calculeazã viteza de reacţie v4 cu datele din problemã:
v4= 6,57 . 108. [10-2] . [4.10-3] = 24,228. 103 mol/L.s = 2,422.104 mol/ L.s

R: 1; 6,057.108 L/ mol.s; 2,422.104 mol/ L.s

Problema 2
Pentru o reacţie de ordinul I, s-a determinat cã în primele 25 min concentraţia reactantului se reduce de la 0 = 5 moli / l la C= 2 moli/ l . Sã se determine viteza de reacţie dupã 30 min.

Rezolvare

Reacţia de ordinul I este:

A = P (produşi)
Viteza acestei reacţii este datã de relaţia:
v = k.CA

v (mol/ l.min)…………………….t (min)………………………………C (mol/l.min)

moment iniţial……………………………….0 …………………………………….C0 = 5

v 25min                                      25                                          Cla 25min= 2
v 30min                                       30                                          Cla 30min= Cx

Varianta propusã pentru rezolvare, se bazeazã pe faptul cã, atunci când temperatura nu variazã, constanta de reacţie se poate considera aceeaşi la 25 min şi 30 min.
Etape de rezolvare
1.calcularea constantei de vitezã dupã 25 min de la începerea reacţiei, fiindcã cunoaştem concentraţia reactantului la acest timp (relaţia 7); 2.se calculeazã Cx din expresia matematicã a constantei cu relaţia (7), pentru intervalul de timp 0-30 min ; 3. se calculeazã  viteza de reacţie dupã 30 min.
k = (1/25). ln 5/2 = 0,0366
0,0366 = (1/30) ln 5/ Cx = 0,033 ln5- 0,033 ln Cx
0,0366-0,053 = -0,033 ln Cx
ln Cx = 0,0164/0,033= 0,4969
Cx = 1,6436
v = 0,0366. 1,6436= 0,06015 mol/ L.min
R: 0,602

Problema 3 Ĩntr-o reacţie de ordinul I, A=produşi, concentraţia reactantului se reduce la un sfert din cea iniţialã în 40 min. Sã se calculeze de câte ori se reduce viteza de reacţie fatã de momentul iniţial, dupã 15 min.
 Rezolvare
Avem datele :

t (min) C (mol/L)  v (mol/min.L)
0 (momentul iniţial) C0 v 0
15 Cx v 1
40 ¼ C0=0,25 C0 v 2

v = k.C
C A =  C A0  . e-k t              
k =( 1/t). ln C0/C
Temperatura nu variazã                                                                                                                                               
 Nu cunoaştem : k ; C; v 0 ; v 1.
Varianta propusã pentru rezolvare :
-se calculeazã prima datã k pe baza datelor: 40 min şi concentraţia ¼ C0;
-se calculeazã apoi Cx, când timpul=15 min;
-se calculeazã v0 , v1 şi raportul v0 / v1
Calcule:
k =1/40 ln C0/ 0,25C0 = 0,03456
Cx la 15 min = C0 .e-0,03456.15 = C0. (e-0,52) = C0 (e1/ e1,52) =C0(2,72/4,57)=0,594 C0
v 0 = k.C0;
v 1 = k.0,594 C0
v 0 / v 1 = k.C0 / k.0,594 C0 = 1,68 ≈ 1,7 ori
R = 1,7 ori

Problema 4 Ĩntr-o reacţie de ordinul II, de tipul A+B= produşi, s-a pornit cu concentraţiile iniţiale ale reactanţilor egale fiecare cu 0,4 moli/L. Cunoscând cã dupã 10 min concentraţia reactantului A s-a micşorat la 0,1 moli/L, sã se determine valoarea iniţialã a vitezei de reacţie şi cea a timpului de înjumãtãţire.
 Rezolvare
Avem datele:

t (min) C A (mol/L) CB (mol/L) v (mol/ min.L)
0 momentul iniţial 0,4 0,4 v 0
10 0,1 0,1

C A0   =CB0 =0,4 mol/L   concentraţiile iniţiale sunt egale( raport molar 1:1)
CA la 10 min= 0,1 mol/L şi este egalã cu concentraţia lui B, fiindcã se respectã egalitatea de mai sus, şi raportul molar 1:1
Nu cunoaştem:
v 0; t ½
 Varianta propusã pentru rezolvare, când concentraţiile iniţiale ale reactanţilor sunt egale:
-se calculeazã k din expresia matematicã, cu datele de la timp=10 min
k = (C0 – C)/ C0.C.t
-se calculeazã viteza la momentul iniţial cu expresia matematicã
v 0 = k.CA0 .CB0  = k.C02
-se calculeazã timpul de înjumãtãţire, pentru cazul când concentraţiile iniţiale sunt egale:
t1/2 = 1/k.C0
 Calcule:
-k când timpul este 10 min, concentraţia reactanţilor este 0,1 mol/L :
k = (0,4-0,1) / 0,4.0,1.10 = 0,3/ 0,4 = 0,75
-v 0 este :
v 0 = 0,75.0,42 = 0,75.0,16 =0,12 mol/min.L
– t1/2 = 1/ 0,75.0,4 = 1/0,3 =3,33 min
R: 0,12; 3,33.
Continuarea

APLICAŢII TEHNOLOGICE ALE REACŢIILOR DE HIDROGENARE ŞI REDUCERE

Bibliografie

Dr.ing. Florian Urseanu, dr.ing. Corneliu Tãbãrãşanu-Mihãilã, ing. Grigore Bozga, Probleme de chimie şi tehnologie chimicã, Editura tehnicã Bucureşti, 1978

1./ 2.pag 290 Se hidrogeneazã discontinuu adiponitril, la 1000C şi 600 at utilizând un catalizator pe bazã de cobalt. Ştiind cã randamentul de formare a hexametilendiaminei este 97%, atunci când masa de reacţie conţine NH3 (10% din masa nitrilului), se cere: 1) Volumele (c.n.) de amoniac şi hidrogen necesare pentru hidrogenarea unei tone de adiponitril, ştiind cã se utilizeazã un exces de 400 % hidrogen, faţã de cantitatea stoechiometricã necesarã. 2) Cantitatea de hexametilendiaminã rezultatã dintr-o tonã de adiponitril.

Informaţii despre hexametilendiamina
http://en.wikipedia.org/wiki/Hexamethylenediamine
http://andrefrancia1.blogspot.ro/2013/04/poliamida-dr.html

Rezolvare

NC-(CH2)4 – CN + 4 H2 = H2N – (CH2)6 – NH2

Notãm:
m1= masa adiponitril=1t=1000kg
m2= masa de hidrogen consumatã în reacţie (kg)
exces hidrogen= 400 %
m2 = masa totalã de hidrogen ce intrã în reacţie: masa consumatã în reacţie şi excesul de 10% ( în plus) kg
m3 = masa de amoniac utilizatã= 10% din masa adiponitril (kg)
m4 = masa de hexametilendiaminã (kg) teoreticã-de pe reacţie
m4 = masa de hexametilendiaminã (kg) practic obţinutã-fiindcã sunt pierderi
η = randament în hexametilendiamidã = 97%
VNH3=volum de amoniac (c.n.) m3
VH2=volum de hidrogen total (c.n.) m3
Madiponitril NC-(CH2)4 – CN = 2AN+ 6AC +8AH=2.14+6.12+8.1= 108 g/mol
M H2 = 2AH = 2.1 =2g/mol
Mhexametilendiamida H2N – (CH2)6 – NH2   = 16AH+ 2AN+6AC= 16+28+72=116
MNH3 = AN + 3AH=14+3.1=17

Cerinţa 1

a) Se calculeazã masa de hidrogen ce reacţioneazã cu adiponitril, conform reacţiei chimice
1mol de NC-(CH2)4– CN……..reacţioneazã cu……..4moliH2
108g/mol…………………………………………………………..4.2g/mol
1000kg……………………………………………………………. m2
m2 = 1000kg.8g/mol/108 g/mol=74 kg

b)Se calculeazã masa de exces de hidrogen şi masa totalã de hidrogen ce intrã în reacţie(în reactor):
masa de exces :
100% hidrogen……………………400% în plus
74 kg hidrogen…………………… exces
exces= 74.400/100= 296 kg
masa de hidrogen totalã:
m2= masa consumatã în reacţie+ masa exces=74+296=370 kg

c) Se calculeazã volumul de hidrogen (c.n.)
1kmol de H2…….ocupã în C.N………………22,4m3
2 kg ………………………………………………22,4 m3
370kg…………………………………………………VH2
VH2 = 370.22,4/2= 4147 m3

d)Se calculeazã masa şi volumul de amoniac(c.n.)
m3 = (10/100).1000=100kg
1kmol de NH3…….ocupã în C.N………………22,4m3
17 kg ………………………………………………22,4 m3
100kg……………………………………………….VNH3
VNH3 =100.22,4/17= 131,76 m3

Cerinţa 2
a)Se calculeazã din reacţia chimicã masa de hexametilendiaminã, care reprezintã masa teoreticã:
1mol/g de NC-(CH2)4 – CN……..produce…………………….1mol/g H2N – (CH2)6 – NH2   
108g/mol…………………………………………………116g/mol
1000kg………………… m4
m4= 1000.116/108= 1074 kg= mt

b)Se calculeazã masa teoreticã de hexametilendiamida din formula matematicã a randamentului:
η = mp.100/ mt
97 = mp.100/ 1074
mp = 97.1074/100= 1041,78 kg

R:4147m3;131,76 m3;1041,78 kg

Obtaining synthetic gasoline from coal and hydrogen.Obtention de l’essence synthétique à partir du charbon et de l’hydrogène.

2 /4.pag.290 La hidrogenarea monoxidului de carbon cu hydrogen, la 3150C şi 16 at, în prezenţa unui catalizator de fier, rezultã cu un randament de 80% benzinã (amestec de alcani) cu cifra octanicã 80 %. Se cere:

5090551_f520

Fluxul tehnologic de transformare carbune in benzine sintetice

1) Sã se scrie reacţia generalã de preparare a alcanilor pe aceastã cale; 2) Sã se stabileascã raportul molar al ametecului gazos CO: H2 introdus în sintezã, ştiind cã se utilizeazã un exces de 50% hidrogen faţã de cantitatea stoechiometric necesarã(masa molecularã medie a amestecului de hidrocarburi este 114).3) Volumul metanului (c.n.) rezultat ca produs secundar/m3 gaze introduse în reactor, la o conversie utilã de 5% a CO în acesta.
ATENŢIE! Este un proces tehnologic de fabricarea benzinelor sintetice din cãrbune.
INFORMATII
http://en.wikipedia.org/wiki/Fischer%E2%80%93Tropsch_process
http://www.fischer-tropsch.org/
Lichefierea directă a cărbunelui este cunoscută şi sub numele de procesul Bergius sau procesul Pott-Broche; este un proces chimic prin care cãrbunele se transformă direct într-un amestec de hidrocarburi lichide numit petrol sintetic. Există mai multe variante de procesare. Toate acestea au în general operaţiile: dizolvarea cărbunelui într-un dizolvent la mare presiune şi temperatură, la care se adaugă hidrogen pentru a realiza hidro-cracarea în prezența unui catalizator. Produsul obţinut este un petrol sintetic ce necesită o rafinare, cu consum de hidrogen.
Nu trebuie să se confunde cu lichefierea indirectă, la care prima dată cãrbunele este transformat în gazului sintetic şi apoi prin hidrogenare este transformat în hidrocarburi lichide-este reacției Fischer-Tropsch.
“Procesul Fischer-Tropsch este o colecţie de reacţii chimice, care transformă un amestec de monoxid de carbon şi hidrogen în hidrocarburi lichide. Acesta a fost dezvoltat pentru prima dată de Franz Fischer şi Hans Tropsch la “Kaiser Wilhelm-Institut für Kohlenforschung “, în Mülheim an der Ruhr, Germania, în 1925. “

Rezolvare

Reacţia generalã este:
nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + nH2O
 
Notãm
Mamestec de hidrocarburi=114
η benzinã= 80%, cu cifra octanicã de 80%;
m p = masa practic obţinutã de benzinã cu randament de 80%;
m t = masa de bezinã teoretic obţiuntã, dacã nu sunt pierderi; ea se pune pe reacţie;
exces de H2 = 50% fatã de cantitatea stoechiometricã(de pe reacţie) ;
n CO= numãr de moli de CO
n H2 = numãr de moli de H2
m H2 = masa de H2
raportul molar CO : H2
v = volum gaze intrat în reactorul de hidrogenare (CO şi H2)=considerãm 1m3
Cu oxid de carbon în metan=5%
V CH4 = volumul de metan (L)

Rezolvare

Cerinţa 1
nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + nH2O

Cerinţa 2
1.Calculãm masa teoreticã de benzinã, dacã ştim masa practic obţinutã şi randamentul:

η benzinã = mp.100/mt; mt = m.100/80=1,25m

2.Vom calcula n din CnH2n+2, fiindcã este nevoie la calcularea numãrului de moli de hidrogen şi oxid de carbon:
M CnH2n+2 = 114
nAC + (2n+2)AH = 114; 12n+2n+2=114; 14n+2=114;14n=112;
n=112:14=8
Se observã din reacţia chimicã cã, dacã n=8, atunci:
 nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + nH2O

numãrul de moli de CO=8 moli
numãrul de moli de H2 =2.8+1=17 moli
Atenţie, avem 17 moli de H2 care se consumã în reacţie şi nu include excesul.

3.Calculãm numãrul de moli de hidrogen în exces şi numãrul total de moli de hidrogen, care intrã în procesul tehnologic.

Avem 50% exces de hidrogen fatã de cantitatea din reacţie, deci masa de hidrogen în exces este :
m H2 consumat în reacţie= 17 moli .2=34 g
m H2 exces = 34.50/100=17 g
Masa totalã de hidrogen este:
34 +17=51
Numãrul de moli de hidrogen :
n moli H2 = 51/2 = 25,5

Raportul molar :

moliCO : moliH2 =8 : 25,5= 1:3,1875

Cerinţa 3 Volumul metanului obţinut?
Avem reacţia :
CO + 3H2 = CH4 + H2O

a) Cu  raportul molar CO şi H2 şi volumul de gaze ce intrã în reactor se calculeazã volumul de CO:
1mol de CO+3,1875 moli H2=4,1875moli= 4,1875 volume molare(c.n)=4,1875.22,4L
Deci:
4,1875.22,4L de gaz………………………………………1.22,4L CO
1 m3………………………………………..V CO

VCO = 1m3.1.22,4L/ 4,1875.22,4L = 0,2388 m3

b) Se calculeazã numãrul de moli de CO care se transformã în CH4, la o conversie de 5%:

n CO/ CH4 = 5/100 . 0,2388/ 22,4= 0,00053 Kmoli CO
Din reacţie se observã cã: 1 mol de CO produce 1 mol de CH4 (sau kmol, dacã lucrãm cu m3).
Deci 0,00053 kmoli CO vor produce 0,00053 kmoli de CH4 şi un volum în condiţii normale de temperaturã şi presiune de:
V CH4= 0,00053.22,4 = 0,01194 m3 = 11,94 L

R: 1:3,1875 ; 11,94 L