Построение модели кинетической реакции

Министерство образования и науки РФ

Волгоградский государственный технический университет

Химико-технологический факультет

Кафедра «Технология органического и нефтехимического синтеза»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

На тему «Построение модели кинетической реакции»

 

 

 

Выполнила: студентка

Группы ТВБ-589

Сорокина М.В.

Проверил: старший

преподаватель

Мохов В. М.

 

 

 

 

Волгоград 2014

Содержание:

 

Введение …………………………………….…………………………….... 3

1. Задание ………………………………………...……………….. 5
2. Литературный обзор ……….…………………………...……... 6
1. Гипотеза о схеме превращения …….………………………... .6
2. Гипотеза о механизме реакции ……………………………….. 6
1. Влияние субстрата............................................................. 7
2. Влияние атакующей частицы............................................8
3. Влияние уходящей частицы………………………...……9
4. Влияние растворителя уходящей частицы…………….10
3. Обсуждение результатов.……………………………………...13
1. План кинетических экспериментов ………………………….13
2. Анализ кинетических кривых ……………………...………. 17
3. Расчёт параметров кинетической модели …………………...19
4. Проверка адекватности………………………………………..32
4. Экспериментальная часть ……………………………………..33
1. Выбор метода анализа ключевого компонента ……………..33
2. Приготовление растворов реагирующих веществ ………… 46
3.     Схема установки, подбор реактора …………………….....47
4. Прописи кинетических экспериментов ………………….… 49

Выводы ……………………………………………………………………..55

Список используемой литературы ……………………………………….56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Современная химическая промышленность выпускает огромное количество разнообразнейших продуктов и товаров, что естественно связанно с проведением, оптимизацией и управлением определённых процессов, в частности химических реакций. Это требует проведения огромной научно-исследовательской работы, позволяющей переносить химические реакций, необходимых для получения ценных химических продуктов из лабораторных условий на промышленный уровень.

А поскольку научно-исследовательская работа является неотъемлемой частью научно-технического прогресса, то это говорит о её значимости. Она является постоянным притоком всё новых и новых знаний о природе вещества в общемировую копилку знаний человечества. Полезность научно-исследовательской работы в области изучения химической технологии неоценима, поскольку на данный момент продукты химической промышленности присутствуют абсолютно во всех сферах нашей жизнедеятельности, и не могут быть никоим образом изъяты.

Как и везде, в научно-исследовательской работе присутствуют проблемы, и главная из них – это динамика развития научно-технического прогресса, она постоянно растёт, и требует сокращения времени отводимого на исследования. Причём основной проблема исследований химических реакций является изучения механизма реакции, что процесс очень трудоёмкий и дорогостоящий. Что служит главным препятствием запуска процесса в производство. Поэтому задачу ставят по-другому - оптимизация и управление процессом, не зная его механизма. Это осуществляется путём исследования системы по изменению значений скорости реакции (функций отклика) при воздействии на систему каким-то фактором, уровень которого известен, т.е. изучение кинетики реакции.

Поэтому целью данной работы является приобретение знаний и умений, а также первоначальных навыков в изучении и применении кинетических исследований химических реакций, в частности построение кинетической модели реакции, т.е. отыскание вида математических уравнений, описывающих скорость изменения концентрации веществ во времени, и нахождение значений параметров, входящих в эти уравнения. В частности, построение кинетической модели реакции, т.е. отыскание вида математических уравнений, описывающих скорость изменения концентрации веществ во времени, и нахождение значений параметров, входящих в эти уравнения.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: произвести анализ литературных данных, определиться и провести экспериментальную часть работы и обсудить результаты, итогом которых должна стать кинетическая модель химического процесса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание

 

№ варианта	Реагенты			Температурный интервал ˚С	Растворитель
	A	Y	Ключевой
27	C H Cl	KI	А	20-45	ацетон

 

Физические свойства участников процесса

Вещество	Тпл, 0С	Ткип, 0С	Растворимость в ацетоне г/100г
C H Cl	-122,8	47,2
KI	686	1330	2,35
C H I	-101,4	102,4
KCl	771	1500	0,00009
Ацетон	-95	56,1	-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

   2. Литературный обзор

 

2.1. Гипотеза о схеме превращений

 

Между реагирующими веществами 1-хлорпропаном и йодидом калия (растворитель ацетон) при данных температурах протекает основная реакция нуклеофильного замещения атома хлора на атом йода:

Основная реакция:

C

H Cl + KJ → C H J + KCl

Равновесие немного сдвинуто в сторону замещения менее нуклеофильного галогена (Cl) на более нуклеофильный (I) , образование связи С-I и С-Cl происходит синхронно.

 Возможна побочная реакция:

C

H Cl + KJ → C H JCl + KH

 Однако эта реакции не будут вносить значительный вклад в материальный баланс процесса.

Для повышения выхода алкилйодидов эта реакция проводиться в растворителях (ацетон), в которых КI хорошо растворим, а образующийся в ходе реакции КCl малорастворим и выпадает в осадок, поэтому реакция не обратима и процесса сольватации не происходит.

Итак, можно сделать вывод, что основной протекающей в системе реакцией является нуклеофильное замещение атома хлора на йод. Побочные реакции между реагентами и растворителем отсутствуют или не вносят значимого вклада. В реакции участвуют две частицы и они обе определяют скорость реакции.

 

2.2 Гипотеза о механизме реакции

 

Рассмотрим выше описанную схему превращения. В результате реакции происходит нуклеофильное замещение атома хлора на йод у насыщенного атома углерода. Реакция может протекать по одному из двух механизмов: SN или SN . Рассмотрим влияние различных факторов на молекулярность реакции.

 

    2.2.1 Влияние строения  субстрата

 

Этот фактор является наиболее важным и определяет в большей степени механизм реакции нуклеофильного замещения. Если при диссоциации субстрата образуется устойчивый карбкатион, то вероятно протекание реакции по механизму SN , если образуется неустойчивый карбкатион или он вообще не образуется, то вероятно течение реакции по механизму SN .

Возможна реакция

 

                                                                                        Н

СН

-СН -СН -Cl+КI [СН -СН -C]+Cl

                                                                                                Н

                                               Н 

                                                Н

          Стабилизация алифатических карбкатионов осуществляется за счет индуктивного эффекта и сверхсопряжения и увеличивается в ряду карбкатионов: первичный<вторичный < третичный

С ростом стабильности уменьшается реакционная способность карбкатионов.

Основным фактором, определяющим стабильность карбкатионов, является возможность делокализации положительного заряда не только за счет индуктивного эффекта и сверхсопряжения, но и эффекта сопряжения.

Если эффект сопряжения в катионе не может быть реализован, то такой карбкатион является короткоживущим или вообще не образуется.

На устойчивость карбкатионов оказывают влияние также среда и температура. С понижением температуры устойчивость карбкатионов растет. Анализируя строение заданного карбкатиона- можно сделать вывод, что он будет неустойчив.

Предположительным механизмом реакции является бимолекулярное нуклеофильное замещение SN2.

Вначале предполагается образование нуклеофильной частицы в результате диссоциации соли:

KJ → K+ + J-

Далее ион йода атакует атом углерода, имеющий частичный положительный заряд, со стороны, противоположной атому хлора, т. е. «с тыла». Образование связи С-J и разрыв связи С-Cl в переходном состоянии происходят одновременно.

Переходное состояние можно представить как активированный комплекс, в котором атом углерода частично связан со вступающей группой, а связь С-Cl с уходящей группой еще не вполне разорвалась. Отрицательный заряд распределен между вступающей и уходящей группами. При этом атом углерода остается незаряженным. Таким образом, реакция протекает как одностадийный синхронный процесс.

Следовательно, строение субстрата говорит в пользу механизма SN .

 

          2.2.2 Влияние  строения атакующей частицы

 

Изменения в применяемом нуклеофильном реагенте, т.е. замена вступающей группы, не приводит непосредственно к изменению скорости реакции по механизму SN , потому что нуклеофильный реагент не участвует в скорости лимитирующей стадии. При протекании реакции по механизму SN с увеличением нуклеофильности реагента скорость реакции должна увеличиваться. Атакующей нуклеофильной частицей является ион I-.

Нуклеофильность сильно зависит от размера атакующего атома в нуклефиле:

I- > Br- > Cl-   RS- > RO-

От размера, а также от его электроотрицательности, зависит поляризуемость; когда размер атома увеличивается, действие его ядра на переферические электроны уменьшается, в результате чего они становятся более легко поляризуемыми и более склонными к связыванию. Кроме того, чем больше размер нуклеофильного иона или группы, тем меньше энергия его сольватации, т.е. тем более легко он превращается в несольватированный нуклеофил.

Так как данная частица характеризуется высокой нуклеофильностью, то это будет способствовать протеканию реакции по механизму SN .

 

     2.2.3 Влияние строения уходящей группы

 

Замена уходящей группы будет влиять на скорость реакции как SN , так и SN , поскольку в обоих случаях разрыв связи с уходящей группой осуществляется на медленной стадии. Относительная способность частицы Y в соединении R-Y быть уходящей группой определяется прочностью связи R-Y, поляризуемостью Y-, степенью стабилизации посредством сольватации образующегося иона Y- в переходных состояниях как механизма SN , так и механизма SN .