Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Chương 2: Xử lý dữ kiện động học - Trần Tấn Việt

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Chương 2: Xử lý dữ kiện động học - Trần Tấn Việt

1. Phương trình vận tốc (PTVT): ▪ Đặc trưng cho phản ứng ▪ Được xác định từ: ✓ lý thuyết, ✓mô hình cho trước, ✓thực nghiệm Xác định PTVT: Hai giai đoạn: ✓phụ thuộc nồng độ ✓sự phụ thuộc nhiệt độ 2 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
2. Các phương pháp xử lý số liệu động học 1. Phöông phaùp tích phaân (integral method) 2. Phöông phaùp vi phaân (differential method) 3. Phöông phaùp thôøi gian baùn sinh (half-life time) 4. Phöông phaùp toác ñoä phaûn öùng ban ñaàu (Intial reaction rate) 4 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
3. Trong thöïc teá, thöôøng ño aùp suaát toång hoãn hôïp phaûn öùng trong pha khí ñeå theo doõi phaûn öùng aA+ bB + = rR + sS + Taïi t=0 NAo NBo + = NRo + NSo + Ntr Taïi t NA= NAo -ax NB= Nbo -bx NR =NRo + rx NS =NSo + sx, Ntr Toång soá mol ban ñaàu: No= NAo+ NBo+ +NRo+ NSo+ NAo+ Ntr Taïi thôøi ñieåm t : N = No + x (r+ s+ – a –b – ) = No- x n Vôùi n = r+ s+ – a –b – 6 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
4. 2.1.1. Phöông phaùp tích phaân dC 1) Giaû thieát cô cheá vaø phöông trình − r = − A = kf(C) vaän toác töông öùng A dt 2) Sắp xếp và lấy tích phân dCA dCA − rA = − = f(kC) − = kdt dt f(CA ) CA dC t − A = F (C ) = k dt = kt f(C ) A CA0 A 0 3) Veõ F(CA) theo t 4) Xaùc ñònh giaù trò F(CA)theo thöïc nghieäm 5) Neáu khoâng thaúng, giaû thieát laïi
5. (1) Phaûn öùng khoâng thuaän nghòch baäc 1 loại moät phaân töû A→saûn phaåm dC 1) PTVT coù daïng: − A = k C dt A CA dC t 2) Taùch, laáy tích phaân − A = k dt C CA0 A 0 CA ( ñôn vò cuûa k laø [s-1]) − ln = kt CA0 10 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
6. 0,6. 0,4 - dCA/dt = kCA . CB laø baäc moät nhöng khoâng aùp duïng ñöôïc Hình 2.2. Phaûn öùng baäc moät 12 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
7. dXA 2 − r = C = k C ( 1− X )( M − X ) A A0 dt A0 A A X A dX t A = kC dt A0 0 (1 − XA )(M − XA ) 0 1 − X M − X C . C C ln B = ln A = ln B A0 = ln B 1 − X A M (1 − X A ) CB0 . CA M.C A = CA0 (M − 1) kt = (CB0 − CA0 ) kt M 1 • Neáu CB0 >> CA0 thì CB gaàn nhö khoâng ñoåi, phaûn öùng xem nhö giaû baäc moät
8. Lưu ý: Tác chất dùng theo tỉ lệ lượng hóa học a) 2A → sản phẩm dCA 2 2 2 − r = − = k C = kC A0 (1 − X ) (2.14) A dt A A 1 1 1 X − = . A = kt CA CA0 C A0 1 − X A Veõ 1/CA theo t ta ñöôïc ñöôøng thaúng coù heä soá goùc laø k, tung ñoä goác laø 1/CAo 16 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
9. (3) Phöông trình vaän toác thöïc nghieäm coù baäc n dC − r = − A = k Cn . A dt A 1 − n 1 − n CA − CA0 = ( n − 1)kt, n 1 (2.21) 1 − n 1 − n hay CA0 (1 − XA ) − 1 = (n − 1)kt (2.22) Bậc n không thể xác định trực tiếp từ pt 2.21 hay 2.22 → sử dụng phương pháp dọ dẫm: chọn từng giá trị n →xác định k → Giá trị n nào làm k ít biến đổi nhất 18 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
10. (5) Phaûn öùng khoâng thuaän nghòch baäc toång quaùt theo thôøi gian baùn sinh t1/2 aA + bB → saûn phaåm dC − r = − A = k Ca .Cb A dt A B Neáu taùc chaát hieän dieän theo tyû leä löôïng hoùa hoïc, chuùng seõ giöõ tyû leä ñoù trong suoát quaù trình phaûn öùng. Nhö vaäy taïi thôøi ñieåm baát kyø CB/ CA = b/a b dCA a b b b a + b + − rA = − = k CA .( CA ) = k CA dt a a dC 2n − 1 − 1 hay − A = k' Cn t = C1 − n (2.26) dt A 1/2 k' (n − 1) A0 Dựng đồ thị (log t ½) theo (log Cao)→ hệ số góc : 1-n
11. Phải theo dõi nồng độ hai chất, nồng độ chất thứ 3 xác định bằng: CA + CR + CS = const CA − ln = ( k1 + k 2 ) t CA0 Vẽ -ln(CA/CAo) theo t → k1+k2 r dC k R = R = 1 rS dCS k 2 C − C k R R 0 = 1 C − C k Hình 2.4: Phản S S0 2 ứng song song Vẽ CR theo Cs → k1/k2 22 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
12. (7) Phaûn öùng noái tieáp khoâng thuaän nghòch (consecutive reaction) A → R → S , k1 vaø k2 Giả sử ban đầu không có R và S, nồng độ đầu của A là CAo CA dC − ln = k1 t A C = − k1 CA A0 dt − kt hay CA = CA0 e dC R dC = + k1 CA − k 2 C R R + k C = k C e− k1t dt dt 2 R 1 A0 dC e− k1t − e− k 2t S = + k 2 C R CR = k1 CA0 dt k 2 − k1 24 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
13. Thôøi ñieåm noàng ñoä R ñaït cöïc ñaïi k 2 ln 1 k1 t max = = k log tb k 2 − k1 → Giá trị cực đại của R là k 2 / (k 2 − k1 ) CR,max k1 = CA0 k 2 Hình 2.8: Đường biểu diễn nồng độ - thời gian cho phản ứng nối tiếp 26 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
14. dX A = (k + k )(X − X ) dt 1 2 Ae A X C − C 1 − ln 1 − A = − ln A A e = k 1 + t = k + k t 1 ( 1 2 ) X Ae CA 0 − CAe K C Veõ ñöôøng bieåu dieãn – ln (1 – XA/XAe) theo t → ñöôøng thaúng → heä soá goùc laø k1(1 + 1/KC). Phaûn öùng thuaän nghòch ñöôïc xem laø khoâng thuaän nghòch neáu noàng ñoä döïa treân CA0 - CAe ↔ phản ứng không thuận nghịch là trường hợp đặc biệt của pứ thuận nghịch khi CAe=0 hay XAe=1 hay Kc=∞ 28 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
15. 2.2. Thieát bò phaûn öùng giaùn ñoaïn coù theå tích (theå tích hoãn hôïp phaûn öùng) thay ñoåi 1 dN 1 d(C V) 1 VdC + C dV r = i = i = i i i V dt V dt V dt dC C dV r = i + i i dt V dt → Thể tích hỗn hợp phản ứng V = V0 (1 +  A XA ) VX = 1 − VX = 0  = A A → phần thể tích biến đổi A V XA = 0 30 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
16. 2.3. Nhieät ñoä vaø toác ñoä phaûn öùng Ñònh luaät Arrheùnius - E / RT k = k0 e vôùi: k0: thöøa soá taàn soá (frequency factor) E : naêng löïông hoaït hoùa (activation energy), J/mol R: haèng soá khí = 8,27 J/mol.K T: K 32 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
17. 34 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
18. 36 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học
19. Câu hỏi ôn tập 1. Các phương pháp theo dõi phản ứng? 2. Phương pháp xử lý số liệu động học? 3. Xử lý số liệu động học cho pha khí 38 12/30/2022 Chương 2. Xử lý dữ kiện động học