Химическая кинетика
- Первый порядок
- ln(CA/CA0) = −kt
- Период полупревращения (первый порядок)
- t½ = ln 2/k
- Второй порядок
- 1/CA = 1/CA0 + kt
- Аррениус
- k = A·e−Ea/(RT)
- Две температуры
- ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)
Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.
Реакция второго порядка (−rA = k·CA²) имеет k = 0,25 L/(mol·min) и начальную концентрацию 0,2 mol/L. Найдите её первый период полупревращения t½.
Энергия активации реакции равна 60 kJ/mol. При 50 °C она идёт слишком медленно. До какой температуры T2 (в °C) её нужно нагреть, чтобы она шла в 5 раз(а) быстрее?
Жидкофазная реакция первого порядка A → B (k = 0,4 min⁻¹) проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) объёмом 50 L. Сырьё подаётся с расходом 10 L/min при CA0 = 2 mol/L. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите выходную концентрацию CA.
Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,08 min⁻¹) проводится в CSTR объёмом 150 L с подачей 10 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите степень превращения X в процентах.
В сосуд помещают 0,2 mol/L H₂ и 0,2 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 9. Найдите равновесную концентрацию [HI].
PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,04 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,5 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [PCl5].
Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 30% компонента (сахар)? Найдите ṁ2.
Выпарной аппарат концентрирует раствор (соль), выпаривая чистую воду. Найдите количество выпаренной воды W в kg/h.
Ответ: t½ = 20 min
Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).
Каждый следующий период полупревращения вдвое длиннее, потому что C₀ уменьшилась вдвое.
Ответ: T2 = 75,1 °C
Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).
Ответ: CA = 0,2707 mol/L
Идеальные реакторы, реакция первого порядка (−rA = k·CA) в стационарном режиме, время пребывания τ = V/Q. Реактор идеального смешения (CSTR) перемешан полностью, поэтому весь объём реагирует при низкой выходной концентрации: τ = X/(k·(1 − X)) и CA = CA0/(1 + k·τ). В реакторе идеального вытеснения (PFR) каждый элемент жидкости реагирует как маленький реактор периодического действия: τ = ln(1/(1 − X))/k и CA = CA0·e−k·τ. При одинаковой степени превращения CSTR всегда требует большего объёма, чем PFR.
Степень превращения: X = 86,47%.
Ответ: X = 54,55 %
Идеальные реакторы, реакция первого порядка (−rA = k·CA) в стационарном режиме, время пребывания τ = V/Q. Реактор идеального смешения (CSTR) перемешан полностью, поэтому весь объём реагирует при низкой выходной концентрации: τ = X/(k·(1 − X)) и CA = CA0/(1 + k·τ). В реакторе идеального вытеснения (PFR) каждый элемент жидкости реагирует как маленький реактор периодического действия: τ = ln(1/(1 − X))/k и CA = CA0·e−k·τ. При одинаковой степени превращения CSTR всегда требует большего объёма, чем PFR.
Ответ: [HI] = 0,24 mol/L
Химическое равновесие: для реакции aA + bB ⇌ cC + dD константа равновесия Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), где берутся равновесные концентрации. Таблица ICE (исходное, изменение, равновесие) связывает начальные количества с равновесными через одно неизвестное x, умноженное на коэффициенты.
Ответ: [PCl5] = 0,3772 mol/L
Химическое равновесие: для реакции aA + bB ⇌ cC + dD константа равновесия Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), где берутся равновесные концентрации. Таблица ICE (исходное, изменение, равновесие) связывает начальные количества с равновесными через одно неизвестное x, умноженное на коэффициенты.
Ответ: ṁ2 = 133,3 kg/h
Материальный баланс в установившемся режиме: вход = выход для общей массы и для каждого компонента. Задачи на смешение объединяют оба.
Ответ: W = 1867 kg/h
Ключевой компонент: компонент, который без изменений проходит только в одном потоке (здесь растворённое вещество), напрямую связывает расходы. Остальное даёт общий баланс.
ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering