Теория химико-технологических процессов

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Волгоградский государственный технический  университет

(ВолгГТУ)

Кафедра «Технология органического и нефтехимического синтеза»

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Семестровая работа

по курсу: 

«Теория химико-технологических процессов»

  
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

                                                                                                  

                                                                              Проверил:

                                                                                               
 
 
 
 
 
 
 

Оценка  работы ____________ баллов. 

Волгоград 2008г.

     Содержание: 

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

1. Задание ……………………………………………………………………….. 4
2. Литературный обзор ……….………………………………………………... 5
1. Гипотеза о схеме превращения …….…………………………………... 5
2. Гипотеза о механизме реакции …………………………………………. 5
1. Влияние на протекание реакции атакующей частицы ………….. 5
2. Влияние на протекание реакции строения субстрата …………... 6
3. Влияние на протекание реакции строение растворителя ………. 8
4. Влияние на протекание реакции строение уходящей частицы .. 10
3. Обсуждение результатов …………………………………………………... 12
1. План кинетических экспериментов …………………………………... 12
2. Анализ первичных кинетических кривых …………………………… 14
3. Расчёт параметров кинетической модели ……………………………. 15
4. Проверка адекватности кинетической модели эксперименту ……… 24
4. Экспериментальная часть ………………………………………………….. 26
1. Выбор метода анализа ключевого компонента ……………………… 26
2. Приготовление растворов реагирующих веществ …………………... 39
3. Схема установки, подбор реактора и доказательство его идеальности ……………………………………………………………………………. 40
4. Прописи кинетических экспериментов ……………………………… 43

    Выводы …………………………………………………………………….. 47

    Список  используемой литературы ……………………………………….. 47 
 
 
 
 
 
 
 
 

     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 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Литературный обзор 

     2.1. Гипотеза о схеме  превращений.

     Основная  реакция:

     CH₃Cl + KJ → CH₃J + KCl

              Побочные реакции:

     CH₃Cl + KJ → CH₂JCl + KH      СH₃I + KCl → CH₃Cl + KI

     R-OH + KJ → R-J + KOH

     2.2. Гипотеза о механизме реакции.

     Предположительным механизмом реакции является бимолекулярное нуклеофильное замещение S_N2.

     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.

     Следует отметить, что скорость реакции S_N2 подчиняется кинетическому уравнению второго порядка:

     w = k₂[CH₃Cl] [J^-],

     т. е. пропорциональна концентрации субстрата  и нуклеофила [4].

     2.2.1. Влияние на протекание реакции атакующей частицы.

     Нуклеофильность нейтральной молекулы или отрицательно заряженной частицы определяется способностью отдавать пару электронов при образовании связи с любым атомом, кроме водорода.

     Нуклеофилы  значительно чувствительны к  стерическим затруднениям реакции. Способность нуклеофила участвовать  в нуклеофильной атаке зависит и от характера его ВЗМО. Наибольшая нуклеофильность характерна для атомов и частиц, имеющих электроны на несвязывающих орбиталях.

     Анионы  являются значительно более сильными нуклеофилами, чем сопряженные им кислоты:

     

     В общем, нуклеофильность зависит от электроотрицательности атома и от растворителя. По периоду слева направо нуклеофильность уменьшаются:

     

     В протонных растворителях по группе сверху вниз нуклеофильность возрастает:

     

     Если  нуклеофильным центром в ряду частиц выступает один и тот же атом, нуклеофильность этих частиц изменяется параллельно изменению их основности:

     

     Оценки  степени нуклеофильности различных  нуклеофильных реагентов обобщены в таблице:

 

     Как видно из этой таблицы, очень сильными нуклеофилами являются частицы, в которых нуклеофильным центром выступают атомы третьего или более высоких периодов (сера, фосфор, йод) [4].

     2.2.2. Влияние на протекание  реакции строение  субстрата.

     Для того чтобы выяснить возможность  перехода от одного механизма реакции  к другому, необходимо рассмотреть влияние как электронных, так и стерических факторов на переходное состояние. В случае, если атака осуществляется по механизму S_N2, можно ожидать, что возрастание индуктивного эффекта по мере увеличения числа метальных групп должно приводить к постепенному уменьшению положительного заряда на атоме углерода, связанном с галогеном, и, следовательно, к затруднению атаки этого атома нуклеофилом.

     Этот  эффект выражен не очень сильно, вследствие чего наиболее важную роль должны играть стерические факторы. Этим можно объяснить тот факт, что по мере увеличения объема заместителей у атома углерода, связанного с галогеном, возможность атаки этого атома углерода нуклеофилами существенно затрудняется. Кроме того, следует иметь в виду, что при атаке по механизму S_N2 этот атом углерода окружен в переходном состоянии пятью группами (в отличие от молекул исходного галогенида, в которых его окружают только четыре группы), поэтому чем больше объем трех заместителей в исходном галогениде (не считая атома галогена), тем им должно быть более тесно в переходном состоянии и тем, следовательно, неохотнее будет происходить образование этого состояния.

     

     Очевидно, что плоскостное расположение стерически наиболее выгодно, поскольку три  заместителя располагаются при этом на максимальных расстояниях один от другого (ср. с четырьмя заместителями в исходном галогениде и с пятью заместителями в переходном состоянии при механизме S_N2). Понятно, что преимущество такого расположения будет проявляться тем в большей степени, чем больше объем заместителей.

     В зависимости от строения субстрата  реакционная способность галогеналканов в реакциях S_N2 поэтому уменьшается в ряду:

     галогенметаны > первичные галогеналканы > вторичные  галогеналканы >> третичные галогеналканы

     Реакции S_N2 с участием аллил- и бензилгалогенидов ускоряются вследствие стабилизации переходного состояния, достигаемой сопряжением π-связи (или π-электронного облака бензольного кольца) с p-орбиталью, формирующейся на атоме углерода в переходном состоянии. Этот эффект сопряжения понижает энергию активации реакции S_N2 и тем самым увеличивает ее скорость.