Масленкова 9020. Контрольная работа по дисциплине "физическая химия" студент группы 9020 Масленкова Д. А. Проверил

• Название: Контрольная работа по дисциплине "физическая химия" студент группы 9020 Масленкова Д. А. Проверил
• Дата: 20.01.2023
• Размер: 81.19 Kb.
• Имя файла: Масленкова 9020.docx
• Тип: Контрольная работа; #896266

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.Ф. УТКИНА

Кафедра химической технологии

Контрольная работа по дисциплине

"ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ"

Выполнил:

студент группы 9020

Масленкова Д. А.

Проверил:

Логинов В. С.

РЯЗАНЬ 2022

8 вариант

Контрольная работа 1- Гомогенный катализ

Задача 1. Кислотно-каталитическая реакция В  Р протекает согласно механизму






Определите зависимость наблюдаемой константы скорости реакции (k_набл) от кислотности среды h₀, если скорость депротонизации вещества ВН⁺ больше, чем скорость его превращения в продукт. Рассчитайте значение k_набл.

Дано: k1 = 310-4 k-1 = 310-2 k2 = 310-5 k3 = 2,510-3 h0 = 1,5	Найти: kнабл. Решение: Выведем выражение, связывающее кислотность среды и наблюдаемую константу скорости каталитической реакции:
	Ответ:

Задача 2. Гидролиз уксусного ангидрида (CH₃CO)₂O катализируется как гидроксил-анионом OH^–:

(CH₃CO)₂O + OH^– CH₃COOH + CH₃COO^–, k₁ M^-1c^-1,

так и ионом гидроксония H₃O⁺:

(CH₃CO)₂O+H₃O⁺→[(CH₃CO)₂H₃O]⁺→ 2CH₃COOH+H₃O⁺.

Эффективная константа кислотного гидролиза равна k_эф M^-1c^-1. При каком рН водного раствора уксусный ангидрид будет наиболее устойчив?

Дано: k1 = 22 kэф = 18 10-3

Найти: При каком рН водного раствора уксусный ангидрид будет наиболее устойчив? Решение: Полная скорость гидролиза уксусного ангидрида является суммой скоростей по обоим каналам реакции. Как следует из размерности константы скорости M-1c-1 , эффективная скорость реакции по каналу 2 зависит от концентраций (CH3CO)2O и H3O+, в то время как концентрация воды H2O уже учтена в константе: Минимум скорости гидролиза, как легко видеть, соответствует минимуму выражения: Продифференцируем его по , учитывая, что : Отсюда:

Ответ:

Задача 3. Каталитическая реакция идёт по схеме





В двух опытах при следующих начальных концентрациях реагентов были получены приведённые в таблице значения времён превращения А на 50 % и

75 %.

Найдите константы скорости k₁, k₂, k₃. Концентрацию AK считать стационарной

[K]0 моль/л	[A]0 моль/л		[B]0 моль/л	 50 (1) %, ч	 75 (1) %, ч
10–6	0,1		0,2	 50 (1) %	 75 (1) %
10–6	0,1		0,3	 50 (2) %
Дано:  50 (1) = 6,5 %  75 (1) = 10,2 %  50 (2) = 4,7 %		Найти: Найдите константы скорости k1, k2, k3. Решение: Запишем выражение для вычисления константы скорости для реакций второго порядка: Запишем выражения для определения концентрацию АК: Запишем выражение для определения концентрации реакции второго порядка: Отсюда
		Ответ:

Задача 4. (4.2.2.). Каталитическая реакция S₁ + S₂ →P₁ + P₂ протекает в присутствии слабой кислоты НА по механизму:

1)

2)

3)

4)

5)

Известно, что реакция лимитируется стадиями депротонирования продукта реакции, а стадии (1), (2) и (5) являются быстрыми и равновесными.

Каким общим или специфическим является катализ данной реакции кислотой HA, если:

а) стадия (3) протекает значительно быстрее, чем стадия (4);

б) стадия (4) протекает значительно быстрее, чем стадия (3).

Ответ обоснуйте для обоих случаев.

Решение:

а) В данном случае, катализ будет специфическим основным, т.к. катализатором являются основания Аррениуса и лимитирующей стадией является вторая стадия распада S^-.

б) В данном случае, катализ будет специфическим кислотным, т.к. катализатором является кислоты Аррениуса и лимитирующей стадией является вторая стадия распада SH⁺.


Контрольная работа 2 – Ферментативный катализ

Часть 1
Задача 1. Получите кинетическое уравнение для процесса ферментативного катализа, в котором участвуют два промежуточных компонента:



Решение:


Задача 2. Каталитический процесс S  P осуществляется по механизму:







Определите скорость реакции в начальный момент времени (r₀) при концентрации субстрата и фермента [S]₀ и [E]₀.

Дано: k2/k-2 = 5 k-2 = 0.5 k3, c-1 = 0.1 [S0], моль/л = 0,05 [Е0], 10-6 моль/л = 0,5	Решение: Вычислим скорость реакции в начальный момент времени по формуле:
Найти: Определите скорость реакции в начальный момент времени (r0) при концентрации субстрата и фермента [S]0 и [E]0.	Ответ:

Задача 3. Реакция выделения водорода из воды под воздействием сильного восстановителя катионрадикала метилвиологена (S) катализируется ферментом гидрогеназой по схеме:







Напишите выражение для скорости выделения водорода и рассчитайте значение, найдите порядок реакции по S, E и Н⁺ при условии, что K₁=K₂, M^-1, pH_исх; [Е]₀ мол-л*см^–3; [S]₀ М. Оцените константу k₃, зная, что из 100 мл раствора за час выделилось V мл H₂ (P = 760 мм рт. ст.).

Дано: k1 = k2 = 0,01 pHисх = 1 [Е]0 = 6,021017 [S]0 = 1.8 V = 0.2	Решение: Запишем выражение для скорости выделения водорода: При достаточно малых концентрациях субстрата, когда [S]  Км, можно принять, что Км + [S] ≈ Км и поэтому реакция имеет первый порядок по отношению к субстрату и является линейной функцией концентрации субстрата. Рассчитаем константу k3 по формуле: Вычислим значение скорости:
Найти: Напишите выражение для скорости выделения водорода и рассчитайте значение, найдите порядок реакции по S, E и Н+.	Ответ:

Часть II.

1. При добавлении ингибитора в ферментативную систему, подчиняющуюся схеме Михаэлиса–Ментен, максимальная скорость реакции уменьшилась в x раз, а К_М не изменилась. Предложите схему ингибирования и рассчитайте К₁, если концентрация ингибитора равнялась C моль⋅л^-1.

Дано: x = 2 C = 0.510-5	Решение: Так как максимальная скорость реакции уменьшилась, а КМ не изменилась, следовательно, для данной ферментативной системы характерно неконкурентное ингибирование. Запишем формулу для вычисления константы неустойчивости и рассчитаем ее: где
Найти:	Ответ:

2. Определить тип ингибирования, константу Михаэлиса, константу диссоциации комплекса фермент – ингибитор и величину предельной скорости в реакции окисления N-метилглутамата, катализируемой N─метилглутаматдегидрогеназой в присутствии ингибитора α-кетоглутарата по следующим данным: [I]₀ = 0 и [I]₀ = 3 ммоль⋅л^-1.

Дано: [S]0 = 0,510-4 мольл r0 = 1,33 мкмольл-1 мин-1 [S]0 = 1,010-4 мольл r1 = 0,77 мкмольл-1 мин-1	Решение: Так как концентрация фермента значительно больше концентрации субстрата, что соответствует конкурентному типу ингибирования. Вычислим константу диссоциации фермент–ингибиторного комплекса по формуле:
Найти:	Ответ:

3. Пара─нитроанилид N─бензоил─N─аргинина является одновременно и субстратом и ингибитором гидролиза, катализируемого протеалитическим ферментом бактериального происхождения. При избыточных концентрациях субстрата образуется неактивный комплекс фермента с двумя молекулами субстрата ES₂. Используя экспериментальные данные, определите значения К_М, k_кат и KS₂.

Дано: [S]0 = 60,0 мкмольл [r/Е]0 = 6,63 c-1 [S]0 = 2 мкмольл [r/Е]0 = 4,22 c-1	Решение: Построим график зависимости 1/[r/Е]0 и 1/[S]0: Из графика следует, что КM = 19,5 и kкат = 1
	Ответ: КM = 19,5 и kкат = 1

Контрольная работа 3 – Гетерогенный катализ
Задача 1. Вычислите площадь поверхности катализатора, 1 г которого при образовании монослоя адсорбирует V см³ газа А (при 1,01*10⁵ Па и 273 К). Адсорбция измеряется при T К, эффективная площадь, занятая молекулой газа А равна S₀.

Дано: A = Кr V = 344 см3 Т = 77,5 К S0 = 0,195 нм2	Решение: Вычислим площадь поверхности катализатора по формуле:
Найти: Вычислите площадь поверхности катализатора	Ответ:

Задача 2. Рассчитайте удельную поверхность катализатора, если адсорбция криптона при 77,5 К характеризуется следующими данными:

P, мм. рт. ст.	0,447	0,645	0,159	0,450
Объем адсорбированного газа 1г катализатора, см3/г	0,4185	0,4619	0,5234	0,6313

Масса катализатора 13,03 г. Площадь, занимаемая одной молекулой криптона, S₀ = 19,2*10^-20 м², плотность криптона d_о°с = = 3,739 г/л, давление насыщенного пара криптона Р_s — 2,57 мм рт. ст. = 342,65 Па.

Решение:

Согласно уравнению изотермы адсорбции БЭТ, прямолинейная зависимость получается в координатах  .

	0,0385	0,0700	0,1430	0,2200	0,2660
	3,16	5,02	9,50	14,93	18,33

На основании полученных данных строим график. Из графика находим тангенс угла наклона прямой:



tg = = . (а)

Отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен . (б)

Решая совместно уравнения (а) и (б), получаем значения с = 134,4 и
V_m = 0,0149 см³/г.

Для пересчета V_m на Г_ воспользуемся формулой:

Г_ = = моль/г.

Удельную поверхность катализатора рассчитывают по уравнению:

S_уд = Г_N_AS₀ = 6,64 10^7 6,02  10²³19,2  10^20 = 0,078 м²

Задача 3. При 77,5 К на платиновом катализаторе была снята изотерма адсорбции криптона. Получены данные:

P, мм. рт. ст.	0,149	0,200	0,308	0,491
Объем адсорбированного газа 1г катализатора, см3/г	0,2763	0,3040	0,3524	0,4098

Рассчитайте постоянные в уравнении БЭТ и удельную поверхность катализатора, если площадь, занимаемая одной молекулой криптона, S_Kr = 19,2*10^-20 м², плотность криптона d_о°с = 3,739 г/л, давление насыщенного пара криптона Р_s — 2,57 мм рт. ст. = 342,65 Па.

Решение:

Согласно уравнению изотермы адсорбции БЭТ, прямолинейная зависимость получается в координатах  .

	0,0385	0,0700	0,1430	0,2200	0,2660
	3,16	5,02	9,50	14,93	18,33

На основании полученных данных строим график. Из графика находим тангенс угла наклона прямой:



tg = = . (а)

Отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен . (б)

Решая совместно уравнения (а) и (б), получаем значения с = 134,4 и
V_m = 0,0149 см³/г.

Для пересчета V_m на Г_ воспользуемся формулой:

Г_ = = моль/г.

Удельную поверхность катализатора рассчитывают по уравнению:

S_уд = Г_N_AS₀ = 6,62 10^7 6,02  10²³19,2  10^20 = 0,075 м²
задача 4. Каталитическое окисление CO на однородной поверхности Pd протекает следующим образом:



Равновесие на поверхности устанавливается быстро. Вторая стадия – медленная. Используя уравнение Ленгмюра для многокомпонентной адсорбции (23.22), выведите формулу для зависимости скорости реакции образования газообразного CO₂ от парциальных давлений всех участников реакции.

Решение:

Скорость реакции образования газообразного CO₂ равна скорости самой медленной, последней ее стадии:



На первой стадии – обратимого окисления CO – скорость прямой реакции равна скорости обратной:



Отсюда можно найти долю центров, занятых CO₂, и подставить в уравнение (1):



Осталось выразить доли занятых центров через парциальные давления. В случае смеси газов доля адсорбционных центров, занятых молекулами i-го газа, описывается модифицированным уравнением Лэнгмюра:



(суммирование в знаменателе проводится по всем газам, находящимся в смеси).

Записав соответствующие уравнения для CO и O₂ и подставив их в формулу (2), находим зависимость скорости реакции от парциальных давлений всех участников реакции (в том числе и CO₂):



Ответ: