Е. А.Бөкетов атындағы Қарағанды Университеті

РЕФЕРАТ

Реакцияның реттілігін анықтау әдістері

Жоспар

1. Кіріспе

2. Теориялық негізі

3. Реакция ретін анықтаудағы статистикалық мәліметтерді талдау әдістері

4. Әдістер

5. Химиялық реакциялардың кинетикалық жіктелуі

6. Қорытынды

7. Пайдаланылған әдебиеттер

Кіріспе

Реакция ретін анықтау тақырыбының өзектілігі қазіргі химия ғылымы мен өндірісінің маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Химиялық реакциялардың кинетикасын зерттеу, атап айтқанда, реакция ретін анықтау молекулалық деңгейде жүретін процестерді түсіну және бақылау үшін қажет. Бұл білім химиядағы жаңа синтез әдістерін әзірлеуде және өндірістік процестерді оңтайландыруда негізгі элемент болып табылады.

Тақырыптың өзектілігі

Химия өнеркәсібінің ұдайы дамуымен және өндірістің тиімді әдістерін іздестірумен реакция кинетикасына қатысты сұрақтар өзекті бола түсуде. Реакция тәртібін анықтау химиялық процестердің барысын дәл болжау үшін қажет, бұл өз кезегінде өндіріс тиімділігін арттыруға және қалдықтарды азайтуға көмектеседі.

Зерттеудің мақсаты мен міндеттері

Бұл зерттеудің мақсаты әртүрлі химиялық процестерде қолдану мақсатында реакция ретін анықтау әдістерін талдау және жүйелеу болып табылады. Осы мақсатқа жету үшін келесі міндеттер қойылады:

Реакция тәртібінің негізгі теориялық аспектілерін және оның процестің жылдамдығына әсерін қарастыру.

Реакция ретін анықтау үшін статистикалық деректерді талдау әдістерін зерттеу.

Реакция ретін өлшеу үшін қолданылатын тәжірибелік және аспаптық әдістерді талдау.

Зерттеу нәтижелерін химия өнеркәсібінде тәжірибеде қолдануды бағалау.

Реакция тәртібін анықтауға қысқаша кіріспе

Реакция ретін анықтау химиялық реакциялардың кинетикасын зерттеудің негізгі кезеңі болып табылады, бұл реакция жылдамдығының реагенттер концентрациясына тәуелділігін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл ақпарат реакция механизмін жақсырақ түсінуге ықпал етіп қана қоймайды, сонымен қатар зертханада және өнеркәсіпте реакция жағдайларын оңтайландыруға негіз болады. Реакция ретін анықтау үшін қолданылатын әдістердің әртүрлілігі зерттеушілерге дәл және сенімді талдаулар жүргізу үшін көптеген құралдар береді. Бұл зерттеуде біз реакция ретін анықтаудың әртүрлі аспектілерін қарастырамыз, олардың маңыздылығы мен қазіргі заманғы химия мен өнеркәсіпте қолданылуын көрсетеді.

Теориялық негізі

Реакцияның жүру ретін анықтау

Реакция ретін анықтау химиялық процестердің кинетикасын зерттеудің негізгі кезеңі болып табылады. Реакцияның жүру реті - реакция жылдамдығының әрекеттесуші заттардың концентрациясына тәуелділігін көрсететін көрсеткіш. Бұл ақпарат реакцияның молекулалық механизмдері туралы маңызды түсініктер беріп қана қоймайды, сонымен қатар өнеркәсіпте және зертханада практикалық қолданбаларға ие.

Реакция жылдамдығының реагенттер концентрациясына тәуелділігі

Бірінші ретті реакция:

Реакция жылдамдығы әрекеттесуші заттардың бірінің концентрациясына пропорционал. Математикалық: v=k[A].

Екінші ретті реакция:

Реакция жылдамдығы әрекеттесуші заттардың біреуінің концентрациясының квадратына немесе екі әрекеттесуші заттардың концентрациясына пропорционал. Математикалық:

Күрделі реакция реті:

Реакция реті бүтін сан емес. Мысалы,

Мағынасы және қолданылуы

Реакцияның жүру ретін білу әрекеттесуші заттардың концентрациясының өзгеруі реакция жылдамдығына қалай әсер ететінін дәл болжауға мүмкіндік береді.

Ақпарат өндірістік процестерді оңтайландыру, сапаны бақылау және жаңа синтез әдістерін әзірлеу үшін пайдаланылады.

Реакция жылдамдығының реагенттер концентрациясына тәуелділігін зерттеу реакцияның молекулалық механизмдерін түсінуге көмектеседі, бұл әрі қарай зерттеулер мен қолдану үшін маңызды.

Реакция ретін анықтаудағы статистикалық мәліметтерді талдау әдістері

Статистикалық әдістер реакция ретін анықтау үшін қолданылатын мәліметтерді талдауда маңызды рөл атқарады. Негізгі әдістердің бірі - ең кіші квадраттар әдісі (OLS). Бұл әдіс эксперименттік және теориялық деректер арасындағы айырмашылықты барынша азайта отырып, модель параметрлерін бағалауға мүмкіндік береді.

Ең кіші квадраттар әдісі (LSM)

OLS – сызықтық немесе сызықты емес модельмен эксперименттік деректерді жуықтау үшін қолданылатын статистикалық әдіс. Ол бақыланатын және болжанған мәндер арасындағы квадраттық айырмашылықтардың қосындысын азайтады, нәтижесінде модельдің деректерге ең жақсы сәйкестігі болады.

Реакция ретін анықтауда ең кіші квадраттарды қолдану:

Сызықтық регрессия:

Бірінші ретті сияқты сызықтық қатынасы бар реакция теңдеулері үшін сызықтық регрессия қолданылады. Бұл реакция ретіне сәйкес келетін түзудің еңісін анықтауға мүмкіндік береді.

Сызықты емес модельдер үшін LSM:

Күрделі ретті модельдер сияқты сызықты емес теңдеулер жағдайында OLS сызықты емес оңтайландыру әдістерін қолдану арқылы бейімделеді.

Интервалдық параметрді бағалау:

Статистикалық әдістер нәтижелердің сенімділігін арттыра отырып, модель параметрлері үшін сенімділік интервалдарын бағалауға мүмкіндік береді.

Дисперсияны талдау:

Дисперсиялық талдау әртүрлі модельдер арасындағы айырмашылықтардың статистикалық маңыздылығын бағалау және ең жақсысын таңдау үшін қолданылады.

Статистикалық деректерді талдау реакция ретін анықтауда объективтілік пен дәлдікті қамтамасыз етеді. Бұл әдістер кинетикалық заңдарды түсінуде және химиялық процестерді оңтайландыруда негізгі элемент болып табылатын алынған нәтижелерге сенімділік дәрежесі туралы ақпарат береді.

Әдістер

3-тен 1-әдіс: жылдамдық теңдеуін талдау

Реакцияның жылдамдық теңдеуін анықтаңыз. Жылдамдық теңдеуі реакцияның ретін анықтауға көмектеседі. Бұл теңдеу берілген заттың уақыт бойынша өсуін немесе азаюын көрсетеді. Химиялық реакцияға қатысты басқа теңдеулер реакцияның ретін анықтауға көмектеспейді.

Әр реакцияға түсу ретін тексеріңіз. Жылдамдық теңдеуіндегі әрбір реактанттың көрсеткіші 0, 1 немесе 2 болады (2-ден жоғары өте сирек кездеседі). Бұл көрсеткіш сол реактивтің орналасу ретін көрсетеді. Біз әрбір көрсеткішке қараймыз:

• Нөл дегеніміз - бұл реактивтегі концентрация реакция жылдамдығына әсер етпейді.

• Біреуі осы реактивтің концентрациясын жоғарылату реакция жылдамдығын сызықтық түрде арттырады дегенді білдіреді (реактивтің екі еселенуі реактивтің жылдамдығын екі есеге арттырады).

• Екі реакция жылдамдығы жоғарылаған концентрация квадратына ұлғаяды дегенді білдіреді (реактивтің екі еселенуі жылдамдықты төрт есе арттырады).

• Нөлдік реакторлар көбінесе жылдамдық теңдеуінде көрсетілмейді, өйткені нөлдік деңгейге көтерілген кез келген сан бірге тең.

Барлық реактивтерге тапсырыс қосыңыз. Реакцияның жалпы реті - бұл барлық реакцияға түсетін заттардың реттік қосындысы. Реакцияның жалпы ретін анықтау үшін әр реакцияға түсетін заттардың дәрежелерін қосыңыз. Бұл сан әдетте екіден аз немесе оған тең.

• Мысалы, бірінші реакциялайтын зат бірінші ретті (дәрежесі 1-ге тең), ал реактант екеуі бірінші ретті (сонымен қатар 1-ші дәрежелі), содан кейін жалпы реакция екінші ретті деп есептейік.

3-тен 2-әдіс: деректер нүктелерін график түрінде көрсету

Реакцияның сызықтық графигін құратын айнымалыларды табыңыз. Сызықтық график тұрақты өзгеру жылдамдығына ие графикке жатады. Басқаша айтқанда, тәуелді айнымалы бірінші секундта екінші, үшінші және т.б. өзгереді. Сызықтық график түзу сызыққа ұқсайды.

Уақытқа қатысты реактивтің концентрациясын салыңыз. Бұл реакция кезінде берілген уақытта қанша реактант қалатынын көрсетеді. Егер бұл график сызықтық болса, онда реакцияланатын заттың концентрациясы реакция жүру жылдамдығына әсер етпейді деген сөз. Бұл жағдайда реттілік реакторы нөлге тең болады.

Уақытқа қатысты реактивтің концентрациясының табиғи логарифмін келтіріңіз. Егер реактивтің натурал логарифмі сызықтық графикке әкелсе, реактор бірінші ретті болады. Бұл реакцияға түсетін заттың концентрациясы реакция жылдамдығына әсер етеді дегенді білдіреді. Егер график сызықтық болмаса, графикті екінші ретті жауапқа тексеру керек.

Уақытқа қарсы график құрыңыз. Сызықтық графигі екінші ретті реакцияны көрсетеді. Бұл реакция жылдамдығы кез-келген реактивтің өсу квадратына өсетіндігін білдіреді. Егер бұл график сызықтық болмаса, нөлдік және бірінші ретті реакциялардың графигін салуға тырысу керек.

Барлық әрекеттесуші заттардың реттік қосындысын табыңыз. Әр реактивке арналған сызықтық графикті тапқаннан кейін, сіз әр реактанттың орналасу ретін білесіз. Бұл реакцияның нәтижелік тәртібін есептеуге мүмкіндік береді. Барлық реактивті тізбектерді қосыңыз. Бұл бүкіл реакцияның реакция тәртібі.

3-тің 3 әдісі: Жағдайлық есептерді шешу

Екі реактордың екі еселенуі жылдамдықтың екі еселенуіне әкелетін кездегі реакцияның ретін анықтаңыз. Егер реактивтің концентрациясының екі еселенуі жылдамдықтың екі еселенуіне әкелсе, онда бұл реактор бірінші ретті болады. Бұл жағдайда екі реактор да бірінші ретті болады. Екі бірінші ретті реакторлардың қосындысы екінші ретті реакция болып табылады.

Екі реактордың екі еселенуі жылдамдықты өзгертпейтін реакцияның ретін табыңыз. Егер реактивтің концентрациясын өзгерту жылдамдықтың өзгеруін тудырмаса, онда ол әрекеттесуші нөлдік тәртіпке тең. Бұл жағдайда екі реактор да нөлдік ретті болады. Екі нөлдік тәртіптің қосындысы - жалпы нөлдік тәртіптегі реакция тәртібі.

Бір реакторды екі есе көбейту жылдамдықты төрт есе арттыратын реакцияның ретін анықтаңыз. Реакция жылдамдығына әсер ететін реактив екінші ретті. Екінші реактант жылдамдыққа әсер етпейді және нөлдік тәртіпте болады. Тапсырыстардың қосындысы екіге тең, сондықтан бұл екінші ретті реакция.

Химиялық реакциялардың кинетикалық жіктелуі

Химиялық реакциялар молекулалардың санына және реакциялардың ретіне байланысты жіктеледі.

Бір мезгілде әрекеттесетін молекулалардың санына баланысты реакциялар моно-, би- және үшмолекулалық болып бөлінеді.

Реакцияның реті кинетикалық теңдеу бойынша әрекеттесуші заттардың концентрацияларының дәреже көрсеткіштерінің қосындысымен анықталады. Химиялық реакциялар нөлінші, бірінші, екінші және үшінші ретті болып бөлінеді.

Нөлінші ретті реакцияның жылдамдығы тұрақты болады, яғни   = K (const).

Мысалы:

С₆H₁₂O_6(к) → 2C₂H₅OH + 2CO₂

 Бұл реакция моно молекулалық және нөлінші ретті болып есептеледі (V = K), себебі химиялық кинетиканың негізгі заңы бойынша қатты заттың концентрациясы өзгермейтіндіктен есепке алынбайды.

 C₁₂H₂₂O_11(c) + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆

 Реакция бимолекулалық және бірінші ретті, себебі   = K[C₁₂H₂₂O₁₁]. Судың концентрациясы өте аз мөлшерде өзгеретін болғандықтан есепке алынбайды.

 С₆H₁₂O_6(c) + C₆H₂₂O_6(c) → C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O

 реакция би молекулалық және екінші ретті, себебі:

   = K [С₆H₁₂O₆] [C₆H₁₂O₆]

 Үш молекулалық және үшінші ретті реакцияға мына процесті жатқызуға болады:

 2 NO_(г) + О₂(г) → 2NO_2(г)

   = K [NO]²[O₂]

Қорытынды

Реакция тәртібін зерттеу химиялық процестердің кинетикасы туралы түсінігімізді кеңейтетін маңызды нәтижелерді берді. Негізгі тұжырымдар статистикалық әдістердің, әсіресе ең кіші квадраттардың тәжірибелік деректерді талдау және реакция тәртібін анықтаудағы маңыздылығын көрсетеді.

Негізгі нәтижелерді қорытындылай келе:

Статистикалық әдістерді, әсіресе ең кіші квадраттар әдісін қолдану арқылы эксперименттік мәліметтерді жуықтап, модель параметрлерін бағалауға мүмкіндік туды. Бұл нәтижелер реакция жылдамдығының әрекеттесуші заттардың концентрациясына тәуелділігі туралы ақпарат береді және белгілі бір химиялық процесс үшін реакция тәртібін нақтылауға көмектеседі.

Реакция ретін анықтау саласындағы зерттеулердің даму перспективалары:

Бұл зерттеу реакция ретін анықтау саласындағы одан әрі ғылыми зерттеулердің негізін қалады. Даму перспективаларына мыналар жатады:

Сызықты емес модельдерді тереңдетіп зерттеу:

Күрделі статистикалық әдістерді қажет ететін сызықтық емес тәуелділіктегі реакцияларды зерттеу.

Айнымалы параметрлер бойынша зерттеу:

Айнымалы параметрлері бар реакцияларды талдау, бұл химиялық процестердің кең ауқымына қатысты.

Өнеркәсіптік қолданбаларға кеңейту:

Өндірістік процестерді оңтайландыру және тиімділікті арттыру үшін алған білімдерін өнеркәсіпте қолдану.

Жаңа талдау әдістерін қолдану:

Дәлірек және жан-жақты нәтижелерге қол жеткізу үшін статистикалық деректерді талдаудың машиналық оқыту сияқты заманауи әдістерін енгізіңіз.

Эксперименттік әдістерді жетілдіру:

Дәлірек мәліметтер алу үшін дәл және сезімтал эксперименттік әдістерді жасау.

Тұтастай алғанда, реакция тәртібін зерттеу ғылыми зерттеулердің белсенді бағыты болып қала береді және осы саладағы жаңа ашылулар химиялық процестер мен олардың әртүрлі өнеркәсіптік қолданбаларда қолданылуын түсінуімізді жетілдіреді.

Пайдаланылған әдебиеттер:

1. Аткинс, П. және де Паула, Дж. (2006). Физикалық химия. Оксфорд университетінің баспасөзі.

2. Фоглер, H. S. (2016). Химиялық реакциялар инженериясының элементтері. Пирсон.

3. Хилл, Дж. (2004). Химиялық инженерия кинетикасына және реакторды жобалауға кіріспе. Джон Уайли және ұлдары.

4. Levenspiel, O. (1999). Химиялық реакциялар инженериясы. Джон Уайли және ұлдары.

5. Myint-U, T., & Debnath, L. (2007). Ғалымдар мен инженерлерге арналған сызықтық дербес дифференциалдық теңдеулер. Биркхаузер.