Определение константы равновесия реакции дегидрирования изопропанола

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Лабораторная работа Х-1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ РЕАКЦИИ  ДЕГИДРИРОВАНИЯ ИЗОПРОПАНОЛА

Студент:

Быков Максим Михайлович

Преподаватель:

д. х.н. Талзи Евгений Павлович

НОВОСИБИРСК 2007 г.

Цель работы: определение константы равновесия K_p при разных температурах в указанном диапазоне; оценка Δ_rHº реакции; расчет K_p по справочным данным.

Общие сведения

В данном методе используется один из наиболее эффективных методов анализа – газовая хроматография, которая также находит широкое применение в различных областях химической науки.

В газохроматографическом методе проявляются малейшие различия в физико-химических свойствах компонентов системы  благодаря многократному повторению процессов распределения вещества между неподвижной фазой (сорбент) и подвижной фазой (газ-носитель).

Для непрерывного измерения концентрации разделяемых веществ в газе – носителе в комплекс газового хроматографа входит несколько различных детекторов, в нашем случае – детектор по теплопроводности. Катарометры наиболее широко используются в газовой хроматографии. В полость металлического блока помещена спираль из металла с высоким термическим сопротивлением. Через спираль проходит постоянный ток, в результате чего она нагревается. Если спираль обмывает чистый газ – носитель, спираль теряет постоянное количество теплоты и ее температура постоянна. Если газ – носитель содержит примеси, то меняется теплопроводность газа и, соответственно, температура спирали. Это приводит к изменению сопротивления нити, измеряя которое можем судить о количестве примесей в газе – носителе.   

Схема экспериментальной установки

Колбочка с изопропанолом (1) погружена в водяную баню термостата (2). Поток гелия из баллона через редуктор и регулирующий вентиль подается через капилляр (3) в колбочку и пробулькивается через i-PrOH. Пары спирта в токе He попадают в обратный холодильник (4), охлаждаемый водой (5) с известной температурой (Т_хол). Далее пары спирта по капилляру (6) попадают в реактор (7), который находится в хроматографе (8), использующемся как термостат для реактора. После реактора смесь газов попадает на кран – дозатор (9), проходит через дозирующую петлю (13) и сбрасывается в атмосферу через отросток (14), расположенный на передней панели хроматографа (11). Кран – дозатор служит для ввода пробы продуктов реакции в колонку (10). При повороте крана в положение «анализ» содержимое дозирующей петли (13) вводится в хроматограф, проходит колонку (10), детектор по теплопроводности (12) и сбрасывается в атмосферу через отросток (15), расположенный на верхней крышке хроматографа. 

Теоретические основы метода

В данной работе мы определяли константу равновесия реакции дегидрирования изопропанола на медно-хромовом катализаторе:

Теоретический расчет константы равновесия:

Константа равновесия рассчитывается по формуле:

Вещество	ΔrHº298 (кДж/моль)	ΔrSº298 (Дж/мольּК)	Cp = a + bּT +c/T2
			a	bּ103	cּ10-5
H2	0	130.52	27.28	3.26	0.50
			Cp = a + bּT +cּT2
			a	b ּ103	cּ106
Ацетон	-217.57	294.93	22.47	201.8	-63.5
Изопропанол	-272.59	309.91	8.67	303.1	-115.8

Формула расчета константы равновесия из экспериментальных данных:

Здесь х – степень превращения, , P_ац и Р_сп – давление паров ацетона и спирта в смеси продуктов реакции,  - давление паров спирта в исходной реакционной смеси, P₀ – давление, соответствующее стандартному состоянию (1 бар).

 Если система не достигла равновесия, то величина, вычисленная по приведенной формуле – не есть константа реакции. В этом случае она называется произведением реакции, однако, при увеличении времени контакта газовой смеси с катализатором произведение реакции стремится к константе равновесия.

Ход работы

Определение константы равновесия реакции производилось следующим образом: газ – носитель (гелий) пропускался через колбу с нагретым изопропанолом, унося его пары в камеру с катализатором, в которой поддерживалась определенная температура. Путем изменения скорости газа-носителя, контролировалось время контакта изопропанола с катализатором и, соответственно, глубина протекания реакции.

Ниже представлены экспериментальные данные при различных температурах:

T = 120ºC

t (c/10 мл)	h спирта	h ац	h ац/1,6	x	P0 сп	П
3,5	19351	813	508	0,03	0,018	0,00001
7,5	19592	1432	895	0,04	0,018	0,000036
11	19112	2058	1286	0,06	0,018	0,000076
20	17732	3642	2276	0,11	0,018	0,00026
34	16230	5362	3351	0,17	0,018	0,00064
41	15167	5986	3741	0,20	0,018	0,00088
57	12978	7722	4826	0,27	0,018	0,0018
77	11326	9160	5725	0,34	0,018	0,003
133	6894	12117	7573	0,52	0,018	0,010
380	4129	14581	9113	0,69	0,018	0,027

T = 140ºC

t (c/10 мл)	h спирта	h ац	h ац/1,6	x	P0 сп	П
4,2	17022	2151	1344	0,07	0,018	0,00010
6,3	16985	3134	1959	0,10	0,018	0,00022
9,5	16760	3279	2049	0,11	0,018	0,00024
15,4	15033	5822	3639	0,19	0,018	0,00085
25	12251	8575	5359	0,30	0,018	0,0024
44,8	7238	13197	8248	0,53	0,018	0,011
63	4222	16086	10054	0,70	0,018	0,030
150	3750	16942	10589	0,74	0,018	0,038

Из экспериментальных данных видно, что при температуре 120ºС система так и не достигла состояния равновесия в реакторе, несмотря на большое время контакта, однако, при температуре 140ºС экспериментальные данные позволяют оценить константу равновесия реакции. Итак К_p(413) ≈ 0.038. На основании приведенных данных можно оценить знак энтальпии реакции. Поскольку при большей температуре константа равновесия выше, то исходя из уравнения изобары химической реакции Δ_rHº > 0.

Выводы

В результате данной работы была экспериментально определена константа равновесия реакции дегидрирования изопропанола и оценен знак энтальпии реакции с помощью метода газовой хроматографии.