Исследование гетерогенной каталитической реакции

Цель работы: определение константы уравнения Фроста-Баландина и энергии активации реакции дегидратации этилового спирта в присутствии окиси алюминия по скорости образования этилена при различной температуре и скорости подачи спирта.

Порядок выполнения работы.

1.Собирают установку согласно схеме (рис. 1) и проверяют ее герметичность. Включают электропечь(3) в сеть и доводят температуру в реакторе (2) до заданной. За температурой следят по показанию милливольтметра (4), к которому подсоединена термопара; горячий спай термопары вставляется в карман реактора. Регулируют температуру посредством автотрансформатора(5).

Обозначения:

1 – бюретка сырьевая;

2 – реактор о AI₂О₃;

3 – электропечь;

4 – милливольтметр;

5 – автотрансформатор;

6 – колба приемная;

7 – холодильник;

8 – манометр;

9 – трехходовой кран;

10 – бюретка для сбора этилена;

11 – стакан с водой;

12 - секундомер

Рис. 1. Схема установки

2. После установления постоянной температуры заполняют спиртом или раствором спирта бюретку (1) и водой бюретку (10). Затем подают воду в холодильник (7) и начинают опыт.

3. С помощью краника и секундомера устанавливают и поддерживают постоянной скорость подачи спирта из бюретки (1) в реактор (2). Постоянство давления в установке контролируют по манометру (8) и регулируют, меняя скорость выпускания воды из бюретки (10) таким образом, чтобы сохранялось нулевое положение уровня жидкости в манометре. При этом кран (9) должен соединить бюретку с системой, а не с атмосферой. Через каждые 2 минуты записывают уровни жидкостей в бюретках (1) и (10) и температуру. Опыт проводят в течение 10 - 20 минут.

4. Подачу спирта прекращают, вновь заполняют водой бюретку (10) и проводят опыт при других условиях. Всего проводят 3-4 опыта при различных температурах (в диапазоне 300-400⁰С) и постоянной скорости подачи спирта или при постоянной температуре и различной скорости подачи спирта (соответствующей 1 капле за 1, 2, 3 и т.д. секунд).

Экспериментальные данные заносят в таблицу1

№ опыта……. Условия опыта…………

Таблица1

Обработка результатов

1. Определяют число молей спирта (n_c), прошедшего через реактор в одном опыте:

г – моль, (1)

где m – число мл спирта или водно-спиртовой смеси;

d – плотность спирта или водно-спиртовой смеси;

B – весовая доля спирта в смеси.

1. Определяют число молей этилена(n_э), выделившегося в одном опыте:

– г-моль, (2)

где Р_атм. – барометрическое давление, мм рт. ст.;

Р_Н2О – упругость паров воды при комнатной температуре

(t_комн.); при t_комн.= 20-25⁰С

Р_Н2О = 18-24 мм рт. ст. (см. Справочник Мищенко, стр. 64);

V_э – число мл этилена, выделившегося в опыте.

2. Рассчитывают степень превращения спирта (y):

у=n_э/n_c (3)

3. Определяют объемную скорость подачи спирта ()

, ммоль/мин. (4)

Где t – продолжительность опыта, мин.;

V_к – объем катализатора, мл.

Результаты расчета заносят в таблицу 2.

Таблица2

№ п/п	nc, г-моль	nэ, г-моль	у	, ммоль/мин.	у
1. 2. 3. …

4. На основании экспериментальных данных строят график (рис. 2) в координатах « – у». Находят константы a и β уравнения Фроста-Баландина:

=a + β у, (5)

где a – постоянная, прямо пропорциональная общей поверхности катализатора и константе скорости поверхностной реакции;

β – постоянная, характеризующая адсорбционные коэффициенты вещества.

Ө tgӨ =β

a

у

Рис. 2. Графическая зависимость в координатах уравнения Фроста-Баландина

6. По значениям для различных температур Т₁ и Т₂, ⁰К вычисляют кажущуюся энергию активации реакции:

, кал. (6)

Литература

1. Белик В.В. Физическая и коллоидная химия. - М.: Академия, 2006.

2. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А. и др. Основы физической химии. Теория и задачи. – М: Издательство «Экзамен». 2005.

3. Шершавина А.А. Физическая и коллоидная химия. Методы физико-химического анализа: Учебное пособие / А.А. Шершавина.- М.: Новое знание, 2005.

4. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия.-М.: Высш.шк. 2001.

5. Гельфман М.И. Практикум по физической химии. – СПб.: Издательство «Лань». 2004.