第2章化学反应动力学基础试题.ppt

研究意义： 研究米饭大规模生产加工所采用的蒸汽蒸煮的动力 学，可为方便米饭生产工艺的改进( 例如控制蒸汽 输入、免淘洗米不浸泡式蒸煮等) 提供理论支持， 进而可在设计改造蒸汽蒸煮设备、控制方便米饭生 产成本和提高方便米饭食味品质等方面提供帮助。 本实验以福临门水晶米为原料，研究了方便米饭 所需的浸泡时间、加水量和蒸煮时间; 同时，研究 了蒸汽蒸煮过程中浸泡米和不浸泡米的蒸汽蒸煮动 力学，并对其进行了一定的理论探讨。 1 蒸煮动力学理论 米饭蒸煮动力学理论见Chakkaravarthi 等 著作的描述———在一级动力学反应方程中， 反应速率可被表示为: 对方程( 1) 两边进行积分，积分限从“cA0”到 “cA”，对应的时间从“0”到“t”，可得 其中: cA是参考指标A 在任意时刻 t 时的浓度， cA0是A 的起始浓度。 如果米饭的蒸汽蒸煮过程可被描述为在加热 条件下大米组分与水分发生相互作用的过程， 则在蒸煮过程中任意时刻米饭的水分含量可作 为反映米饭蒸煮程度( 或者说反应程度) 的一 个指标。则方程( 1)可表示蒸汽蒸煮过程中大 米水分的吸收过程, 这其中只有米饭水分含量 的变化。当方程( 2) 中米饭水分含量以水分所 占的百分率表示时，方程可被表示为: 其中: Mt 为大米蒸煮过程中任意时刻 t 时的水 分含量，M0为大米蒸煮起始时的水分含量，Mf 为蒸煮米饭最终水分含量，k为米饭蒸汽蒸煮的 蒸煮速率常数。 在此项研究中，由于米饭蒸汽蒸煮速率符合一 级动力学反应方程，用方程( 3) 来研究米饭蒸汽 蒸煮过程的动力学，不仅简洁，而且也适合用 来监测蒸汽蒸煮过程米饭水分吸收的情况，进 而来反映米饭在蒸煮过程中蒸煮程度的变化。 2. 原料与仪器 原料: 福临门水晶米( 盘锦原粮) ，市购，中粮集 团出品，水分含量为15. 31%，购回后储藏在4℃ 的冰箱中。 主要仪器: 蒸汽蒸煮器( 由小型灭菌锅改造) ，电 子天平，恒温水浴锅，烘箱，电炉，热电偶测温 系统，PP 加厚型饭盒( 南京雨润集团提供) ，称 量瓶，有盖培养皿，吸水滤纸。 3.结论 ( 1) 针对本研究所用的大米，实验得到的前期生 产条件为: 在20℃的自来水中浸泡约1 h 可充分吸 水; 做200 g 米饭所需的加米量和加水量分别约为 75g 和125 g; 用平行玻璃板法可快速判断米饭最终 蒸煮点，并且在常温常压蒸汽蒸煮条件下，浸泡 米和不浸泡米基本煮熟的时间分别约为18 min 和 26 min。 ( 2) 对方便米饭蒸汽蒸煮动力学进行研究表明，浸 泡米和不浸泡米的蒸汽蒸煮过程和其电饭煲蒸煮过 程一样都符合一级动力学反应方程，且各自的蒸煮 速率常数大小不同，并且不浸泡米在两种蒸煮方式 下各阶段的蒸煮速率常数相差很大，这可能是由于 两种蒸煮方式下米－ 水体系的升温速率不一致所 导致。 由此可进一步推断，通过调节蒸汽输入控制升 温速率来进行免淘洗米不浸泡式蒸汽蒸煮生产方便 米饭具有一定的可行性，这种生产方式可能在控制 方便米饭生产成本和提高方便米饭食味品质等方面 具有一定的优势。 2 具体例子分析 例1. 3ClO- = ClO-3 +2Cl- 实验测定其反应动力学方程为 r = k [ClO-]2 ，实验 又发现反应过程中有ClO2-存在，而且向次氯酸盐 加入亚氯酸盐反应很快，由于三分子反应几率很 小，可推测为2个连续的双分子反应组成，反应级 数少于计量系数，这就可能在速率控制步骤后ClO- 参与反应，因此可拟定如下历程： 2ClO-→ClO-2 + Cl- （速率控制步骤） ClO-2 + ClO-→ClO-3 + Cl- （快） 例2. CH3COCH3+Br2 [H+] CH3COCH2Br + HBr 实验测得动力学方程为 r = k [CH3COCH3][H+]，从 实验事实看出，反应对H+为一级，而计量系数H+ 为零，这可推断H+为催化剂，H+参与反应而在随 后快反应中再生，反应对Br2为零级，表明Br2对 反应速率无影响，这要求Br2在速率控制步骤后参 加反应，再由其它实验事实知，丙酮之烯醇化是 速率控制步骤，可拟定如下历程： CH3COCH3 + H+ ＝（CH3)2C+OH （快） （CH3)2C+OH k2 CH3COH=CH2 + H+ （速控步骤） CH3COH =CH2 + Br2 k3 CH3COCH2Br （快） 此历程符合上面实验速率方程 r = k2k3[CH3COCH3][H+] = k [CH3COC