Химическая кинетика. Химическое равновесие

Скорость химических реакций Химическая кинетика изучает химические реакции с точки зрения скорости их протекания. Скорость химической реакции измеряется изменением концентрации веществ, вступающих в реакцию или образующихся в результате реакции за единицу времени: D СМ                         V = ± ¾¾¾ (моль/(л·с)                              (1) Dt                                                    Скорость реакции не остается постоянной вследствие непрерывного изменения концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции и выражение (1) характеризует среднюю скорость в течение временного отрезка t. Истинная скорость реакции в данный момент времени выражается производной от концентрации по времени: d СМ V = ± ¾¾¾                                            (2) d t   Скорость химической реакции зависит: - от природы реагирующих веществ – описывается законом действия масс (законом Гульдберга-Вааге): при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции. Например, для реакции         аА + bB ® cC + dD   скорость реакции будет равна:  V = k · С A a · С B b                  (3) где k – константа скорости химической реакции, а и b – стехиометрические коэффициенты. При наличии в реакционной системе газовых фаз увеличение или уменьшение давления соответственно увеличивает или уменьшает концентрацию реагирующих веществ, что и определяет зависимость скорости реакции от давления. В случае гетерогенных реакций концентрации веществ, находящихся в твердой фазе представляют собой постоянную величину и в уравнение закона действия масс не включаются.   - от температуры – определяется правилом Вант-Гоффа: скорость реакции возрастает в 2-4 раза при повышении температуры системы на каждые 10 градусов: V 2 = V 1 · g ( t2 – t1 )/10                               (4) где V1 – скорость реакции при температуре t1; V2 – скорость реакции при температуре t2; g – температурный коэффициент (как правило, g = 2–4)

Химическое равновесие Необратимыми называют химические реакции, в результате которых исходные вещества практически полностью превращаются в продукты. Необратимые реакции могут протекать только в одном направлении, например: Zn + 4 HNO 3 = Zn (NO 3)2 + 2 NO 2 ↑ + 2 H 2 O. Обратимыми называют химические реакции, идущие одновременно в двух противоположных направлениях, в результате чего в реакционной смеси присутствуют как продукты реакции, так и исходные вещества: 2 SO 2 + O 2               2 SO 3 В тот момент, когда скорость прямой реакции (синтез продуктов) становится равной скорости обратной реакции (разложение продуктов с образованием исходных соединений), в системе устанавливается химическое равновесие. Количественной характеристикой химического равновесия является константа равновесия (К), представляющая собой отношение констант скорости прямой и обратной реакций. По значению константы равновесия можно судить о степени превращения исходных соединений в продукты реакции.   Для реакции      aA + bB            cC + dD                                                k 1   [C]c • [D]d                                     K = ¾¾ = ¾¾¾¾                    (5)                                       k 2   [A]a · [B]b   где k 1, k 2 – константы скорости прямой и обратной реакций; a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции; [A], [B], [C], [D] – равновесные молярные концентрации соединений A, B, C, D.   Влияние изменения условий на положение равновесия определяется принципом Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится: – при увеличении концентрации какого-либо вещества равновесие смещается в сторону расхода этого вещества; – при повышении температуры равновесие смещается в направлении эндотермической, а при понижении – экзотермической реакций; – при увеличении давления равновесие смещается в сторону уменьшения объема, а при понижении – в сторону увеличения объема системы. Принцип Ле-Шателье справедлив и для равновесных систем, не связанных с химическими превращениями (кипение, кристаллизация, растворение и т.д.).

Примеры решения задач

Пример 1

Определите среднюю скорость реакции СО + 2SО₃ = СS₂ + 4О₂, если через 40 секунд после начала реакции молярная концентрация сероуглерода составляла 0,22 моль/л, а через 90 секунд – 0,28 моль/л.

Дано: t1= 40 с. t2= 90 с. С1(СS2) = 0,22 моль/л С2(СS2) = 0,28 моль/л	Решение Для определения средней скорости реакции воспользуемся выражением:       С2– С1    0,28 – 0,22 Vср = ¾¾¾ = ¾¾¾¾¾ = 0,0012 (моль/(л•с)  t2– t1      90 – 40
Vср?

Ответ: V_ср = 0,0012 моль/(л·с)

Пример 2

При 25 ⁰С некоторая реакция заканчивается за 4 минуты. Вычислите, через какое время завершится данная реакция, если ее проводить при 45 ⁰С. Температурный коэффициент реакции равен 3.

Дано: t1= 4 мин. t 1 = 25 0С t 2 = 45 0С g =3	Решение Определим изменение скорости реакции при повышении температуры по формуле: V2     (t2–t1)/10    (45–25)/10 ¾¾ = g              = 3            = 32  = 9 V1 Так как скорость реакции обратно пропорциональна времени, то
t2  ?

t₁        4•60

t₂ = ¾¾ = ¾¾ = 26,7 (с)

9      9

Ответ: t₂ = 26,7 с.

Пример 3

При температуре 500 ⁰С в реакционном сосуде установилось равновесие НСНО Û Н₂ + СО. Вычислите константу равновесия, если начальная концентрация формальдегида НСНО равна 1 моль/л, а равновесная концентрация водорода Н₂ составляет 0,2 моль/л.

Дано: СНСНО = 1 моль/л [Н2]р = 0,2 моль/л	Решение Так как по уравнению реакции разложение 1 моля СНСНО приводит к образованию 1 моля Н2 и 1 моля СО, то при образовании 0,2 моля Н2 образуется 0,2 моля СО и расходуется 0,2 моля НСНО. Следовательно,
К?

равновесная концентрация формальдегида составит: [НСНО]р =1–0,2=0,8(моль/л), а равновесная концентрация оксида углерода (II): [СО]р = [Н₂]р = 0,2 (моль/л)

Константа равновесия составит:          [Н₂]р [СО]р    0,2х0,2

K = ¾¾¾¾¾¾  = ¾¾¾¾ = 0,05.

[НСНО]р           0,8

Ответ: K = 0,05.

Пример 4

При некоторой температуре константа равновесия реакции СO+С1₂ Û СOС1₂ равна 40. Равновесные концентрации СO и СOС1₂ равны соответственно 0,2 моль/л и 0,8 моль/л. Вычислите исходную концентрацию С1₂.

Дано: К = 40 [СО]р = 0,2 моль/л [СOС12]р = 0,8 моль/л	Решение Из выражения константы равновесия для данной реакции  СO + С12 Û СOС12:         [СOС12]р   К = ¾¾¾¾¾, [СO]р [С12]р
[С12]0?

определим равновесную концентрацию хлора [С1₂]_р:

[СOС1₂]_р     0,8

[С1₂]_р = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 0,1.

К [СO]_р  0,2 · 40

Исходная концентрация [С1₂]₀ складывается из количества хлора, вступившего в реакцию, и оставшегося в равновесной смеси: [С1₂]₀ = [С1₂]_р + D[С1₂].

По уравнению реакции при образовании 1 моля фосгена расходуется
1 моль хлора. Следовательно, при образовании 0,8 моль СOС1₂ было израсходовано 0,8 моль С1₂. Тогда      [С1₂]₀ = 0,1 + 0,8 = 0,9 (моль/л).

Ответ: [С1₂]₀ = 0,9 моль/л.

 

 

Модуль № 2

(задачи № 6, 7, 8, 9,10)

 

Таблица 6

Задача № 6. Тема «Способы выражения состава растворов»

№ пп

Условие задачи