Тема. Скорость химических реакций

 

Контрольные вопросы и задачи

1. Скорость химических реакций, отличие средней скорости от мгновенной.

2. Запишите математическое выражение закона действующих масс для химических реакций:

2А + В = А₂В

N₂ + O₂ = 2NO

CO₂ + C = 2CO

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃

3. Зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ, от температуры. Закон Вант-Гоффа, уравнение Аррениуса. Гомогенный и гетерогенный катализ. Примеры. Механизм действия катализатора. Энергия активации химической реакции.

4. Константа скорости реакции А + 2В = АВ₂ равна 2 10^-3 л/(моль с). Вычислите ее скорость в начальный момент, когда С_А = С_В = 0,4 моль/л и через некоторое время. К этому моменту концентрация вещества АВ₂ составила 0,1 моль/л.

5. Как изменится скорость химической реакции горения метана в кислороде, если концентрацию кислорода увеличить в 5 раз?

6. Химическая реакция протекает по уравнению А + В = С. В начальный момент времени С_А = 2,7 моль/л, С_В = 2,5 моль/л. Спустя 0,5 часа концентрация вещества А уменьшилась и стала равной С_А = 2,5 моль/л. Вычислите концентрацию веществ В и С к этому моменту и среднюю скорость в указанный промежуток времени.

7. Во сколько раз следует увеличить давление, чтобы скорость химической реакции 2NO₂ + O₂ = 2NO₂ увеличилась в 1000 раз?

8. Во сколько раз изменится скорость химической реакции при уменьшении температуры от 70 до 30⁰С, если температурный коэффициент равен 3.

9. На сколько градусов нужно повысить температуру, чтобы скорость химической реакции увеличилась в 81 раз? Температурный коэффициент скорости реакции равен 3?

10. Вычислить температурный коэффициент некоторой химической реакции, если при повышении температуры от 10 до 50⁰С скорость химической реакции увеличилась в 16 раз.

Примеры выполнения заданий

Пример 1. Напишите математическое выражение закона действующих масс для следующих химических реакций:

MgO(к) + SO2(г) = MgSO3(к);	(1)
CuO(к) + H2(г) = Cu(к) + H2O(г).	(2)

Решение. В математическом выражении закона действующих масс не учитывается участие веществ, находящихся в твердой и жидкой фазах. Поэтому зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ следует записать так:

V1= k C (SO2);

V2 = k C (H2).

Ответ. Для реакции (1) скорость зависит только от концентрации SО₂, для реакции (2) – только от концентрации Н₂.

Пример 2. Как изменится скорость химической реакции

4Al(к) + 3O₂(г) = 2Al₂O₃(к),

если концентрацию кислорода увеличить в 3 раза?

Решение

1. Записываем выражение зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ: V₁ = k [C (O₂)]³.

2. При увеличении концентрации кислорода в 3 раза и скорость химической реакции возрастает: V₂ = k [3C (O₂)]³.

3. Изменение скорости химической реакции равно

k [3C (O₂)]³

V₂/ V₁ = ¾¾¾¾¾¾¾¾ = 27

k [C (O₂)]³

Ответ. При увеличении концентрации кислорода в 3 раза скорость химической реакции увеличивается в 27 раз.

Пример 3. Как изменится скорость химической реакции

2Al(к) +3Cl₂(г) = 2AlCl₃(к)

при увеличении давления в 2 раза?

Решение.

1. Записываем выражение зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ: V₁= k [C (Cl₂)]³.

2. При увеличении давления в 2 раза концентрация хлора также увеличивается в 2 раза. Следовательно, V₂= k [2C (Cl₂)]³.

3. Изменение скорости химической реакции равно

k [2C (Cl₂)]³

V₂/ V₁ = ¾¾¾¾¾¾¾ = 8

k [C (Cl₂)]³

Ответ. При увеличении давления в 2 раза скорость данной химической реакции увеличивается в 8 раз.

Пример 4. Температурный коэффициент скорости химической реакции равен 2,5. Как изменится ее скорость а) при повышении температуры реакционной смеси от 60 до 100 ^оС; б) при понижении температуры от 50 до 30 ^оС.

Решение

1. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант - Гоффа. Его математическое выражение:

V₂ = V₁ γ ^{(t2 - t1) / 10}.

Следовательно, а) V₂/ V₁ = 2,5 ^{(100-60) / 10} = 2,5⁴ = 39,06;

б) V₂/ V₁ = 2,5 ^{(30-50) / 10} = 2,5^-2 = 1/ 6,25 = 0,16.

Ответ. При повышении температуры на 40^о скорость данной реакции увеличивается в 39,06 раза, при понижении температуры на 20^о скорость химической реакции уменьшается в 6,25 раза и составляет лишь 0,16 от скорости химической реакции при температуре 50 ^о С.

 

Тема. Химическое равновесие

Контрольные вопросы и задачи

1. Обратимые и необратимые химические реакции. Привести примеры. Основные признаки необратимости реакций. Ложное химическое равновесие.

2. Закон действующих масс для обратимых химических реакций. Физический смысл константы химического равновесия.

3. Запишите выражение для константы химического равновесия для следующих химических реакций:

3Fe(к) + 4H₂O(г) Fe₃O₄(к) + 4H₂(г)

CaO(к) + CO₂(г) CaCO₃(к)

Ca(к) + C(к) +3/2O₂(г) CaCO₃(к)

4. Принцип Ле - Шателье. Привести примеры.

5. Как влияет увеличение давления на смещение химического равновесия в следующих реакциях:

H₂(г) + J₂(г) 2HJ(г)

CO(г) + Cl₂(г) COCl₂(г)

2NO(г) + O₂(г) 2NO₂(г)

C(к) + CO₂(г) 2CO(г)

6. В направлении прямой или обратной реакции сместится химическое равновесие в следующих реакциях при понижении температуры:

2H₂S(г) + 3O₂(г) 2SO₂₍г) + 2H₂O(г) DH < 0

2N₂(г) + O₂(г) 2N₂O(г) DH > 0

2SO₂(г) + O₂(г) 2SO₃(г) + 192,74 кДж

N₂O₄(г) 2NO₂(г) - 54,47 кДж

7. Действием каких факторов можно сместить химическое равновесие в сторону прямой реакции:

C(к) + H₂O(г) CO(г) + H₂(г) - 129,89 кДж

N₂(г) + 3H₂(г) 2NH₃(г) DH < 0

8. Химическое равновесие в реакции 2SO₂(г) + O₂(г) = 2SO₃(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [SO₂] = 0,2 моль/л, [O₂] = 0,05 моль/л, [SO₃] = 0,09 моль/л. Как изменится скорость прямой реакции, скорость обратной реакции, если объем газовой смеси уменьшить в 3 раза?

9. Вычислите равновесную концентрацию водорода и хлора в химической реакции: H₂(г) + Cl₂(г) = 2HCl(г), если исходные концентрации С(H₂) = 0,5 моль/л, С (Сl₂) = 1,5 моль/л, а равновесная концентрация хлороводорода [HСl] = 0,8 моль/л. Вычислите константу химического равновесия.

10. При некоторой температуре состав равновесной смеси следующий: m(CO) = 11,2 г, m(Сl₂) = 14,2 г, m(COCl₂) = 19,8 г, ее объем 10 л. Вычислите константу равновесия химической реакции CO(г) + Cl₂(г) COCl₂(г)

Примеры выполнения заданий

Пример 1. Напишите математическое выражение для константы химического равновесия реакции Ca₃N₂(к) + 6H₂O(г) = 3Ca(OH)₂(к) + 2NH₃(г).

Решение. В математическом выражении для константы химического равновесия (закон действующих масс для обратимых реакций) не учитывается участие веществ в твердой и жидкой фазе. Следовательно,

[NH₃]²

Кс = ¾¾¾¾

[H₂O]⁶.

Ответ. Константу равновесия определяет отношение равновесных концентраций аммиака и воды, находящихся в газовой фазе.

Пример 2. Для реакции CoO(к) + CO(г) = Co(к) + CO₂(г) рассчитайте константу химического равновесия, если к моменту равновесия прореагировало 80 % СО, начальная концентрация СО равна 1,88 моль/ л.

Решение

1. Математическое выражение для константы химического равновесия Кс = [CO₂] /[CO].

2. Равновесные концентрации СО и СО₂. Равновесная концентрация СО будет меньше исходной (часть вещества – 80 % - вступила в химическую реакцию:

[СО] = С (СО)исх. – С (СО)прореаг. = 1,88 – (1,88· 80)/ 100 =

= 0,376 моль/ л.

Равновесная концентрация СО₂ равна:

[СО₂] = С (СО) прореаг.= (1,88 · 80)/ 100 =1,504 моль/ л.

3. В математическое выражение для константы химического равновесия подставляем значения равновесных концентраций СО и СО₂:

Кс = 1,504/ 0,376 = 4.

Ответ. Константа химического равновесия данной реакции равна 4; что свидетельствует о том, что в этот момент времени скорость прямой реакции в 4 раза выше скорости обратной реакции.

Пример 3. В какую сторону будет смещено химическое равновесие реакции 2NiO(к) + CO₂(г) + H₂O(г) = (NiOH)₂CO₃(к) DH^o< 0

а) при увеличении давления, б) при увеличении температуры? Предложите оптимальное изменение термодинамических параметров Т и Р для увеличения выхода продукта реакции.

Решение

1. В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение давления смещает равновесие химической реакции в направлении, которое сопровождается уменьшением объема реакционной системы. При увеличении давления равновесие данной реакции сдвигается вправо (скорость прямой реакции выше, чем обратной).

2. В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение температуры смещает химическое равновесие в сторону эндотермической реакции. Следовательно, при увеличении температуры равновесие данной реакции смещается влево (скорость обратной реакции выше, чем прямой).

3. Для увеличения выхода продукта химической реакции образования гидроксокарбоната никеля (II) следует увеличить давление и уменьшить температуру.

Пример 4. Напишите выражение для константы химического равновесия реакции:

MgО(к) + H₂(г) = Mg(к) + H₂O(ж).

Влияет ли повышение давления на смещение химического равновесия?

Решение. Для гетерогенных реакций в выражении для скорости.