Краткий очерк о развитии учения

О СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Первые кинетические исследования с измерением скоростей химических реакций выполнили немецкий физик и химик Людвиг Вильгельми (гидролиз тростникового сахара, 1850), французские химики Марселен Бертло и Леон Пеанде Сен-Жиль (этерификация, 1862) и английские химики Вернон Гаркур и Уильям Эссон (окисление щавелевой кислоты перманганатом калия, 1866).

Норвежские физикохимики Като Гульдберг и Петер Вааге сформулировали закон действующих масс (1862-67); шведский физикохимик Сванте Август Аррениус (1889) обосновал роль активных молекул в химической реакции и сформулировал закон температурной зависимости константы скорости простых реакций.

Голландский химик Якоб Вант-Гофф получил формулы, описывающие протекание моно-, би- и тримолекулярных реакций и обобщил экспериментальные данные в первой монографии по химической кинетике (1884).

Русский химик Николай Александрович Меншуткин в 70-х годах XIX в. выполнил серию исследований по влиянию среды и строения молекул на скорость реакции этерификации и, как уже сообщалось, ввёл в отечественную литературу термин "химическая кинетика".

Физикохимики американец Генри Эйринг и англичанин Майкл Поляни разработали теорию активированного комплекса. Представление о важной роли промежуточных продуктов в протекании сложных реакций вошли в химическую кинетику одновременно с пероксидной теорией окисления Энглера-Баха (1897) и теорией сопряжённых реакций окисления Лютера-Шилова (1903), (Карл Освальд Энглер – немецкий химик-органик, Александр Николаевич Бах – российский биохимик, Николай Александрович Шилов – российский физикохимик).

Цепные неразветвлённые реакции были открыты немецким физикохимиком Максом Боденштейном (1913). Шведский физикохимик Христиансен Бекстрём показал (1926), что ингибиторы тормозят эти реакции, обрывая цепи. Цепные разветвлённые реакции были исследованы (1926-28) русским физиком и химиком, единственным россиянином – лауреатом Нобелевской премии по химии (1956) Николаем Николаевичем Семёновым и английским физикохимиком Сирилом Хиншелвудом.

Лауреат Нобелевской Премии академик Николай Николаевич Семёнов (1896-1986)	Н.Н.Семёнов создал общую количественную теорию ценных реакций (1934). Разработал теорию теплового взрыва газовых смесей. Н.Н. Семёнов являлся основателем и бессменным руководителем кафедры химической кинетики на химическом факультете Московского госуниверситета им. М.В.Ломоносова.

Важный вклад в развитие кинетики цепных реакций внесли российские физикохимики Виктор Николаевич Кондратьев, Владимир Владиславович Воедводский, Николай Маркович Эммануэль и армянский физикохимик Арам Багдатович Налбандян.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

 

1. Ниже указаны направления смещений равновесий химических процессов при изменении температуры:

 

а) 2H_{2 (r)} + O_{2 (r)} ← 2Н₂О_(r) (температура повышается);

б) 3H_{2 (r)} + N_{2 (r)} → 2NН_3(r) (температура понижается);

в) СаСО_3(т) → СаО_(т) + СО_2(r) (температура повышается).

Укажите знаки тепловых эффектов и изменения энтальпий для прямых реакций этих процессов.

Составьте выражения для констант этих равновесий.

 

2. Как влияет изменение давления на равновесие в системах:

 

а) H_{2 (r)} + Сl_{2 (г)} 2НСl _(r);

б) СН_{4 (г)} + 2О_{2 (г)} СО_{2 (г)} + 2Н₂О_(г);

в) 2H_{2 (r)} + O_{2 (r)} 2Н₂О_(r).

Напишите выражения для констант этих равновесий.

 

3. Как влияет изменение давления на равновесие в системах:

 

а) Fe₂О_{3 (т)} + 3Н_{2 (г)} 2Fe _(т) + 3Н₂О _(г);

б) Н₂О _(ж) Н₂О _(г);

в) СuО _(т) + СО _(г) Сu _(т) + СО_{2 (г)}.

Составьте выражения для констант этих равновесий.

 

4. Как влияет изменение давления на равновесие в системах:

 

а) 2ZnS _(т) + 3О_{2 (r)} 2ZnО _(т) + 2SО_{2 (r)};

б) 3H_{2 (r)} + N_{2 (r)} 2NН_3(r).

Напишите выражения для констант этих равновесий.

 

5. Как влияет изменение давления на равновесие в системах:

 

а) 2SО_{2 (г)} + О_{2 (г)} 2SО_{3 (г)};

б) 3NО_{2 (г)} + Н₂О _(ж) 2НNО_{3 (ж)} + NО _(г).

 

6. Как повлияет уменьшение давления на равновесие в системах:

 

а) N₂O_{4 (r)} 2NO_2(r);

б) 2NО_(r) + О_2(r) 2NO_2(r);

в) FеО_(т) + СО _(г) Fе_(т) + СО_{2 (г)}.

 

7. Начальные концентрации газообразных оксида углерода и хлора в системе СО + Сl₂ СОСl₂ были равны 0,3 и 0,2 моль/л соответственно. Как изменится ско­рость прямой реакции, если концентрацию оксида углерода повысить до 0,6 моль/л, а хлора – до 1,2 моль/л?

 

8. Составьте кинетическое уравнение для реакции 2NO + O₂ 2NO₂, протекающей в газовой фазе, и укажите, как изменит­ся её скорость при уменьшении объёма системы в 2 раза.

 

9. Как следует изменить давление в системах:

а) СО _(г) + Н₂О _(г) СО_{2 (г)} + Н_2(г);

б) Н_{2 (г)} + I_{2 (г)} 2НI _(г)

чтобы скорость прямых реакций увеличилась соответственно в 36 и 16 раз?

 

10. Если объём газовой смеси уменьшить в 3 раза, то, как изменятся при этом скорости прямой и обратной реакций в системе:

 

а) СО + Сl₂ COCl₂;

б) 2SО₂ + О₂ 2SО₃.

и как это скажется на состоянии химического равновесия?

 

11. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций и как повлияет на состояние химического равновесия увеличение давления в 3 раза в системах:

а) N₂ + 3Н₂ 2NН₃;

б) Н₂ + Сl₂ 2НСl.

 

12. Составьте кинетическое уравнение для реакции 2SO₂ + O₂ 2SO₃, протекающей в газовой фазе.

 

13. Составьте кинетические уравнения для гомогенных реакций:

 

а) 2A + 3B A₂B₃;

б) N₂O₄ 2NO₂.

 

14. Каков физический смысл константы скорости химической реакции?

 

15. Составьте кинетические уравнения для прямой и обратной реакций, протекающих в газообразных системах:

 

а) N₂ + O₂ 2NO;

б) СО + Cl₂ COCl₂;

в) N₂ + 3H₂ 2NH₃.

Как изменятся скорости этих реакций, если:

а) уменьшить концентрацию каждого из реагирующих веществ в 2 раза;

б) увеличить давление в каждой системе в 3 раза.

 

16. Составьте выражение для константы равновесия обратимой реакции СО_2(г)+ С_(т) 2СО_(г).

Как изменится скорость прямой реакции, если концентрацию оксида углерода(IV) уменьшить в 4 раза?

Как следует изменить давление в системе, чтобы повысить выход оксида углерода(II)?

 

17. Образование фосгена осуществлялось в закупоренном сосуде при 22 ⁰С согласно уравнению реакции СО + Сl₂ СОСl₂ с начальными концентрациями исходных веществ, равными 2·10^–3 моль/л.

Определите концентрации реагирующих газообразных веществ и константу данного химического равновесия, зная, что в реакцию вступила половина оксида углерода.

 

18. Как изменится скорость химической реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры в системе на 30 ⁰С, если температурный коэффициент её скорости равен 3?

 

19. Дайте определения понятиям "катализ" и "катализатор".

 

20. При нормальных условиях две химические реакции протекают с одинаковой скоростью (γ₁=3, γ₂=4). Как будут относится скорости прямой и обратной реакций при температуре 313 К?

 

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Химическая кинетика

 

1. Гомогенной является реакция ….

1) СаСО_{3 (т)} + 2НСl _(р) = СаСl_{2 (р)} + Н₂О _(ж) + СО_{2 (г)}

2) 2SО_{2 (г)} + О_{2 (г)} = 2SО_{3 (г)}

3) S _(т) + О_{2 (г)} = SО_{2 (г)}

4) С _(т) + СО_{2 (г)} = 2СО _(г)

 

2. Гетерогенной является реакция ….

1) Zn _(т) + Н₂О _(г) = ZnО _(т) + Н_{2 (г)}

2) Н_{2 (г)} + I_{2 (г)} = 2НI _(г)

3) 4НСl _(г) + О_{2 (г)} = 2Сl_{2 (г)} + 2Н₂О _(г)

4) 2Н₂О _(г) = 2Н_{2 (г)} + О_{2 (г)}

 

3. Увеличение скорости химической реакции при повышении температуры обусловлено увеличением ….

1) энергии активации

2) числа активных молекул

3) общего числа молекул

4) объёма системы

 

4. При увеличении концентрации вещества А в 2 раза и уменьшении концентрации вещества В в 2 раза скорость реакции 2А + В = 2АВ ….

1) возрастёт в 2 раза 2) возрастёт в 4 раза

3) уменьшится в 2 раза 4) не изменится

 

5. На каталитический характер химической реакции указывает увеличение интенсивности ….

1) горения угля при его измельчении

2) горения фосфора при внесении его в атмосферу кислорода

3) разложения пероксида водорода в присутствии оксида марганца(IV)

4) горения серы при подаче кислорода

 

6. Скорость реакции А _(г) + В _(т) = АВ _(г) определяется кинетическим уравнением ….

 

1) υ = k · с _А 2) υ = k · с _В

3) υ = k · с _АВ 4) υ = k · с _А · с _В

 

 

7. Для увеличения скорости реакции 2NО + О₂ = 2NО₂, протекающей в газовой фазе, в тысячу раз давление в системе необходимо увеличить в … раз.

1) 5 2) 10 3) 15 4) 20

 

8. Константа скорости химической реакции – это ….

1) средняя скорость движения реагирующих веществ в газообразном

состоянии

2) число соударений реагирующих частиц за единицу времени в

единице объёма

3) скорость реакции при равных концентрациях реагирующих веществ

4) скорость реакции при единичных концентрациях реагирующих

веществ

 

9. К изменению константы скорости химической реакции может привести изменение ….

1) давления или объёма системы

2) температуры системы

3) концентрации исходных веществ

4) концентрации конечных веществ

 

10. Если при неизменной температуре концентрацию водорода в системе N_{2 (г)} + 3Н_{2 (г)} 2NН_{3 (г)} увеличить в 3 раза, то скорость синтеза аммиака ….

 

1) увеличится в 3 раза 2) уменьшится в 3 раза

3) увеличится в 27 раз 4) увеличится в 9 раз

 

11. Если при температуре 25 ⁰С давление в системе

 

FеО_(т) + СО_(г) Fе_(т) + СО_{2 (г)}

увеличить в 2 раза, то скорость восстановления оксида железа ….

1) увеличится в 2 раза 2) уменьшится в 2 раза

3) увеличится в 4 раза 4) уменьшится в 4 раза

 

12. Если, не изменяя температуру, давление в системе

 

СО _(г) + Н_{2 (г)} С _(т) + Н₂О _(г)

уменьшить в 4 раза, то скорость обратной реакции ….

1) не изменится 2) уменьшится в 4 раза

3) увеличится в 4 раза 4) уменьшится в 16 раз

 

13. Для увеличения скорости разложения оксида углерода согласно уравнению реакции 2СО _(г) = СО_{2 (г)} + С _(т) в 9 раз его концентрацию необходимо увеличить в … раза, (раз).

 

1) 1,5 2) 2 3) 3 4) 6

 

14. Значения температурных коэффициентов скоростей большинства химических реакций находятся в пределах ….

1) 1 – 9 2) 2 – 4 3) 2 – 6 4) 1 – 6

 

15. Если температурный коэффициент скорости химической реакции равен 3, то её скорость при повышении температуры на 20 К ….

1) уменьшится в 3 раза 2) увеличится в 9 раз

3) уменьшится в 6 раза 4) увеличится в 6 раз

 

 

7.2. Химическое равновесие"

 

1. Константа равновесия изменяется при ….

1) изменении давления в системе

2) изменении температуры в системе

3) введении катализатора в систему

4) изменении концентрации реагирующих веществ

 

2. Равновесие смещается влево при понижении температуры в системах …

1) С _(т) + Н₂О _(г) СО _(г) + Н_{2 (г)}, DН = 131,4 кДж

2) Н_{2 (г)} + Сl_{2 (г)} 2НСl _(г), DН = –175,7 кДж

3) РСl_{5 (г)} РСl_{3 (г)} + Сl_{2 (г)} + Q

4) СО _(г) + Сl_{2 (г)} СОСl_{2 (г)} – 109,6 кДж

 

3. Понижение температуры вызывает смещение химического равновесия вправо в системах ….

1) СО _(г) + Н₂О _(г) Н_{2 (г)} + СО_{2 (г)}, DН = 0,8 кДж

2) С _(т) + СО_{2 (г)} 2СО _(г), DН = 130,5 кДж

3) 4НСl _(г) + О_{2 (г)} 2Н₂О _(г) + 2Сl_{2 (г)} + 117,2 кДж

4) Н_{2 (г)} + I_{2 (г)} 2НI _(г) + Q

 

4. Увеличение давления практически не влияет на химическое равновесие в системе ….

1) 2SО_{2 (г)} + О_{2 (г)} 2SО_{3 (г)}

2) N_{2 (г)} + 3Н_{2 (г)} 2NН_{3 (г)}

3) FеО _(т) + СО _(г) Fе _(т) + СО_{2 (г)}

4) 3NО_{2 (г)} + Н₂О _(ж) 2НNО_{3 (ж)} + NО _(г)

 

5. Химическое равновесие смещается вправо при увеличение давления в системе ….

1) 2NО _(г) + О_{2 (г)} 2NО_{2 (г)}

2) 2Н₂О _(г) 2Н_{2 (г)} + О_{2 (г)}

3) N₂О_{4 (г)} 2NО_{2 (г)}

4) СаСО_{3 (т)} СаО _(т) + СО_{2 (г)}

 

6. Химическое равновесие в системе 2СО _(г) + О_{2 (г)} 2СО_{2 (г)} (DН < 0) смещается влево при ….

 

1) понижение температуры 2) увеличении давления

3) введении катализатора 4) уменьшении давления

 

7. Фактором, способствующим смещению химического равновесия вправо в системе СаСО_{3 (т)} СаО _(т) + СО_{2 (г)} – Q, является ….

 

1) повышение температуры в системе

2) увеличение давления в системе

3) введение катализатора в систему

4) увеличение концентрации оксида углерода

 

8. Смещение химического равновесия влево в системе

 

Н_{2 (г)} + Сl_{2 (г)} 2НСl _(г) (DН < 0)

 

вызывает ….

1) повышение температуры 2) понижение температуры

3) введение катализатора 4) увеличение давления

 

9. Повышение выхода оксида углерода(II), получаемого согласно уравнению обратимой реакции

 

СО_{2 (г)} + Н_{2 (г)} СО _(г) + Н₂О _(г),

 

вызывает ….

1) увеличение давления в системе

2) уменьшение объёма системы

3) увеличение концентрации водорода

4) подача оксида углерода(IV)

 

10. Разложение пиролюзита, происходящего согласно уравнению реакции

 

4МnО_{2 (т)} 2Мn₂О_{3 (т)} + О_{2 (г)} (DН = 229,3 кДж),

 

подавляется при ….

1) повышении температуры 2) увеличении давления

3) введении катализатора 4) уменьшении объёма

11. Для повышения выхода негашёной извести (пушонки), получаемой согласно уравнению обратимой реакции

 

СаСО_{3 (т)} СаО _(т) + СО_{2 (г)} (DН > 0),

 

необходимо ….

1) понизить температуру 2) уменьшить давление

3) повысить температуру 4) увеличить давление

12. Для смещения химического равновесия влево в системе

 

SО_{2 (г)} + Сl_{2 (г)} SО₂Сl_{2 (г)} (DН < 0)

 

необходимо ….

1) понизить температуру в системе

2) уменьшить давление в системе

3) увеличить концентрацию хлора

4) увеличить концентрацию диоксида серы

13. Для повышения эффективности разложения нитрата свинца согласно уравнению реакции

 

2Рb(NО₃)₂ = 2РbО + 4NО₂ ↑ + О₂ ↑ (DН > 0)

 

следует ….

1) понизить температуру 2) уменьшить давление

3) увеличить давление 4) повысить температуру

14. Для повышения выхода аммиака согласно уравнению реакции

 

N_{2 (г)} + 3Н_{2 (г)} 2NН_{3 (г)} (DН < 0)

 

следует ….

1) повысить температуру в системе

2) увеличить давление в системе

3) уменьшить концентрацию азота

4) уменьшить концентрацию водорода

15. Для повышения эффективности окисления азота согласно уравнению реакции

N_{2 (г)} + О_{2 (г)} 2NО _(г) (DН = 180 кДж)

 

следует ….

 

1) повысить температуру 2) увеличить давление

3) понизить температуру 4) уменьшить давление

ОТВЕТЫ НА ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Раздела 7.1. "Химическая кинетика"

1.2; 2.1; 3.2; 4.1; 5.3; 6.1; 7.2; 8.4; 9.2; 10.3; 11.1; 12.2; 13.3; 14.2; 15.2.

 

Раздела 7.2. "Химическое равновесие"

1.2; 2.1 и 2.4; 3.3 и 3.4; 4.3; 5.1; 6.4; 7.1; 8.1; 9.3 и 9.4; 10.2 и 10.4; 11.2 и 11.3; 12.2; 13.2 и 13.4; 14.2; 15.1.
9. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

"СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ"

Цель работы

Изучение влияния некоторых факторов на скорость химических реакций и смещение химического равновесия вследствие изменения концентрации реагирующих веществ.

 

Оборудование

1. Три стакана ёмкостью 50 мл.

2. Шесть пробирок объёмом 20 мл.

3. Два мерных цилиндра объёмом 25 мл.

4. Секундомер.

5. Термометр.

6. Технохимические весы.

 

Реактивы