Скорость химической реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ в степени их стехиометрических коэффициентов.

Для химической реакции

 mA+nB=D

V=K[A]^m[B]ⁿ (основное кинетическое уравнение)

Где [A] и [B] – концентрация веществ

m и n – стехиометрические коэффициенты

К – константа скорости.

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант – Гоффа, которое гласит:

При повышении температуры на 10⁰С скорость реакции возрастает в 2-4 раза.

V_t1 – скорость химической реакции до изменения температур

V_t2 - скорость химической реакции после изменения температур

t₁ t₂ – температура

- температурный коэффициент.

 

В зависимости от природы реагентов и условий протекания химического процесса различают:

необратимые

KClO₃®KCl+O₂↑

 

и обратимые реакции

NH₄Cl↔NH₃+HCl

 

В обратимых реакциях наступает момент, когда скорость прямой реакции становится равна скорости обратной реакции, то есть

K₁[NH₄Cl]=K₂[NH₃][HCl] такое состояние системы называют химическим равновесием.

При постоянной температуре отношения скоростей прямой и обратной реакции представляют собой постоянную величину, называемую константой равновесия.

Для обратимой реакции при данной температуре, отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакций к произведению концентраций исходных веществ, возведенных в степень их стехиометрических коэффициентов, есть величина постоянная, называемая константой равновесия.

Для реакции аА+вВ«сС+дД

 

N₂+3H₂®2NH₃

 

 

[NH₃], [N₂], [H₂] – равновесные концентрации

 

7.2.При изменении внешних условий (температуры, давления, концентрации) нарушается равновесие, называемое смещением или сдвигом равновесия.

Направление, в котором происходит смещение, определяется принципом Ле – Шателье.

Изменение внешних условий вызывает смещение равновесия в направлении реакции, противодействующей произведенному измерению.

Если на систему, находящуюся в равновесии производится внешнее воздействие (изменение С, Т, Р), то в системе развиваются процессы, уменьшающие внешние воздействия.

 

Внешнее воздействие	Увеличение концентрации	Увеличение температуры	Увеличение давления
Смещение равновесия	В сторону уменьшения концентрации	В сторону эндотерми-ческой реакции	В сторону образования меньшего количества молекул

 

Пример:

2CO+O₂«2CO₂

∆H= -568 кДж/моль

                   Прямая реакция экзотермическая

                          Обратная реакция эндотермическая

 

Условия смещения равновесия в стороны продукта:

1. Увеличение концентрации O₂

2. Увеличение давления

3. Понижение температуры.

 

Примеры решения задач.

Пример1. Как изменится скорость реакции 2Н₂+О₂=2Н₂О при увеличении концентрации водорода в 2 раза.

V₁=K₁[H₂]²[O₂]

V₂=K₂[H₂]²[O₂]

[O₂] не изменилось, К – не зависит от концентрации следовательно отношение скорости V₂ (с изменением [Н₂]) к V₁ – начальной скорости, имеет вид:

 

то есть скорость реакции возрастает в 4 раза.

 

Пример2. При 80⁰С некоторая реакция заканчивается за 16 минут. Сколько потребуется времени для проведения той же реакции при 120⁰С. Температурный коэффициент реакции =2.

Решение: в соответствии с правилом Вант – Гоффа.

 

                                     ;

 

отсюда

 

 

Таким образом, скорость реакции при повышении температуры от 80 до 120⁰С возрастает в 16 раз, следовательно, для проведения реакции потребуется в 16 раз меньше времени, то есть 1 минута.

 

Пример 3. Равновесие реакции H₂+J₂↔2HJ установилось при следующих концентрациях [H₂]=0.5 моль/л, [J₂]=0.1 моль/л, [HJ]=1.8 моль/л. Определите исходные концентрации йода и водорода и константу химического равновесия.

Решение: Из уравнения реакции следует, что к моменту равновесия израсходовано 0,9 моль/л водорода и столько же йода. Следовательно, исходная концентрация водорода составляла 0,5+0,9=1,4 моль/л, а исходная концентрация йода 0,1+0,9=1 моль/л

 

Пример 4. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

РСl₅(г)=РС1з(г)+С1₂(г); ∆Н = +92,59 кДж.

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) кон­центрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой ре­акции — РС1₅?

Решение. Смещением или сдвигом химического равно­весия называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, оп­ределяется по принципу Ле-Шателье: а) так как реакция разложения PC1₅ эндотермическая (∆H>0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить тем­пературу; б) так как в данной системе разложение РС1₅ ве­дет к увеличению объема (из одной молекулы газа образу­ются две газообразные молекулы), то для смещения равно­весия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещения равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации РСl₅, так и умень­шением концентрации РС1₃ или С1₂.

 

Задания для контрольной работы

121. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравне­ниям:

а) S(к)+O₂=SO₂(к); б) 2SO₂(r)+O₂=2SO₃(r).

Как изменятся скорости этих реакций, если объемы каж­дой из систем уменьшить в четыре раза?

122. Напишите выражение для константы равновесия го­могенной системы N₂+3H₂= 2NH3. Как изменится скорость прямой реакции — образования аммиака, если увеличить кон­центрацию водорода в три раза?

123. Реакция идет по уравнению N₂+ O₂=2NO. Концентра­ции исходных веществ до начала реакций были: [N₂] =0,049 моль/л; [O₂]=0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент, когда [NO] =0,005 моль/л. Ответ: [N₂] =0,0465 моль/л; [О₂] =0,0075 моль/л.

124. Реакция идет по уравнению N₂+3H₂=2NH₃. Концент­рации участвующих в ней веществ были: [N₂]=0,80 моль/л; [Н₂] =1,5 моль/л; [NH₃]=0,10 моль/л. Вычислите концент­рацию водорода и аммиака, когда [N₂]= 0,5 моль/л. Ответ: [NH₃]=0,70 моль/л; [Н₂]=0,60 моль/л.

125. Реакция идет по уравнению H₂+J₂=2HJ. Константа скорости этой реакции при некоторой температуре равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ: [H₂]  =0,04 моль/л; [J₂]=0.05 моль/л. Вычислите начальную ско­рость реакции и ее скорость, когда [Н₂]=0,03 моль/л. Ответ: 3,2*10^-4; 1.92 *10^-4

126. Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реак­ции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру

 от 120 до 80° С. Температурный коэффициент скорости реак­ции 3.

127. Как изменится скорость реакции, протекающей в га­зовой фазе, при повышении температуры на 60° С, если тем­пературный коэффициент скорости данной реакции 2?

128. В гомогенной системе CO+ С1₂=СОС1₂ равновесные концентрации реагирующих   веществ: [СО] =0,2 моль/л; [C1₂]=O,3 моль/л; [СОСl₂] = 1,2 моль/л. Вычислите констан­ту равновесия системы и исходные концентрации хлора и СО. Ответ: К=20; [Сl₂]_исх=1,5 моль/л; [СО]_исх,= 1,4 моль/л.

129. В гомогенной системе А+2В=С равновесные концент­рации реагирующих газов: [А] =0,06 моль/л; [В] =0,12 моль/л; [С] =0,216 моль/л. Вычислите константу равновесня системы и исходные концентрации веществ А к В. Ответ: K=2,5; [А]_исх=0,276 моль/л; [B]_исх=0,552 моль/л.

 130. В гомогенной газовой системе A+B=C+D равновесие установилось при концентрациях: [В] =0,05 моль/л и [С] =0,02 моль/л. Константа равновесия системы равна 0,04. Вычислите исходные концентрации веществ А и В. Ответ: [A]_исх=0,22 моль/л; [B]_исх=0,07 моль/л.

131. Константа скорости реакции разложения

N₂O, проте­кающей по уравнению 2N₂O=2N₂+O₂, равна 5-10⁴: Началь­ная концентрация N₂O=6,0 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда разложится 50% N₂O. Ответ: 1,8-10~²; 4,5-10~³.

132. Напишите выражение для константы равновесия гете­рогенной системы СО₂+С=2СО. Как изменится скорость прямой реакции — образования СО, если концентрация СО₂ уменьшится в 4 раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

133. Напишите выражение для константы равновесия гете­рогенной системы С+Н₂О(г)=СО+Н₂. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сто­рону обратной реакции — образования водяных паров?

134. Равновесие гомогенной системы:

4НС1 (г)+О₂=2Н₂О (г) +2С1₂ (г)

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ [H₂O]_p =0,14 моль/л; [С1₂]р=0,14 моль/л; [НС1]_Р=0,20 моль/л; [О₂]р=0,32 моль/л. Вычислите исходные кон­центрации хлороводорода и кислорода. Ответ: [HCl]_исх =0,48 моль/л; [О₂]_Исх=0,39 моль/л.

135. Вычислите константу равновесия для гомогенной сис­темы:

СО(г)+Н₂О(г)=СО₂(г)+Н₂(г).

если равновесные концентрации реагирующих веществ: [CO]p=0,004 моль/л; [H₂O]_P=0,064 моль/л; [СО₂]_Р= 0,016 моль/л; [H₂]_Р=0,016 моль/л. Чему равны исходные концентрации  воды и СО? Ответ: K=l; [H₂O]_исх =0,08 моль/л; [CO]_исх=0,02 моль/л.

136. Константа равновесия гомогенной системы:

СО (г) +H₂O(r)=CO₂+ Н₂(г)

при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, &ли исходные кон­центрации: [СО]_исх=0,10 моль/л; [Н₂О]исх=0,40 моль/л. Ответ: [СО₂]р=[Н₂]_р = 0,08 моль/л; [Н₂О]_Р=0.32 моль/л; [СО]р=0.02 моль/л.

137. Константа равновесия гомогенной системы N₂+3H₂=2NH₃ при некоторой температуре равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концент­рацию азота. Ответ: [N₂]_P=8 моль/л; [N₂]_исх=8,04 моль/л.

138. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы 2NO+O₂=2NO₂ установилось при следующих кон­центрациях реагирующих веществ: [NO]_p=0,2 моль/л; [О₂]р=0,1 моль/л; [NO₂]p=0,l моль/л. Вычислите констан­ту равновесия и исходную концентрацию NО и О₂. Ответ: К=2.5; [NO]_ИСХ=0,3 моль/л; [O₂]_ИСХ=0,15 моль/л.

139. Почему при изменении давления смещается равновесие системы N₂+3H2=2NH₃ и не смещается равновесие системы N₂+O₂=2NO? Ответ мотивируйте на основании расчета ско­рости и обратной реакции в этих системах до и после изме­нения давления. Напишите выражения для констант равнове­сия каждой из данных систем.

140. Исходные концентрации [NO]_исх и [Сl₂]_исх в гомоген­ной системе 2NO+CI₂=2NOCl составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к мо­менту наступления равновесия прореагировало 20% NO. От­вет: 0,416.

 

КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ.

8.1.Коллоидные растворы – гетерогенные системы, состоящие из двух фаз, между которыми имеется поверхность раздела, самопроизвольно не возникают, требуют затраты энергии.

Дисперсные системы.

 

Коллоидные растворы образуют систему, в которой вещество называется дисперсной фазой, а среда (растворитель) – дисперсной средой.

 

Существуют два способа получения коллоидных растворов:

Дисперсионный – метод дробления крупных частиц на мелкие.

Конденсационный (химический) – метод укрупнения частиц.

Способ называется химическим, так как в основе его лежат химические реакции: гидролиза, обмена, окислительно-восстановительные, пептизации.

 

8.2.Пример: Золь иодида серебра получают реакцией обмена между нитратом серебра и иодидом калия: AgNO₃+KJ®AgJ¯+KNO₃.

По названию золя судят о составе ядра. Ядро образовано молекулами малодиссоциированного соединения AgJ. Поверхность ядра сорбирует частицы, по химической природе близкие к ядру и в реакции взятые в избытке.

Например, в избытке AgNO_3, ядро адсорбирует ионы Ag⁺. Ионы противоположного знака, это ионы NO₃^– – формируют слой противоионов. И они же образуют диффузный слой, то есть в целом мицелла становится электронейтральной.

 

Формула мицеллы золя иодида серебра:

{[mAgJ]_*nAg⁺_*(n-x) NO₃^–}_*xNO₃^–

где n, m,(n-x), x – число частиц

nAg⁺ – адсорбационный слой

(n-x) NO₃^– – слой противоионов

xNO₃^– – диффузный слой.

 

                                                             NO₃^–

                                                                   NO₃^–

 

                                                                   Ag⁺

 

                                                                                     AgJ

 

Схема строения мицеллы

золя йодида серебра.

 

 

Коагуляция – слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Первичные частицы в таких скоплениях соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц (увеличением размера и массы агрегатов) и уменьшением их числа в объеме дисперсионной среды – жидкости или газа.

Коагуляция наступает в результате проявления сил тяжести. Достигнув известной величины, частицы становятся уже неспособными удерживаться во взвешенном состоянии и выделяются из той среды, в которой они были распределены

Важнейшим фактором, противодействующим коагуляции, является наличие на коллоидных частицах электрических зарядов. Вследствие одноименности последних движущимся навстречу друг другу частицам лишь в крайне редких случаях удается сойтись настолько близко, чтобы между ними могли достаточно эффективно проявиться силы стяжения. В результате содержащий сильно заряженные коллоидные частицы золь заметно не коагулирует даже при долгом хранении, то есть является весьма устойчивым.

Очевидно, что снятие с коллоидных частиц их электрического заряда (хотя бы частичное) должно понижать устойчивость золей и способствовать их коагуляции. Такое разряжение в случае гидрозолей может быть проще всего достигнуто добавлением к коллоидному раствору электролитов. Хотя при этом вводится одинаковое число положительных и отрицательных зарядов, но в непосредственно окружающей коллоидную частицу «ионной атмосфере» всегда несколько преобладают ионы, противоположна ей заряженные, которые частицей преимущественно и адсорбируются. Так как введение электролита сильно повышает общую концентрацию ионов в растворе, условия для их адсорбции становятся весьма благоприятными и первоначальный заряд частиц быстро нейтрализуется, следствием чего является коагуляция золя.

Ионы, имеющие заряд противоположный по знаку противоионному слою коллоидной частицы, способны усиливать коагуляцию раствора, причем этот эффект будет увеличиваться при увеличении заряда иона-коагулянта.

Задания для контрольной работы.

 Напишите возможные варианты строения мицелл, полученных методом обменного разложения (образуется средняя соль). Укажите ион-коагулянт.

№ варианта	Реагирующие вещества.
141	Гидроксид натрия и хлорид железа (III).
142	Серная кислота и гидроксид бария
143	Гидроксид калия и нитрат никеля (II)
144	Нитрат серебра и хлороводородная кислота
145	Хлорид марганца (II) и гидроксид калия
146	Гидроксид натрия и нитрат кальция
147	Гидроксид калия и сульфат меди (II)
148	Нитрат бария и сульфат натрия
149	Хлорид цинка и гидроксид калия
150	Хлорид аммония и нитрат свинца (II)
151	Гидроксид калия и нитрат свинца (II)
152	Серная кислота и гидроксид кальция
153	Гидроксид натрия и хлорид кальция
154	Гидроксид бария и сульфат натрия
155	Нитрат свинца (II) и хлорид калия
156	Йодид цинка и карбонат калия
157	Бромид железа (II) и ортофосфорная кислота
158	Хлорид калия и нитрат серебра
159	Сульфат меди (II) и хлорид бария
160	Гидроксид свинца (II) и серная кислота

 

РАСТВОРЫ

9.1. Раствор твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Наиболее важные жидкие растворы.

Раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. Растворитель-компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящимся в большем количестве.

Системы с размером частиц менее 1 нм образуют истинные растворы. Они состоят из молекул, атомов или ионов растворëнного вещества, их следует рассматривать как однофазные системы. Такие системы называются гомогенными, внутри них отсутствуют поверхности раздела - все части однородны по составу и свойствам.

В сельскохозяйственной практике пользуются растворами для борьбы с вредителями и болезнями растений и животных, для протравливания семян, для борьбы с сорняками и т.д. Поэтому специалисты сельского хозяйства, должны быть хорошо знакомы со свойствами растворов и уметь приготавливать растворы разного назначения.

В химической практике используются различные способы количественного выражения состава раствора.

Сходства растворов с химическими веществами:

1)однородность

2)выделение теплоты при растворении

Отличия растворов от химических веществ:

1)состав раствора может изменяться в разных пределах.

2)в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов.

Растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями и механическими смесями.

Насыщенный раствор - раствор, находящийся в равновесии с растворяющемся веществом.

Ненасыщенный раствор-раствор с меньшей концентрацией растворенного вещества, чем в насыщенном растворе.

Концентрация раствора - это кол-во растворенного вещества, содержащегося определенном количестве раствора или растворителя.

Концентрированные растворы - растворы с относительно высоким содержанием растворенного вещества.

Разбавленные растворы - растворы с относительно низким содержанием растворенного вещества.