Химическая кинетика и химическое равновесие

Химическая кинетика – раздел химии, изучающий скорость и механизм химических реакций. Различают гомогенные и гетерогенные химические реакции.

Гомогенные реакции протекают в объеме одной фазы – в жидком (водном) или газовом растворе. Например, 2СО(г) + О₂(г) = 2СО₂(г) (8)

Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз: г – ж, г – т,

т – т и т.д. Например, 2С(т) + О₂(г) = 2СО(г) (9)

Скорость химической реакции (υ ) – это изменение количества вещества одного из реагентов за единицу времени в единице реакционного пространства. Она зависит от природы реагирующих веществ, температуры (Т), давления (Р), концентрации (С) реагирующих веществ и других факторов. Зависимость υ от С выражается законом действующих масс: При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Например, для гомогенной реакции (8) υ = k∙С²_СО ×С_О2, где k – константа скорости химической реакции, которая зависит от природы реагирующих веществ, температуры, присутствия катализатора, но не зависит от концентрации реагирующих веществ; С – молярные концентрации веществ (моль / л). Для гетерогенной реакции (9) υ = k×С_О2 , так как концентрации твердых веществ постоянны и приняты равными единице, т.е. С_С = 1.

Зависимость скорости химической реакции от температуры выражает правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10º скорость химической реакции увеличивается примерно в 2 – 4 раза. Математическое выражение закона Вант-Гоффа:

, (10)

где υ_Т1 и υ_Т2 – скорости реакции при температурах Т₁ и Т₂; γ - температурный коэффициент скорости химической реакции. Он показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10º.

По полноте протекания химических процессов различают необратимые и обратимые химические реакции. Необратимые реакции протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных веществ в продукты реакции. Обратимые реакции при одной и той же температуре протекают как в прямом, так и в обратном направлении и завершаются установлением в системе химического равновесия. Они не идут до конца, в системе всегда остаются исходные вещества:

N₂(г) + 3H₂(г) ⇄ 2NH₃(г) (11)

Химическое равновесие – такое состояние химического взаимодействия, при котором скорости прямой и обратной реакций равны между собой, т.е. .

После наступления состояния равновесия концентрации реагирующих веществ при данных условиях остаются неизменными и называются равновесными концентрациями, обозначаются в квадратных скобках [ ]. Количественной характеристикой химического равновесия является константа химического равновесия К – величина, определяемая соотношением равновесных концентраций продуктов реакции и исходных веществ.Если в соотношение для константы равновесия входят равновесные концентрации, то ее обозначают символом Кс, а если используются парциальные давления газов (Р_i), то – символом Кр. Например, для реакции (11):

,

Состояние химического равновесия устанавливается и сохраняется лишь при определенных условиях (температуре, давлении и концентрации реагирующих веществ). При изменении хотя бы одного из этих условий, т.е. при каком-либо внешнем воздействии, равновесие в системе нарушается, и система переходит в новое состояние равновесия. Этот переход называется смещением химического равновесия.

Влияние внешних воздействий (изменение Т, Р или С) на состояние химического равновесия можно предсказать, пользуясь принципом Ле Шателье - Брауна: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет эффект внешнего воздействия, т.е на внешнее воздействие система отвечает противодействием. Так увеличение концентрации какого-либо вещества вызовет противодействие системы – стремление уменьшить концентрацию этого вещества, что возможно путем смещения равновесия в направлении, при котором концентрация этого вещества будет уменьшаться.

Повышение Р_общ или Р_i; приводит к смещению равновесия в сторону протекания той реакции, которая вызывает уменьшение Р_общ и Р_i и наоборот, понижение Р_общ или P_j смещает равновесие в направлении той реакции, которая приводит к увеличению этих параметров.

Повышение температуры вызывает смещение равновесия в направлении протекания той реакции, которая сопровождается поглощением теплоты, т.е. эндотермической (∆Н > 0). Понижение температуры будет вызывать смещение равновесия в сторону экзотермической реакции, сопровождающееся выделением теплоты (∆Н < 0).

Примеры решения задач

Пример 1. Как изменится скорость реакции 2NО(г) + О₂(г) ⇄ 2NO₂(г) _, если
одновременно концентрацию NО увеличить в 2 раза, а концентрацию О₂ уменьшить в 8 раз?

Р е ш е н и е. 1) Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс, поэтому записываем математическое выражение этого закона для данной реакции в начальный момент времени:

Согласно условию концентрацию NO увеличили в 2 раза, т.е. С'_NO=2С _NO, а концентрацию О₂ уменьшили в 8 раз, т.е. С'o₂ = Сo₂ /8.

2) Записываем выражение для скорости реакции в конечный момент времени: υ' = k × (С' _NO)² × С'o₂ или

3) Определяем, как изменяется скорость реакции. Для этого рассматриваем отношение = 1/2

Ответ: при одновременном увеличении концентрации NО в 2 раза и уменьшении концентрации О₂ в 8 раз скорость реакции уменьшается в 2 раза.

Пример 2. Определите, во сколько раз изменятся скорости прямой и обратной реакций в системе 2SO₂ (г) + О₂ (г) ⇄ 2SО₃ (г), если объем газовой смеси уменьшить в 3 раза. Каково направление смещения равновесия в этой системе?

Р е ш е н и е. 1) Записываем выражения для скоростей прямой и обратной реакций, используя закон действующих масс: ,

2) Рассматриваем, что происходит в реакционной системе при уменьшении ее объема. Уменьшение объема гомогенной системы в 3 раза приводит к увеличению концентрации каждого из реагирующих веществ также в 3 раза, т.е. математически это записываем в виде: С'so₂ = 3С so₂, С'о₂ = 3Сo₂ и С'so₃ = 3С so₃.

3) Записываем выражение для скоростей прямой и обратной реакций после изменения объема системы:

4) Определяем, во сколько раз изменяются скорости прямой и обратной реакций: ;

Таким образом, при уменьшении объема газовой смеси в 3 раза скорость прямой реакции увеличится в 27 раз, а скорость обратной реакции – в 9 раз.

5) Устанавливаем направление смещения равновесия в этой системе. В связи с тем, что скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной – только в 9 раз, равновесие сместится в направлении протекания прямой реакции, т.е. в сторону образования SO₃.

Пример 3. Рассчитайте температурный коэффициент скорости химической реакции, если известно, что константа скорости этой реакции при 140°С равна 5,5 × 10^-4, а при 185°С – 9,2 × 10^-3.

Дано: Т₁ =140° С, k₁ =5,5 × 10 ^-4; Т₂= 185°С, k₂ = 9,2∙× 10^-3. Найти γ.

Р е ш е н и е. 1) Зависимость скорости химической реакции от температуры описывается правилом Вант-Гоффа в форме:

Но для проведения расчетов это уравнение необходимо прологарифмировать, т.е.

2) Рассчитываем температурный коэффициент скорости этой реакции.

а) вычисляем температуру по абсолютной шкале:

T₁ = 140 + 273 = 413 К, Т₂ = 185 + 273 = 458 К;

б) рассчитаем численное значение γ:

, lg 16,7 = 4,5 lgγ

отсюда , т.е. lg γ = 0,27, и тогда γ = 1,87.

Ответ: температурный коэффициент этой реакции равен 1,87.

Пример 4. При синтезе аммиака N₂ + ЗН₂ ⇄ 2NНз равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л) [ N₂ ] = 4; [ H₂ ] = 2 и [ NH₃ ] = 6. Рассчитайте константу равновесия и исходные концентрации Н₂ и N₂.

Дано: [ Н₂ ]=2 моль/л, [ N₂ ] = 4 моль/л, [ NH₃ ] = 6 моль/л. Найти Кс, С_исх (Н₂), C_иcx (N₂).

Р е ш е н и е. 1) Записываем выражение для константы равновесия в этой системе и рассчитываем ее значение: ;

2) Определяем исходные концентрации Н₂ и N₂.

Для обратимых реакций ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Поэтому исходная концентрация вещества А складывается из равновесной концентрации этого вещества [А] и концентрации этого вещества, которая была израсходована на реакцию к моменту установления равновесия (условно обозначим ее X (А). Таким образом, выражение для исходной концентрации вещества А может быть представлено в виде: С_исх(А) = [А] + Х(А).

а) Для определения С_исх(N₂) и С_исх(Н₂) обращаемся к уравнению реакции, согласно которому на образование 2 моль NH₃ требуется 1 моль N₂ и 3 моль Н₂. Но поскольку равновесная концентрация NH₃ равна 6 моль/л, то при этом было израсходовано 6/2 = 3 моль N₂ и 3×(6 / 2) = 9 моль Н₂.

б) Рассчитаем С_исх(N₂) и С_исх(Н₂):

С_исх(Н₂) = [Н₂] + Х(Н₂) = 2 + 9 = 11 моль/л,

C_исх(N₂) = [N₂] + X(N₂) = 4 + 3 = 7 моль/л.

Ответ: константа равновесия реакции равна 1,1. Исходные концентрации Н₂ и N₂ составляют 11 моль/л и 7 моль/л соответственно.

Пример 5. Установите направление смещения равновесия в системе

2Н₂О(г)+ 2О₂(г) ⇄ 2Н₂О₂ (г)_, ∆ Н = – 483,7 кДж

при понижении температуры и уменьшении общего давления.

Р е ш е н и е. Влияние внешнего воздействия на состояние химического равновесия в системах, в которых протекают обратимые реакции, оценивается с помощью принципа Ле Шателье-Брауна.

1) Рассматриваем влияние температуры на состояние равновесия в данной системе. Термохимическое уравнение реакции показывает, что ∆Н < 0, следовательно, прямая реакция экзотермическая. При понижении температуры согласно принципу Ле Шателье-Брауна система будет стремиться ослабить внешнее воздействие (т.е. повысить Т), а это возможно за счет реакции, протекающей с выделением теплоты, т.е. экзотермической реакции. Следовательно, понижение температуры приведет к смещению равновесия в направлении протекания прямой реакции.

2) Оцениваем влияние изменения давления на состояние равновесия в данной системе. Из уравнения реакции видно, что прямая реакция сопровождается уменьшением объема системы 2V (Н₂О) + 2V (О₂) ≠ 2V (Н₂О₂), т.е. ∆V ≠ 0. Поэтому общее давление (Р_общ) будет влиять на состояние равновесия в данной системе. Уменьшение Р_общ согласно принципу Ле Шателье-Брауна вызовет противодействие системы (увеличение Р_общ) за счет смещения равновесия в сторону протекания реакции, сопровождающейся увеличением Р_общ, т.е. в сторону обратной реакции. Действительно, обратная реакция приводит к увеличению числа моль газообразных веществ в системе, а это значит, что при протекании обратной реакции Р_общ в системе увеличивается.

1.7. Электролитическая диссоциация. Реакции ионного обмена

Электролитическая диссоциация – это процесс распада молекул электролита на ионы под действием полярных молекул растворителя.

Электролиты – это вещества, расплавы или водные растворы которых проводят электрический ток. К ним относятся растворы кислот, расплавы и растворы щелочей и солей. Неэлектролиты – это вещества, которые не проводят электрический ток. К ним относятся многие органические вещества.

Электролиты, которые практически полностью диссоциируют на ионы, называются сильными; электролиты, которые частично диссоциируют на ионы, называются слабыми. Для количественной оценки полноты диссоциации введено понятие степени диссоциации. Степенью диссоциации электролита называют отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул, находящихся в растворе.

Обычно степень диссоциации (α) выражают в долях единицы или %:

, (12)

где n – число частиц, подвергшихся электролитической диссоциации;

n ₀ – общее число частиц в растворе.

Сильные электролиты – почти все соли, растворимые основания (NaOH, KOH, Ba(OH)₂ и др.), неорганические кислоты (H₂SO₄, HCl, HNO₃, HBr, HI и др).

Слабые электролиты – нерастворимые основания и NH₄OH, неорганические кислоты (H₂CO_3,, H₂S, HNO_2, H₃PO₄ и др.), органические кислоты и вода H₂O.

Сильные электролиты диссоциируют на ионы практически нацело (т.е. процесс диссоциации является необратимым) и одностадийно:

HCl = H⁺ + Cl^– H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2–

Слабые электролиты диссоциируют частично (т.е. процесс диссоциацииявляется обратимым) и ступенчато. Например, для многоосновных кислот на каждой стадии происходит отрыв одного иона водорода:

1. H₂SO₃ ⇄ H⁺ + HSO₃^- 2. HSO₃^- ⇄ H⁺ + SO₃^2-

Таким образом, число стадий многоосновных кислот определяется основностью кислоты (числом ионов водорода), а число стадий многокислотных оснований будет определяться кислотностью основания (или числом гидроксильных групп): NH₄OH ⇄ NH₄⁺ + OH^–. Процесс электролитической диссоциации завершается установлением в системе состояния химического равновесия, которое характеризуется константой равновесия:

Константа равновесия процесса электролитической диссоциации называется константой диссоциации – К_Д. Константа диссоциации зависит от природы электролита, природы растворителя, температуры, но не зависит от концентрации электролита.

Между К_Д и α существует количественная связь:

(13)

Соотношение (13) называют законом разбавления Оствальда: степень диссоциации слабого электролита возрастает с разбавлением раствора.

Для слабых электролитов, когда α << 1, К_Д = α²С.

Вода является слабым электролитом, поэтому диссоциирует обратимо:

H ₂O ⇄ H⁺ + OH^– ∆H = +56,5кДж/моль

Константа диссоциации воды:

Степень диссоциации воды очень мала (это очень слабый электролит). Так как вода присутствует в большом избытке, то ее концентрация может считаться величиной постоянной и составляет , тогда

К_Д [ H₂O] = [H⁺]∙[OH^-] = 55,6∙1,8∙10^-16 = 10^-14

[ H⁺]∙[OH^-] = 10^-14 = K_W – ионное произведение воды

Так как в воде концентрации катионов водорода и гидроксид-ионов равны, то: [ H⁺] = [OH^-] = .

Растворение в воде других веществ (кислот, оснований, солей) изменяет концентрацию ионов Н⁺ или ОН^–, а их произведение всегда остается постоянным и равным 10^-14 при Т=25⁰С. Концентрация ионов Н⁺ может служить мерой кислотности или щелочности раствора. Обычно для этой цели используется водородный показатель: pH = -lg[H⁺]. Таким образом, водородный показатель – это десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком.