Во сколько раз возрастет скорость химической. Химическая кинетика скорость химических реакций
Задание 127.
Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60° С, если температурный коэффициент скорости данной реакции 2?
Решение:
Следовательно, скорость реакции при повышении температуры на 600 С 0 больше начальной скорости реакции в 64 раза.
Задание 121.
Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:
а) S (к) + O
2 = SO
2 (г); б) 2SO
2 (г) + O
2 = 2SO
3 (г).
Как изменится скорость этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?
Решение:
а) S (к) + O
2 = SO
2 (г)
Обозначим концентрации газообразных реагирующих веществ: = a
, = b
. Согласно закону действующих масс
, скорости прямой и обратной реакций до изменения объёма соответственно равны:
V пр = k . a; V обр = k . b.
После уменьшения объёма гетерогенной системы в четыре раза концентрация газообразных веществ увеличится в четыре раза: = 4a , = 4b. При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций будут равны
Следовательно, после уменьшения объёма в системе скорости прямой и обратной реакций увеличились в четыре раза. Равновесие системы не сместилось.
б) 2SO 2 (г) + O 2 = 2SO 3 (г)
Обозначим концентрации реагирующих веществ: = a
, = b
, = с.
Согласно закону действующих масс, скорости прямой и обратной реакций до изменения объёма соответственно равны:
V пр = ka 2 b; Vо б р = kc 2 .
После уменьшения объёма гомогенной системы в четыре раза концентрация реагирующих веществ увеличится в четыре раза: = 4a , = 4b , = 4 с При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций будут равны:
Следовательно, после уменьшения объёма в системе скорость прямой реакции возросла в 64 раза, а обратной – в 16. Равновесие системы сместилось вправо, в строну уменьшения образования газообразных веществ.
Константы равновесия гомогенной системы
Задание 122.
Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы:
N 2 + ЗН 2 = 2NH 3 . Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если увеличить концентрацию водорода в три раза?
Решение:
Уравнение реакции:
N 2 + ЗН 2 = 2NH 3
Выражение константы равновесия данной реакции имеет вид:
Обозначим концентрации газообразных реагирующих веществ: = a , = b . Согласно закону действующих масс, скорость прямой реакций до увеличения концентрации водорода равна: V пр = kab 3 . После увеличения концентрации водорода в три раза концентрации исходных веществ будут равны: = a , = 3b . При новых концентрациях скорости прямой реакций будет равна:
Следовательно, после увеличения концентрации водорода в три раза скорость реакции возросла в 27 раз. Равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместилось в сторону уменьшения концентрации водорода, т. е. вправо.
Задание 123.
Реакция идет по уравнению N 2 + O 2 = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции были = 0,049 моль/л, = 0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ, когда = 0,005 моль/л. Ответ: 0,0465 моль/л; = 0,0075 моль/л.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:
Из уравнения реакции следует, что на образование 2 моль NO расходуется по 1 моль N 2 и О 2 , т. е. на образование NO требуется в два раза меньше N 2 и О 2 . Исходя из сказанного, можно предположить, что на образование 0,005 моль NO затрачивается по 0,0025 моль N 2 и О 2 . Тогда конечные концентрации исходных веществ будут равны:
Конечн. = исх. – 0,0025 = 0,049 – 0,0025 = 0,0465 моль/л;
конечн. = исх. - 0,0025 = 0,01 – 0,0025 = 0,0075 моль/л.
Ответ: конечн. = 0,0465 моль/л; конечн. = 0,0075 моль/л.
Задание 124.
Реакция идет по уравнению N 2 + ЗН 2 = 2NH 3 . Концентрации участвующих в ней веществ (моль/л): = 0,80; = 1,5; = 0,10. Вычислите концентрацию водорода и аммиака = 0,5 моль/л. Ответ: = 0,70 моль/л; [Н 2) = =0,60 моль/л.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:
N2 + ЗН2 = 2NH3
Из уравнения следует, что из 1 моль N 2 Образуется 2 моль NH 3 и расходуется 3 моль Н 2 . Таким образом, при участии в реакции определённого количества азота образуется в два раза большее количество аммиака и прореагирует в три раза больше водорода. Рассчитаем количество азота, которое прореагировало: 0,80 – 0,50 = 0,30 моль. Рассчитаем количество аммиака, которое образовалось: 0,3 . 2 = 0,6 моль. Рассчитаем количество прореагировавшего водорода: 0,3 . 3 = 0,9 моль. Теперь рассчитаем конечные концентрации реагирующих веществ:
конечн. = 0,10 + 0,60 = 0,70 моль;
[Н 2 ]конечн. = 1,5 - 0,90 = 0,60 моль;
конечн. = 0,80 - 0,50 = 0,30 моль.
Ответ: = 0,70 моль/л; [Н 2) = =0,60 моль/л.
Скорость, температурный коэффициент скорости реакции
Задание 125.
Реакция идет по уравнению Н 2 + I 2 = 2НI. Константа скорости этой реакции при некоторой температуре равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ (моль/л): [Н 2 ] = 0,04:
= 0,05. Вsчислите начальную скорость реакции и ее скорость при = 0,03 моль/л. Ответ: 3,2 .
10 -4 , 1,92 .
10 -4
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:
Н 2 + I 2 = 2НI
При исходных концентрациях реагирующих веществ, согласно закону действующих масс, скорость реакции будет равна при обозначении концентраций исходных веществ: [Н 2 ] = a , = b.
V пр = kab = 0,16 . 0,04 . 0,05 = 3,2 . 10 -4 .
Рассчитаем количество водорода, которое вступило в реакцию, если концентрация его изменилась и стала 0,03 моль/л, получим: 0,04 - 0,03 = 0,01 моль. Из уравнения реакции следует, что водород и йод реагируют друг с другом в отношении 1: 1, значит в реакцию вступило тоже 0,01 моль йода. Отсюда, конечная концентрация йода равна: 0,05 -0,01 = 0,04 моль. При новых концентрациях скорость прямой реакции будет равна:
Ответ: 3,2 . 10 -4 , 1,92 . 10 -4 .
Задание 126.
Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80° С. Температурный коэффициент скорости реакции З.
Решение:
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:
Следовательно, скорость реакции ; при 800 С 0 меньше скорости реакции при 1200 С 0 в 81 раз.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Химическая кинетика – учение о скоростях и механизмах химических реакций.
Изучение скоростей протекания реакций, получение данных о факторах, влияющих на скорость химической реакции, а также изучение механизмов химических реакций осуществляют экспериментально.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Скорость химической реакции – изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени при неизменном объеме системы.
Скорость гомогенной и гетерогенной реакций определяются различно.
Определение меры скорости химической реакции можно записать в математической форме. Пусть – скорость химической реакции в гомогенной системе, n B – число моле какого-либо из получающихся при реакции веществ, V – объем системы, – время. Тогда в пределе:
Это уравнение можно упростить – отношение количества вещества к объему представляет собой молярную концентрацию вещества n B /V = c B , откуда dn B / V = dc B и окончательно:
На практике измеряют концентрации одного или нескольких веществ в определенные промежутки времени. Концентрации исходных веществ со временем уменьшаются, а концентрации продуктов – увеличиваются (рис. 1).
Рис. 1. Изменение концентрации исходного вещества (а) и продукта реакции (б) со временем
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Факторами, оказывающими влияние на скорость химической реакции, являются: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов, давление и объем (в газовой фазе).
С влиянием концентрации на скорость химической реакции связан основной закон химической кинетики – закон действующих масс (ЗДМ): скорость химической реакции прямопропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов. ЗДМ не учитывает концентрацию веществ в твердой фазе в гетерогенных системах.
Для реакции mA +nB = pC +qD математическое выражение ЗДМ будет записываться:
K × C A m × C B n
K × [A] m × [B] n ,
где k – константа скорости химической реакции, представляющая собой скорость химической реакции при концентрации реагирующих веществ 1моль/л. В отличие от скорости химической реакции, k не зависит от концентрации реагирующих веществ. Чем выше k, тем быстрее протекает реакция.
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые десять градусов скорость большинства химических реакций увеличивается примерно в 2 – 4 раза. Математическое выражение:
(T 2) = (T 1) × (T2-T1)/10 ,
где – температурный коэффициент Вант-Гоффа, показывающий во сколько раз увеличилась скорость реакции при повышении температуры на 10 o С.
Молекулярность и порядок реакции
Молекулярность реакции определяется минимальным числом молекул, одновременно вступающих во взаимодействие (участвующих в элементарном акте). Различают:
— мономолекулярные реакции (примером могут служить реакции разложения)
N 2 O 5 = 2NO 2 + 1/2O 2
K × C, -dC/dt = kC
Однако, не все реакции, подчиняющиеся этому уравнению мономолекулярны.
— бимолекулярные
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH = CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O
K × C 1 × C 2 , -dC/dt = k × C 1 × C 2
— тримолекулярные (встречаются очень редко).
Молекулярность реакции определяется ее истинным механизмом. По записи уравнения реакции определить ее молекулярность нельзя.
Порядок реакции определяется по виду кинетического уравнения реакции. Он равен сумме показателей степеней концентрации в этом уравнении. Например:
CaCO 3 = CaO + CO 2
K × C 1 2 × C 2 – третий порядок
Порядок реакции может быть дробным. В таком случае он определяется экспериментально. Если реакция протекает в одну стадию, то порядок реакции и ее молекулярность совпадают, если в несколько стадий, то порядок определяется самой медленной стадией и равен молекулярности этой реакции.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Задание | Реакция протекает по уравнению 2А + В = 4С. Начальная концентрация вещества А 0,15 моль/л, а через 20 секунд – 0,12 моль/л. Вычислите среднюю скорость реакции. |
Решение | Запишем формулу для вычисления средней скорости химической реакции:
реакции пропорциональна произведению концентраций исходных веществ в степенях равных их стехеометрическцм коэффициентам. О = К-с[А]т. с[В]п,где с [А] и с [В] - молярные концентрации веществ А и В, К - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции. Влияние температуры Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры на каждый 10 С скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза. Математически эта зависимость выражается соотношением: где и i)t , i>t - скорости реакции соответственно при начальной (t:) и конечной (t2) температурах, а у - температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10 °С. Пример 1. Напишите выражение зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ для процессов: а) Н2 4- J2 -» 2HJ (в газовой фазе); б) Ва2+ 4- S02-= BaS04 (в растворе); в) СаО 4- С02 -» СаС03 (с участием твердых веществ). Решение. v = K-c(H2)c(J2); v = K-c(Ba2+)-c(S02); v = Kc(C02). Пример 2. Как изменится скорость реакции 2А + В2^± 2АВ, протекающей непосредственно между молекулами в закрытом сосуде, если увеличить давление в 4 раза? По закону действия молекул скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ: v = K-c[A]m.c[B]n. Увеличивая в сосуде давление, мы тем самым увеличиваем концентрацию реагирующих веществ. Пусть начальные концентрации А и В равнялись с[А] = а, с[В] = Ь. Тогда = Ка2Ь. Вследствие увеличения давления в 4 раза увеличилась концентрация каждого из реагентов тоже в 4 раза и стали с[А] = 4а, с[В] = 4Ь. При этих концентрациях: vt = K(4a)2-4b = K64a2b. Значение К в обоих случаях одно и тоже. Константа скорости для данной реакции есть величина постоянная, численно равная скорости реакции при молярных концентрациях реагирующих веществ, равных 1. Сравнивая v и vl9 видим, что скорость реакции возросла в 64 раза. Пример 3. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры с 0°С до 50°С, принимая температурный коэффициент скорости равный трем? Скорость химической реакции зависит от температуры, при которой она протекает. При повышении температуры на 10 °С, скорость реакции увеличится в 2-4 раза. В случае понижения температуры - она во столько же раз уменьшается. Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 °С, называется температурным коэффициентом реакции. В математической форме зависимость изменения скорости реакции от температуры выражается уравнением: Температура увеличивается на 50 °С, а у=3. Подставляем эти значения ^5о°с = ^о°с "3ю = "00оС? 3 = v0oC ? 243 . Скорость увеличивается в 243 раза. Пример 4. Реакция при температуре 50 °С протекает за 3 мин 20 с. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. За сколько времени закончится эта реакция при 30 и 100 °С? При увеличении температуры от 50 до 100 °С скорость реакции возрастает в соответствии с правилом Вант-Гоффе в следующее число раз: Ч _ 10 „О 10 - Q3 У ю = з ю = з* = 243 раза. Если при 50°С реакция заканчивается за 200 с (3 мин 20 с), то при 100 °С она закончится за 200/ 243 = 0,82 с. При 30 °С скорость реакции умень- шится в 3 10 = З2 = 9 раз и реакция закончится через 200*9 = 1800 с, т.е. через 30 мин. Пример 5. Исходные концентрации азота и водорода соответственно равны 2 и 3 *моль/л. Каковы будут концентрации этих веществ в тот момент, когда прореагировало 0,5 моль/л азота? Напишем уравнение реакции: N2 + ЗН2 2NH3, коэффициенты показывают, что азот реагирует с водородом в молярном отношении 1:3. Основываясь на этом, составляем соотношение: 1 моль азота реагирует с 3 моль водорода. 0,5 моль азота реагирует с х моль водорода. Откуда - = - ; х =-- = 1,5 моль. Не прореагировало 1,5 моль/л (2 - 0,5) азота и 1,5 моль/л (3 - 1,5) водорода. Пример 6. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции, идущей при столкновении одной молекулы вещества А и двух молекул вещества В: А(2) + 2В -» С(2) + D(2), при увеличении концентрации вещества В в 3 раза? Напишем выражение зависимости скорости данной реакции от концентрации веществ: v = К-с(А)-с2(В), где К - константа скорости. Примем исходные концентрации веществ с(А) = а моль/л, с(В) = b моль/л. При этих концентрациях скорость реакции равна и1 = Kab2. При увеличении концентрации вещества В в 3 раза с(В) = ЗЬ моль/л. Скорость реакции будет равна v2 = Ka(3b)2 = 9КаЬ2. Увеличение скорости v2: иг = 9Kab2: Kab2 = 9. Пример 7. Оксид азота и хлор взаимодействуют по уравнению реакции: 2NO + С12 2NOC1. Во сколько раз нужно увеличить давление каждого из исх |