2 Химическая кинетика и равновесие

Кинетика – учение о скорости различных процессов, в том числе химических реакций. Скорость химических реакций зависит от многих факторов, основные из которых: концентрация (давление) реагентов, температура и действие катализатора. Эти же факторы определяют и достижение равновесия в реагирующей системе.

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант – Гоффа по формуле:

υ_t2 = υ_t1 · γ

Правило Вант – Гоффа может быть выражено иначе:

П ример 1. Во сколько раз изменятся скорости прямой (υ) и обратной реакций (υ) в системе:

2SO₂ (г) + О₂ (г) ↔ 2SO₃ (г),

если объем газовой смеси уменьшить в два раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение. Обозначим равновесные концентрации веществ: [SO₂] = a, [O₂] = b, [SO₃] = c. Согласно закону действия масс, скорости прямой и обратной реакций до изменения объема равны:

υ = k · а² · b; υ = k · c²

^{→ → ← ←}

После уменьшения объема гомогенной системы в 3 раза концентрация каждого вещества увеличится в 3 раза: [SO₂] = 3a, [O₂] = 3b, [SO₃] = 3c. При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакции будут равны:

υ' = k · (3a)² · 3b = 27 k · a² · b = 27 υ

^{→ → → →}

υ^' = k · (3a)² = 9 k · c² = 9 υ

^{← ← ← ←}

Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной – только в 9 раз. Равновесие сместилось в сторону образования SO₃ (вправо).

Пример 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30⁰С до 70⁰С, если температурный коэффициент реакции равен 2.

Решение. или

Следовательно, скорость протекания реакции при 70⁰С больше скорости реакции при 30⁰С в 16 раз.

Пример 3. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

РСl₅ (г) ↔ РСl₃ (г) + Cl₂ (г); ΔН = +92,59 кДж

1 моль 1 моль 1 моль

Σ = 2 моль

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрации, чтобы сместить равновесие вправо, т.е. в сторону прямой реакции?

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 РСl₅ эндотермическая (ΔН > 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру;

б) так как прохождение прямой реакции сопровождается увеличением числа молей, следовательно, увеличением давления, то способствовать ей будет уменьшение давления;

в) смещение равновесия в прямом направлении можно достигнуть как увеличением концентрации РСl₅, так и уменьшением концентраций РСl₃ и Cl₂.

Контрольные задания

38. Во сколько раз уменьшится скорость прямой реакции

2СО (г) + О₂ (г) ↔ 2СО₂ (г),

если при постоянной температуре уменьшить давление газовой смеси в 4 раза? Напишите выражение для константы равновесия.

39. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В → А₂В, если концентрацию вещества А увеличить в 3 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в 3 раза?

40. Начальные концентрации исходных веществ в системе

СО (г) + Cl₂ (г) ↔ СОСl₂ (г)

были равны 0,3 моль/л СО и 0,2 моль/л Cl₂. Во сколько раз увеличится скорость прямой реакции, если концентрацию СО повысить до 0,9 моль/л, а концентрацию Cl₂ – до 1,0 моль/л?

41. При повышении температуры на 10⁰С скорость некоторой реакции возрастает в 3 раза. При температуре 0⁰С скорость реакции составляет 1 моль/л ·с. Вычислите скорость этой реакции при температуре 30⁰С.

42. На сколько градусов надо увеличить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 27 раз, если известно, что при увеличении температуры на 10⁰С скорость реакции возрастет в 3 раза.

43. Во сколько раз уменьшится скорость прямой реакции

2СО (г) + О₂ (г) ↔ 2СО₂ (г),

если при постоянной температуре уменьшить давление газовой смеси в 4 раза?

44. Во сколько раз изменятся скорости прямой и обратной реакций в системе, если объем газовой смеси уменьшить в 2 раза?

2N₂ (г) + 6Н₂О ↔ 4NH₃ (г) + 3О₂ (г)

В какую сторону сместится равновесие?

45. Исходные концентрации азота и водорода соответственно равны 2 и 3 моль/л. Каковы будут концентрации этих веществ в тот момент, когда прореагирует 0,5 моль/л азота?

46. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции, идущей при столкновении одной молекулы вещества А и двух молекул вещества В

А (г) + 2В (г) → С (г) + Д (г)

при увеличении концентрации вещества В в 3 раза?

47. В гомогенной системе СО (г) + Cl₂ (г) ↔ СОСl₂ (г) равновесные концентрации реагирующих веществ равны: [CO] = 0,2 моль/л; [Cl₂] = 0,3 моль/л;

[COCl₂] = 1,2 моль/л. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации (С_о) хлора и оксида углерода (II).

48-76. Напишите выражения зависимости скоростей прямой и обратной реакций от концентраций реагирующих веществ для процессов приведенных в таблице 3. Как изменятся скорости прямой и обратной реакции, если увеличить давление в системе в 2 раза?

Таблица 3 Уравнения реакций

№ задания	Уравнение реакции	№ задания	Уравнение реакции
48	С4Н10 (г) ↔ С4Н8 (г) + Н2 (г)	63	Н2 (г) + S (ж) ↔ Н2S (г)
49	СаО (т) + СО2 (г) ↔ СаСО3 (т)	64	Si (т) + 2Н2О (г) ↔ SiO2 (т) + 2Н2О (г)
50	СО(г) + 2Н2О (г) ↔СО2 (г) +Н2 (г)	65	2NO (г) + Н2 (г) ↔ N2O (г) + Н2О (г)
51	РСl5 (г)↔ РСl3 (г)+ Cl2 (г)	66	2Н2 (г) + О2 (г) ↔ 2Н2О (г)
52	2SO2 (г) + О2 (г) ↔ 2SO3 (г)	67	Cu2O(т) + 2HCl(г) ↔ 2СuСl(г) +Н2О(г)
53	С2Н2 (г) + Н2 (г) ↔ С2Н4 (г)	68	С (т) + СО2 (г) ↔ 2СО (г)
54	2NO2 (г) ) ↔ N2O4 (г)	69	СОСl2 (г) ↔ СО (г) + Cl2 (г)
55	2СО (т) + О2 (г) ↔ 2СО2 (г)	70	S (т) + 2СО2 (г) ↔SO2 (г)+ 2СО (г)
56	SO2 (г)+ Cl2 (г) ↔ SO2Cl2 (г)	71	Fe2O3(т) +3СО (г) ↔2Fe(т) +3СО2 (г)
5	4HCl(г) + О2(г) ↔2Сl2 (г)+2Н2О(г)	72	Cu2S (т) + 2О2 (г) ↔ 2СuO + SO2 (г)
58	С (г) + Н2О (г) ↔ СО (г) + Н2 (г)	73	2NO (г) + О2 (г) ↔ 2NO2 (г)
59	Fe (т) + Н2S (г) ↔ Н2 (г) + FeS(т)	74	2N2 (г) + 6Н2О (г) ↔ 4NH3 (г) + 3О2(г)
60	N2 (г) +3Н2 (г) ↔ 2NH3 (г)	75	2СО (г) + 3Н2 (г) ↔ СН4 (г) + СО2 (г)
61	Fe3O4(т) +Н2 (г) ↔3FeO (т)+Н2Ог)	76	Н2 (г) + Br2(г) ↔ 2НBr (г)
62	FeO(т) + СО (г) ↔Fe(т) + СО2 (г)

77-96. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры от t₁ до t₂, если температурный коэффициент равен γ. Условия задач приведены в таблице 4.

Таблица 4 Условия задач

№ задания	t1, 0C	t2, 0C	γ	№ задания	t1, 0C	t2, 0C	γ
77	0	50	3	87	40	60	3
78	40	80	2	88	30	60	2
79	70	100	3	89	20	50	2
80	30	70	2	90	40	60	3
81	80	130	2	91	0	20	2
82	20	70	2	92	10	20	2
83	20	80	2	93	30	70	3
84	20	40	2	94	30	60	2
85	0	10	3	95	30	50	3
86	10	40	2	96	40	80	2

97-126. В системе происходит обратимая реакция. Напишите выражение для константы равновесия. Как надо изменить : а) температуру; б) давление; в) концентрации исходных веществ, чтобы сместить равновесие в сторону продуктов прямой реакции? Условия задач приведены в таблице 5.

Таблица 5 Условия задач

№ задания	Уравнение реакции	№ за- дания	Уравнение реакции
97	Н2 (г) + S (ж) ↔Н2S (г) ΔН = -20,9 кДж	112	С2Н6 (г)↔Н2(г)+С2Н4(г) ΔН > 0
98	2СО (г) + О2 ↔ 2СО2 (г) ΔН < 0	113	3С(т)+СаО(т)↔СаС2(т)+СО(г) ΔН > 0
99	Н2(г) + Cl2 (г) ↔ 2НСl (г) ΔН = 184 кДж	114	Н2S (г) ↔Н2 (г) + S (т) ΔН > 0
100	Н2 (г) + I2 (г) ↔2НI (г) ΔН > 0	115	2НI (г) ↔ I2 (г)+ Н2 (г) ΔН < 0
101	МgО (т) +СО2 (г)↔МgCO3(т) ΔН < 0	116	N2 (г)+3Н2(г) ↔ 2NH3 (г) ΔН = - 92,4 КДж
102	FeO(т)+Н2(г)↔Fe(т)+Н2О(г) ΔН > 0	117	С4Н10 (г)↔Н2(г)+С4Н8(г) ΔН > 0
103	СО2 (г) + С (т) ↔ 2СО (г) ΔН = 173 кДж	118	N2 (г)+О2(г)↔ 2NO (г) ΔН > 0
104	2N2 (г)+О2(г)↔ 2N2O (г) ΔН > 0	119	Н2 (г) + Br2 (г) ↔ 2НBr (г) ΔН < 0
105	2С (т) + О2 (г) ↔ 2СО (г) ΔН < 0	120	С4Н8(г) + Н2(г) ↔ С4Н10 (г) ΔН < 0
106	4NH3(г)+3О2(г)↔2N2(г)+ +6Н2О (г) ΔН > 0	121	N2O4 (г) ↔2 NO2 (г) ΔН > 0
107	4НСl(г)+О2(г)↔2Сl2(г)+ +2Н2О (г) ΔН= -116,4 кДж	122	СS2 (ж) + 3О2 (г) ↔CO2(г)+ 2SO2(г) ΔН < 0
108	2SO2(г)+О2 (г) ↔2SO3(ж) ΔН= -384,2 кДж	123	2Н2 (г) + О2(г) ↔2Н2О (ж) ΔН < 0
109	СаО (т)+СО2(г)↔СаСО3(т) ΔН= -178 кДж	124	NH3 (г)+HCl (г)↔NH4Cl (т) ΔН < 0
110	2NO (г) +О2 (г)↔2NO2 (г) ΔН < 0	125	СаСО3(т) ↔ СаО (т)+СО2(г) ΔН = 178 кДж
111	ВаО(т)+СО2(г)↔ВаСО3(т) ΔН < 0	126	С3Н6(г) + Н2(г) ↔ С3Н8(г) ΔН < 0