2.3. Химическая кинетика и равновесие

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

Согласно закону действующих масс скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам.

Приближенно, зависимость скорости химической реакции от температуры описывается правилом Вант-Гоффа, согласно которому при увеличении температуры на 10⁰ скорость большинства гомогенных реакций увеличивается в 2 – 4 раза. Число, показывающее во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10⁰, называется температурным коэффициентом . Математически правило Вант-Гоффа можно выразить так: γ ,

где V и - скорость химической реакции при температурах t₂ и t₁,  - температурный коэффициент.

Смещение химического равновесия подчиняется правилу Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое либо внешнее воздействие (изменить температуру, концентрацию, давление), то равновесие смещается в сторону той реакции, которая ослабляет оказанное воздействие.

Пример 2.3.1.Реакция между веществами А и В протекает по уравнению 2А + В = С; концентрация вещества А равна 6 моль/л, вещества В – 5 моль /л. Константа скорости реакции составляет 0,5. Вычислите скорость реакции в начальный момент и в тот момент, когда в реакционной смеси останется 45% вещества В

Решение. Кинетическое уравнение зависимости скорости реакции от концентрации имеет вид

V = к [A]² [B].

Скорость химической реакции в начальный момент равна

V = 0,5  6 ²  5 = 90,0 моль /л  сек.

По истечении некоторого времени в реакционной смеси останется 45% вещества В, т.е. концентрация вещества В станет равной 5  0,45 = 2,25 моль /л. Значит, концентрация вещества В уменьшилась на 5 – 2,25 = 2,75 моль/л.

Так как вещества А и В взаимодействуют между собой в соотношении 2 : 1, то концентрация вещества А уменьшилась на

5,5 моль/л (2,75  2) и стала равной 0,5 моль/л (6 – 5,5).

Следовательно, скорость реакции составит

V₂ = 0,5(0,5)² 2,25 = 0,28 моль / л сек.

Пример 2.3.2. Определите, как изменится скорость прямой реакции 2SO₂ + O₂  2SO₃, если общее давление в системе увеличится в 4 раза.

Решение. Увеличение давления в системе в 4 раза вызовет уменьшение объема системы во столько же раз, и концентрации реагирующих веществ возрастут тоже в 4 раза.

Согласно закону действующих масс начальная скорость реакции равна V₁ = к [SO₂]²  [O₂].

После увеличения давления

V₂ = к [4SO₂]²  [4O₂] = 64 к [SO₂]² [O₂].

Таким образом, после увеличения давления в 4 раза скорость реакции возросла в 64 раза.

Пример 2.3.3. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры на 40⁰ , если температурный коэффициент этой реакции равен 3.

Решение Разность температур ( t₂ - t₁) = 40⁰, следовательно скорость реакции возросла в 3⁴ = 81 раз.

Пример 2.3.4. Вычислите равновесные концентрации [H₂] и [I₂] в реакции H₂ + I₂ = 2 HI, если их начальные концентрации составляли по 0,03 моль/л, а равновесная концентрация

HI = 0,04 моль/л.

Решение. На образование 0,04 моля HI в соответствии с уравнением реакции требуется по 0,02 моля H₂ и I₂, отсюда их равновесные концентрации составляют 0,03 - 0,02 = 0,01 моля

Пример 2.3.5. В каком направлении сместится равновесие в системе N₂ +3 H ₂ = 2 NH₃ H⁰  0,

а) при увеличении концентрации N₂, б) при увеличении концентрации NH₃, в) при повышении температуры, г) при уменьшении давления?

Решение. Согласно правила Ле Шателье , при увеличении концентрации N₂ равновесие сместится вправо - концентрация N₂ при этом уменьшится, при увеличении концентрации NН₃ равновесие сместится влево - концентрация NH₃ при этом уменьшится. Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, т.е. влево. Понижение давления смещает равновесие в сторону больших объемов т.е. вправо, в сторону азота и водорода.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ и задания

61. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям: a) S(к) + O₂ = SО₂(г); б) 2NO(г) + О₂ (г) = 2NO₂(г).

Как изменится скорость этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?

62. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃(г). Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить концентрацию водорода в три раза?

63. Реакция проходит по уравнению N₂+ O₂ = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции составляли

[N₂] = 0,049 моль/л, [О₂] = 0,01 моль/л. Вычислите концентрации этих веществ при условии [NO] = 0,005 моль/л.

64. Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80 С? Температурный коэффициент реакции  = 3.

65. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60⁰С, если температурный коэффициент данной реакции 2?

66. В гомогенной системе СО +Сl₂ ↔ СОС1₂ равновесные концентрации веществ (моль/л) составляют [СО] = 0,2;

[С1₂] = О,3; [СОCl₂] =1,2. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации С1₂ и СО.

67. В гомогенной системе А + 2В ↔ С равновесные концентрации реагирующих газов (моль/л) составляют: [А] = 0,06;

[В] =0,12; [С] = 0,216. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации веществ А и В.

68. В гомогенной газовой системе А + В ↔ С + D равновесие установилось при следующих концентрациях (моль/л): [В] = 0,05 и [С] = 0,02. Константа равновесия системы равна 0,04. Вычислите исходные концентрации веществ А и В.

69. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы СО₂ (г) + С(к) ↔ 2СО(г).

Как изменится скорость прямой реакции, если концентрацию СО₂ уменьшить в 4 раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

70.Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы С(к) + Н₂О(г) ↔ CO(г) + Н₂.

Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции?

71. Равновесие гомогенной системы

4НС1(г) + О₂( г) ↔ 2Н₂О(г) + 2Cl₂(г)

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [Н₂О] = 0,14; [Cl₂] = 0,14; [НС1] = 0,20; [O₂] =0,32. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода

72. Константа равновесия гомогенной системы

СО(г) + Н₂О(г) ↔ СО₂ (г) + 2Н₂О(г)

при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации равны [СО] = 0,10 моль/л; [Н₂О] = 0,40 моль/л.

73. Константа равновесия гомогенной системы

N₂ + 3Н₂ ↔ 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 концентрации азота.

74. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы 2NO + O₂ ↔ 2NО₂ установилось при следующих концентрациях веществ: [NO] = 0,2; [O₂] = 0,1; [NO₂] = 0,1 моль/л.

Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO и O₂.

75.Исходные концентрации [NО] и [Сl₂ ] в гомогенной системе 2NO + С1₂ ↔ 2NOC1 составляют соответственно 0,5 и

0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20 % NO.