1010

Решение.

Согласнозаконудействиямасс,скоростьреакциивисходныймомент

υ1 = 0,16·0,04 ·0,05 = 0,032·10-².

По мере протекания реакции оба исходных вещества расходуются в эквивалентных количествах. Если к интересующему нас моменту прореагировало 0,02 моль/л водорода, то в соответствии с уравнением химической реакции столько же прореагировало йода. Тогда новые концентрации [H2] = 0,02 моль/л; [I2] = 0,03 моль/л.

υ2 = 0,16·0,02·0,03 = 0,096·10־³,

т.е.скоростьреакциипосравнениюсисходной уменьшиласьв3,3раза.

Пример 5. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,8. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры от 20 до 75 °С?

Решение.

Поскольку t = 55 °С, то, обозначив скорости реакций при 20 и 75 °С соответственно через υ1 и υ2 , можем записать

55 υ2 γ10 .

υ1

Отсюда υ2/υ1 = 287. Скорость реакции увеличится в 287 раз.

Пример 6. Энергия активации одной реакции составляет 20 ккал/моль, второй – 40 ккал/моль. Для какой реакции и почему характерен более высокий температурный коэффициент?

Решение.

Известно, что чем выше энергия активации, тем выше значение температурного коэффициента реакции. Следовательно, для второй реакции будетхарактерен более высокий температурныйкоэффициент.

Пример 7. Энергия активации некоторой реакции в отсутствие катализатора равна 75,24 кДж/моль, а с катализатором – 50,14 кДж/моль. Во сколько раз возрастет скорость реакции в присутствии катализатора, если реакция протекает при 25 °С?

Решение.

Обозначим энергию активации реакций без катализатора через Еа, а с катализатором − через Е′а; соответствующие константы скорости реакции обозначим черезk иk′. Используя уравнение Аррениуса,находим

30

Ae RT

Подставляя в последнее уравнение данные задачи, выражая энергию активации в джоулях и учитывая, что Т = 298 К, получим

k′/k = 25·10³.

Следовательно, снижение энергии активации на 25,1 кДж привело к увеличению скорости реакции в 25 тысяч раз.

Пример 8. В системе A(г) + 2B(г) = C(г) равновесные концентрации равны [А] = 0,06 моль/л; [В] = 0,12 моль/л; [С] = 0,216 моль/л. Найдите константуравновесияреакциии исходные концентрации веществ Аи В. Решение.

Константа равновесия данной реакции выражается уравнением

C

K A B 2 .

Подставляя в него данные задачи, получаем

Для нахождения исходных концентраций веществ А и В учтем, что, согласно уравнению реакции, из 1 моля А и 2 молей В образуется 1 моль С. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось 0,216 молей вещества С, то при этом было израсходовано 0,216 молей А и 0,216·2 = 0,432 моля В. Таким образом, искомые исходные концентрации равны

[А]0 = 0,06 + 0,216 = 0,276 моль/л; [В]0 = 0,12 + 0,432 = 0,552 моль/л.

Пример 9. В каком направлении сместится равновесие в системах а) СО(г) + Сl2(г) ↔ COCl2(г);

б) Н2(г) + I2(г) ↔ 2HI(г),

если при неизменной температуре увеличить давление путем уменьшения объема газовой смеси?

31

Решение.

а) протекание реакции в прямом направлении приводит к уменьшению общего числа молей газов, т.е. к уменьшению давления в системе. Поэтому согласно принципу Ле Шателье повышение давления вызывает смещение равновесия в сторону прямой реакции;

б) протекание реакции не сопровождается изменением числа молей газов и не приводит, следовательно, к изменению давления. В этом случае изменение давления не вызывает смещение равновесия.

Пример 10. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению

PCl5(г) ↔ PCl3(г) + Cl2(г), H = + 92,59 КДж.

Как надо изменить а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобысместить равновесиевсторонупрямойреакцииразложенияPCl5? Решение.

а) ввиду того, что реакция эндотермическая, так как H = -Q, то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно температуру повысить;

б) так как в данной системе разложение PCl5 ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление;

в) смещение равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации PCl5, так и уменьшением концентрации PCl3 и Cl2.

Вопросы для самоконтроля

1.Чтопонимаетсяподскоростьюреакции?Откакихфакторовоназависит?

2.Сформулируйте закон действия масс. Запишите математическое выражение этого закона для реакций:

N2O4(г) → 2NO2(г);

2NO(г) + Br2(г) → 2NOBr(г);

CaO(тв) + CO2(г) → CaCO3(тв).

3. Напишите выражение скорости гомогенной реакции

N2 + 3H2 → 2NH3.

Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить концентрацию водорода в три раза?

4. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям

S(тв) + O2(г) ↔ SO2(г);

32

2SO2(г) + O2(г) ↔ 2SO3(г).

Как изменятся скорости этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в 4 раза?

5. Реакция идет согласно уравнению

2NO(г) + Cl2(г) ↔ 2NOCl(г).

Концентрации исходных веществ до начала реакции составляли: [NO] = 0,4 моль/л; [Cl2] = 0,3 моль/л. Во сколько раз изменится скорость реакции по сравнению с первоначальной в тот момент, когда успеет прореагировать половина оксида азота?

(Ответ: в 6 раз)

6. Как изменятся концентрации реагирующих веществ (исходные концентрации А и В одинаковы) к тому моменту, когда скорость реакции, протекавшейсогласноуравнениюА(р)+В(р)=С(р),уменьшитсяв100раз?

(Ответ: уменьшатся в 10 раз) 7. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70 °С, если температурный коэффициент реакции равен 2.

(Ответ: в 16 раз)

8. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость некоторой химической реакции увеличивается в 4 раза. При какой температуре следует проводить эту реакцию, чтобы скорость реакции, идущей при 100 °С, уменьшить в 16 раз?

(Ответ: 80 ° С)

9. Энергия активации реакции O3(г) + NO(г) → O2(г) + NO2(г) равна 10 кДж/моль. Во сколько раз уменьшится скорость реакции при повышении температуры от 27 до 37 °С?

(Ответ: в 1,14 раза)

10.Что показывает константа равновесия? Запишите выражения для констант равновесия следующих обратимых реакций:

BaO(тв) + CO2(г) ↔ BaCO3(тв);

Fe3O4(тв) + 4H2(г) ↔ 3Fe(тв) + 4H2O(г);

N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г);

4NH3(г) + 5O2(г) ↔ 4NO(г) + 6H2O(г).

11.Константа равновесия реакции FeO(тв) + CO(г) ↔ Fe(тв) + CO2(г) при некоторой температуре равна 0,5. Найти равновесные концентрации СО и CO2, если начальные концентрации этих веществ со-

ставляли: [СО] = 0,05 моль/л; [CO2] =0,01 моль/л.

(Ответ: [СО] = 0,04 моль/л; [CO2] = 0,02 моль/л)

33

12. В какую сторону сместится равновесие реакций:

при повышении температуры? при повышении давления?

13. Почему при изменении давления смещается равновесие системы N2 + 3H2 ↔ 2NH3 и не смещается равновесие системы N2 + O2 ↔ 2NO? Напишитевыражениедляконстантравновесиякаждойизданныхсистем.

Тест для подготовки к экзамену

1.Скорость гомогенной реакции измеряется в

1)моль/л;

2)моль/с∙дм3;

3)моль/м2;

4)м/с.

2.Основное уравнение химической кинетики для гомогенной реакции типа 2А + В → С + D имеет вид

1)k CA CB ;

2)k CC CD ;

3)k CA2 CB2 ;

4)k CA2 CB .

3.Скорость гомогенной реакции не зависит от

1)температуры;

2)концентрации исходных веществ;

3)природы реагирующих веществ;

4)концентрации продуктов реакции.

4.Константа скорости реакции показывает

1)зависимость скорости реакции от концентрации;

2)скорость реакции при единичных концентрациях;

3)общее число соударений молекул;

4)что скорость реакции не зависит от температуры.

34

5.С увеличением температуры на 10 оС скорость химической реакции

1)возрастает на 2 – 4 моль/ч;

2)уменьшается в 2 – 4 раза;

3)возрастает в 2 – 4 раза;

4)увеличивается в 10 раз.

6.Энергия активации – это

1)избыточная энергия, которую необходимо сообщить молекулам исходных веществ, чтобы перевести их в реакционноспособное состояние;

2)запас энергии исходных молекул;

3)энергия, которая выделяется в ходе реакции;

4)энергия, необходимая для полного разрыва связей в молекулах исходных веществ.

7.Для вычисления энергии активации необходимо знать

1)начальную скорость реакции;

2)константы скорости реакции при двух различных температурах;

3)концентрацию исходных веществ;

4)порядок реакции.

8.Активированный комплекс отличается от промежуточного соединения, так как

1)он более устойчив;

2)его можно выделить в чистом виде;

3)ему соответствует максимальная энергия;

4)ему соответствует минимальная энергия.

9.Вещества,увеличивающие скоростьхимическойреакции,называются

1)ингибиторами;

2)катализаторами;

3)ускорителями;

4)промоторами.

10.При использовании катализатора изменяется

1)константа равновесия химической реакции;

2)тепловой эффект химической реакции;

3)энергия Гиббса;

4)энергия активации.

35

11.В отличие от химической термодинамики, химическая кинетика

1)предсказывает вероятность протекания реакций;

2)позволяет определить тепловой эффект химической реакции;

3)позволяет определить скорость химической реакции;

4)основывается на законе Гесса.

12.Укажите, какая из перечисленных реакций является гетерогенной.

1)H2(газ) + Cl2(газ) → hν → 2НCl(газ);

2)NH3(газ) + HCl(газ) → NH4Cl(тв);

3)O2 (газ) + 2NO(газ) → 2NO2(газ);

4)3H2(газ) + N2(газ) → kat Fe2O3 → 2NH3(газ).

13.Какое из определений гетерогенной реакции является верным?

1)реакция, которая идет в разных фазах;

2)реакция, которая идет в одной фазе;

3)реакциямеждувеществамиводинаковомагрегатномсостоянии;

4)реакция, которая идет на границе раздела фаз.

14.В уравнении химической кинетики гетерогенной реакции вместо концентрации твердого вещества входят

1)его плотность;

2)его масса;

3)площадь реакционной поверхности;

4)его объём.

15.Во сколько раз увеличится скорость реакции 2NO(газ) + O2(газ) → 2NO2(газ), если вдвое увеличить давление в системе?

1)в 2 раза;

2)в 4 раза;

3)в 6 раз;

4)в 8 раз.

16.Укажите значения константы скорости реакции N2 + O2 → 2NO, если при исходных концентрациях азота, равной 40 моль/л и кислорода, равной 20моль/л, начальная скоростьреакциибыларавна 20моль/дм3·с.

1)0,5 дм/моль·с;

2)0,025 дм3/моль·с;

3)0,25 л/моль∙с;

4)0,025 см3/моль∙мин.

36

17.Как изменится скорость реакции S(тв) + O2(газ) → SO2(газ), если в

2раза увеличить объём реакционного сосуда?

1)увеличится в 4 раза;

2)уменьшится в 2 раза;

3)уменьшится в 4 раза;

4)увеличится в 2 раза.

18.В какой из реакций увеличение давления в 2 раза приведет к возрастанию скорости реакции в 4 раза?

1)2NCl3(ж) → N2(газ) + 3Cl2 (газ);

2)2N2O5(тв) → 4NO2(газ) + O2(газ);

3)2NO(газ) + O2(газ) → 2NO2(газ);

4)2CO(газ) → CO2(газ) + C(тв).

19.Во сколько раз изменится скорость реакции С(тв) + О2(газ) → СО2(газ), если концентрация кислорода в реакционном сосуде понизится в 3 раза?

1)уменьшится в 3 раза;

2)увеличится в 3 раза;

3)уменьшится в 9 раз;

4)увеличится в 9 раз.

20.Как изменится скорость реакции, температурный коэффициент которойравен3,еслитемпературуреакционнойсмесиповыситьна30оС?

1)повысится в 27 раз;

2)повысится в 9 раз;

3)понизится в 9 раз;

4)повысится в 3 раза.

21.При уменьшении энергии активации скорость реакции

1)уменьшается;

2)не изменяется;

3)увеличивается;

4)уменьшается или увеличивается в зависимости от теплового эффекта реакции.

37

22.Чему равен температурный коэффициент реакции, если при повышении температуры на 40 оС скорость реакции выросла в 39 раз?

1)2,1;

2)3,1;

3)2,5;

4)3,5.

23.Концентрация N2O4 в ходе реакции N2O4(газ) → 2NO2(газ) за 20 минут уменьшилась на 25 %. Как изменилась скорость реакции?

1)увеличилась в 3,5 раза;

2)уменьшилась в 4 раза;

3)уменьшилась в 2,5 раза;

4)уменьшилась в 1,33 раза.

24.Во сколько раз надо увеличить концентрацию пероксида водорода, чтобы скорость реакции 2Н2О2 → 2Н2О + О2 выросла в 16 раз?

1)в 2 раза;

2)в 4 раза;

3)в 8 раз;

4)в 16 раз.

25.В системе протекает реакция 2AsH3(газ) → 2As(тв) + 3H2(газ). Во сколько раз уменьшится концентрация арсина, если за время реакции скорость уменьшилась в 9 раз?

1)в 9 раз;

2)в 6 раз;

3)в 3 раза;

4)в 2 раза.

26.При использовании катализатора энергия активации реакции уменьшилась со 150 до 105 кДж/моль. Температура проведения реакции 785 К. Во сколько раз выросла скорость реакции?

1)в 990 раз;

2)в 500 раз;

3)в 100 раз;

4)в 2000 раз.

38

27.Химическая кинетика не изучает

1)зависимость скорости реакции от температуры;

2)механизм химической реакции;

3)вероятность самопроизвольного протекания реакции;

4)каталитические процессы.

28.Скорость гетерогенной реакции не зависит от

1)концентрации твердого вещества;

2)от площади поверхности раздела фаз;

3)от температуры;

4)от природы реагирующих веществ.

29.Катализатор влияет на

1)тепловой эффект химической реакции;

2)механизм химической реакции;

3)константу равновесия;

4)вероятность протекания процесса.

30.Реакционным пространством для гомогенной реакции является

1)поверхность раствора;

2)граница раздела фаз;

3)объём реакционной смеси;

4)частицы твердого вещества.

31.Скорость гетерогенной реакции увеличивается

1)с увеличением объёма реакционного сосуда;

2)с увеличением площади поверхности раздела фаз;

3)при добавлении ингибиторов;

4)при увеличении размера частиц.

32.Наибольшей эффективностью обладает гетерогенный катализатор, изготовленный в виде

1)пористых гранул;

2)гладких сплошных сфер;

3)цельного куска;

4)тонкого металлического листа.

39