Самостоятельная работа № 3 по химии

Раздел 1. Обучающие примеры с алгоритмами решения по теме

«Скорость химической реакции, её зависимость от природы реагентов, концентрации и температуры. Химическое равновесие. Условия смещения равновесия»

Пример 1.Расчеты, основанные на применении закона действующих масс для

химических процессов, проходящих в гомогенной и гетерогенной среде

1. В результате реакции цинка сульфида с соляной кислотой за 6 мин образовалось 10,2 л сероводорода (н. у.). При взаимодействии цинка селенида в тех же условиях за такой же промежуток времени образовалось 4,48 л селеноводорода. Можно ли утверждать, что первая реакция протекает с большей скоростью?

Решение. Поскольку речь идет о химических процессах, запишем вначале уравнения реакций, о которых идет речь в задаче:

↑ и↑.

Уравнения реакций показывают, что объемы выделяющихся газов в первой и второйреакциях эквивалентны количествам веществи, израсходованных в процессе. Это означает, чтои.

Поскольку количество вещества любого газа при нормальных условиях прямо пропорционально его объему, отнесенному к молярному объему газа (), то;

и .

Следовательно, и количество вещества цинка сульфида за 6 мин уменьшилось на 0,45 моль , а количество вещества цинка селенида уменьшилось только на 0,20 моль.

Согласно уравнению средней скорости химического процесса . В этом уравнении объем реакционного сосудаVпримем равным 1 л, а промежуток времени Δτ известен по условию задачи, он равен 6 мин или. Подставив значенияVи Δτ в уравнение для скорости и произведя расчеты, получим:

;

.

И тогд.

Как показывают расчеты, скорость реакции взаимодействия соляной кислоты с цинка сульфидом в 2 раза больше, чем скорость реакции с цинка селенидом.

Ответ: да, можно утверждать, что первая реакция протекает с большей скоростью, т.к..

2. В реакции гидрирования ацетилена до этана концентрацию водорода увеличили в 6 раз, а концентрацию ацетилена уменьшили в 12 раз, поддерживая при этом температуру в системе постоянной. Определите, как изменилась скорость этой реакции.

Решение. В задаче речь идёт о реакции, которую условно можно принять за элементарную, одностадийную, гомогенную, протекающую по уравнению

.

Применим к этому процессу закон действующих масс, обозначив через – скорость реакции в начальный момент времени и через– скорость реакции после изменения концентраций реагирующих веществ. Тогда получим:

и

.

Чтобы узнать, как изменилась скорость реакции, разделим на:

Следовательно, в результате изменения концентраций водорода и ацетилена скорость реакции возросла в 3 раза.

Ответ: скорость реакции возросла в 3 раза.

3. Скорость процесса окисления аммиака кислородом, протекающего по уравнению

,

увеличилась в 512 раз. Определите, как изменилось при этом давление в зоне реакции.

Решение. Поскольку в реакции участвуют только газообразные реагенты, то их концентрации в объеме реакционного сосуда можно заменить парциальными давлениями. Применим к этому процессу закон действующих масс, обозначив через Р̃ парциальное давление каждого из компонентов в смеси, черезx– неизвестную величину, на которую изменилось давление в системе, через– скорость реакции в начальный момент времени и через– скорость реакции после изменения давления в системе. Тогда получим:

и.

И далее

. Откуда;;. Следовательно, давление в системе было увеличено в 2 раза.

Ответ: давление увеличено в 2 раза.

4. Реакция между веществамиподчиняется уравнению:. При начальных концентрациях реагентовискорость этой реакции была равна. Определите константу скорости реакции и установите, как изменится её скорость, когда в реакционном пространстве останется лишьвещества.

Решение. Запишем выражение закона действующих масс, которому подчиняются реагентыв этом химическом процессе:. По начальным концентрациям реагентов и скорости реакции вычислим её константу скорости:

, и далее.

Для расчета скорости реакции через определённый промежуток времени определим, если в сосуде осталось= 0,01 моль/л.

В реакцию вступили 0,02 реагентат.к..

Из уравнения реакции видно, что вещества расходуется в 2 раза больше, следовательно,, и=0,01.

Отсюда .

И тогда .

Ответ: скорость уменьшилась в 75 раз.

5. Через некоторое время после начала реакции, протекающей по уравнению

,

концентрации участвующих в ней веществ стали равными ():;;. Определите, какими были концентрации хлороводорода и кислорода в начале реакции, и как изменилась скорость этого процесса, если объем реакционного пространства оставался постоянным.

Решение. Запишем уравнение закона действующих масс для указанного процесса окисления хлороводорода к моменту, когда в системе уже образовалось 0,30 моль/л газообразного хлора:, и решим его:

.

Начальные концентрации и будут большена величину израсходованного количества веществаи, затраченных на образование 0,30 моль/л хлора. Уравнение реакции показывает, что на образование 2 мольрасходуется 4 мольи 1 моль. Следовательно, на образование 0,30 мольпотребуетсяи. Тогда начальные концентрации реагентов будут равны ():

;

.

В этих выражениях и. Поскольку объем системынеизвестен, его условно можно принять равным 1 л.

Теперь рассчитаем начальную скорость реакции:

Отношение скоростей составит величину , что доказывает уменьшение скорости в 11,35 раза.

Ответ: в начальный момент времени концентрации реагентов были равны ():;. Скорость реакции уменьшилась в 11,35 раза.

Пример 2. Определение порядка химической реакции и времени её протекания

1. Рассчитайте константу скорости реакции первого порядка, учитывая, что за 25 мин прореагировала четвертая часть участвующих в ней веществ.

Решение. Зависимость константы скорости реакции первого порядка от концентрации и времени протекания определяется уравнением:

.

Пусть начальная концентрация реагента , тогда через времяего концентрациястанет равной. Подставим значенияив уравнение для, переведя предварительно время в секунды, и произведем вычисления:

.

Ответ: константа скорости реакции первого порядка.

2. Константа скорости реакции первого порядка равнапри начальной концентрации участвующих в ней веществ, равной 1 моль/л. Определите, какое количество вещества реагентов останется не прореагировавшим через 10 ч после начала реакции.

Решение. Преобразуем относительноуравнение зависимости константы скорости реакции первого порядка от времени её протекания и получим:

, далееи окончательно.

Подставим в полученное выражение известные данные из условия задачи, преобразовав время в секунды, и произведем расчеты:

. отсюда

Ответ: через 10 ч после начала реакции в системе останется не прореагировавшими 0,409 моль реагентов.

3. Реакция разложения иодоводорода по уравнению

протекает с константой скорости . Рассчитайте время, за которое прореагирует 99% исходного вещества, если начальная концентрация была равна 1.

Решение. Уравнение химической реакции указывает на второй порядок зависимости скорости от концентрации. Связывающее их математическое выражение

.

Преобразуем его относительно времени τ: .

Подставим в полученное выражение известные данные, имея в виду, что к моменту времени τ не прореагировавшим останется 1% иодоводорода, что соответствует его молярной концентрации . И тогда

.

Ответ: 99% иодоводорода прореагирует за 148,6 ч.

4. Изучение кинетики окислительно-восстановительной реакции, протекающей по уравнению

,

показало, что её скорость пропорциональна концентрации каждого из реагентов в первой степени. Экспериментально получено, что при смешивании иодноватой и сернистой кислот с равными концентрациями, концентрация каждой из них через 40 с после начала опыта равнялась 0,25 моль/л, а через 60 с – 0,20 моль/л. Рассчитайте начальную концентрацию реагентов и константу скорости этой реакции.

Решение. В условии задачи указывается на второй порядок окислительно-восстановительной реакции, что подтверждает и само уравнение. Применим к нему выражение зависимости константы скорости от времени протекания реакции и концентрации:

.

Поскольку константа скорости не зависит от концентрации реагентов, то, используя значения концентрации реагентов за различные промежутки времени, мы получим следующее уравнение: .

Решая это уравнение относительно , получим:и далее, откуда.

Найденное значение начальной концентрации реагента подставим в выражение дляи найдем:.

Ответ:.

Пример 3. Вычисления зависимости скорости и константы скорости химической реакции от температуры по правилу Вант-Гоффа и уравнению Аррениуса. Расчеты энергии активации.

1. Определите, как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80⁰С. Температурный коэффициент скорости этой реакции равен 3.

Решение. Для реакций, протекающих в газовой фазе, понижение температуры в реакционной среде приводит к уменьшению скорости процесса. Следовательно, на вопрос «как изменится скорость» необходимо найти значение, где– скорости реакции при температурах.

Соотношение скоростей при различных температурах можно определить по уравнению Вант-Гоффа:

, где– температурный коэффициент Вант-Гоффа.

Подставим значения из условия задачи в данное уравнение и произведем расчеты:

.

Ответ: скорость реакции уменьшилась в 81 раз.

2. Для реакции радиоактивного превращения первого порядка установлено, что период полураспада составляетс при 323 К ис при 353 К. Определите температурный коэффициент константы скорости радиоактивного разложения вещества.

Решение.Зависимость константы скорости реакции первого порядка от периода полураспада вещества определяется выражением.

А температурная зависимость константы скорости реакции определяется выражением .

Используя данные задачи, определим значения константы скорости реакции и при температурахи:;

.

Тогда . И далее: и.

Ответ: температурный коэффициент реакции радиоактивного распада равен 1,88.