МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Новосибирский государственный
архитектурно-строительный университет (Сибстрин)
Кафедра химии
Химическая кинетика
Методические указания по решению задач
для студентов I курса всех специальностей
и форм обучения
НОВОСИБИРСК 2009
Методические указания разработаны
канд. хим. наук, доцентом Н.В. Благининой,
канд. хим. наук, доцентом Т.М. Крутской,
канд. хим. наук, и.о. доцента М.Л. Косиновой
Утверждены на заседании учебно-методической комиссии СТФ
_______________________________
Рецензент: Н.И. Файнер, к.х.н., с.н.с. ИНХ СО РАН
Новосибирский государственный
архитектурно-строительный университет
(Сибстрин, 2009 г)
Т – температура, К;
t – температура, 0C;
р – давление, Па;
m(B) – масса вещества с формульной единицей В, г;
M(B) – молярная масса вещества B, г/моль;
n(B) = m(B)/M(B) – количество вещества, моль;
(В) – объем газообразного вещества при нормальных условиях, л;
(В) – молярный объем газообразного вещества при нормальных условиях, равный 22,4 л/моль;
с(В) – молярная концентрация вещества В, моль/л;
– средняя скорость химической реакции, моль/л∙c;
– истинная скорость химической реакции, моль/л∙с;
– время, с;
Δ = 2 – 1 – время протекания реакции, с;
– константы скоростей прямой и обратной реакций, соответственно;
– температурный коэффициент скорости реакции;
Еa – энергия активации, кДж/моль;
н.у. – нормальные условия, T=273K, р=101,3·103 Па;
с.у. – стандартные условия, T=298K, р=101,3·103 Па;
С.О.(Э) – степень окисления элемента
-
Кинетика химических реакций
-
Основные определения
Химическая кинетика – раздел физической химии, изучающий скорости протекания химических реакций, их механизм и факторы, влияющие на скорость реакций. Скорость химической реакции определяется изменением количества одного из реагентов или продуктов реакции в единицу времени в единице реакционного пространства. Отсюда скорость реакции
, (1)
где – изменение количества вещества , моль, за промежуток времени реакции , с-1; – объем системы, л.
Учитывая, что молярная концентрация вещества
моль/л, (2)
то изменение молярной концентрации
, моль/л;, (3)
и ,соответственно, получаем среднюю скорость реакции за промежуток времени :
, (4)
где знак (+) относится к изменению концентрации продуктов реакции, знак (-) – к изменению концентрации реагентов.
В уравнении химической реакции:
(5)
, – реагенты – вещества, вступающие в реакцию;
, – продукты – вещества, образующиеся в результате реакции;
, , , – стехиометрические коэффициенты, показывающие, какое количество соответствующего вещества участвует в реакции.
В ходе реакции концентрации веществ все время меняются, поэтому в химической кинетике рассматривают истинную, или мгновенную скорость реакции (в данный момент времени) и выражают ее первой производной концентрации вещества по времени:
(6)
Скорость химической реакции зависит от многих факторов: от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, присутствия катализаторов, давления (в реакциях с участием газов).
Под природой реагирующих веществ понимают реакционную способность этих веществ, которая, так же как физические и химические свойства веществ, зависит от их состава, строения и внутримолекулярных связей.
-
Закон действующих масс
Влияние концентрации веществ на скорость реакции определяется законом действующих масс: при постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Закон действующих масс для прямой гомогенной реакции,
(7)
протекающей слева направо в однородной среде (смесь газов, раствор) (), имеет вид:
(8)
Для гетерогенной реакции, протекающей на границе раздела фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной) концентрации веществ, находящихся в конденсированном состоянии, постоянны и включаются в константу скорости реакции. Тогда для прямой реакции
, (9)
если вещество твердое, закон действующих масс запишется:
(10)
Для обратимых химических реакций, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, скорости реакции (5) запишутся:
Таблица 1
Вид реакции |
скорость реакции |
|
прямой () |
обратной () |
|
Гомогенная |
||
Гетерогенная: вещества и твердые или жидкие |
– константы скоростей прямой и обратной реакций, соответственно. Физический смысл константы скорости: при концентрации всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л, константа скорости равна скорости реакции.
Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и присутствия катализатора. Для каждой реакции при постоянной температуре константа скорости величина постоянная.
Используя закон действующих масс, можно определить, как будет изменяться скорость реакции при изменении параметров системы: , , .
Пример 1. Для гомогенной газофазной реакции
определить: а) во сколько раз изменится скорость прямой реакции, если концентрацию азота уменьшить в 2 раза, а концентрацию водорода увеличить в 2 раза; б) давление в системе увеличить в 3 раза.
Решение. а) Согласно закону действующих масс, скорость прямой химической реакции описывается уравнением
.
После изменения концентрации реагентов будут равны
; , тогда
, или
.
Изменение скорости прямой реакции по отношению к первоначальной:
,
т. е. скорость прямой реакции увеличится в 4 раза.
б) Из уравнения состояния газов (уравнение Менделеева-Клапейрона)
(11)
следует с учетом (2):
, (12)
что (при ) прямо пропорционально молярной концентрации газообразных веществ.
Следовательно, увеличение (или уменьшение) давления в системе в раз приводит соответственно к увеличению (или уменьшению) концентрации всех газов-участников реакции также в раз.
Тогда по условию задачи при увеличении давления в 3 раза новые концентрации веществ ():
; ,
тогда или
,
откуда: ,
т. е. скорость прямой реакции увеличится в 81 раз.
Пример 2. Для реакции определите: а) как был изменен объем системы, если скорость прямой реакции уменьшилась в 4 раза? б) во сколько раз при этом изменилась скорость обратной реакции?
Решение. а) Прямая реакция гетерогенная, концентрация твердого углерода не входит в выражение скорости реакции, поэтому:
,
или, учитывая:
,
получаем:
.
Обозначим новый объем ; так как количество в системе не меняется, то
,
и
По условию задачи , откуда
;
или , т. е. .
Следовательно, объем системы увеличился в 2 раза ().
б) Поскольку молярная концентрация вещества обратно пропорциональна объему системы (уравнение 2), то при увеличении объема в раз концентрации газообразных и растворенных веществ уменьшаются в раз, а при уменьшении объема системы в раз концентрации этих веществ увеличиваются в раз.
Если объем системы увеличился в 2 раза, то для обратной гомогенной реакции закон действующих масс запишется:
до изменения объема:
;
после увеличения объема в 2 раза:
.
И тогда отношение скоростей будет равно:
Таким образом, скорость обратной реакции уменьшилась в 8 раз.