7. Закономерности протекания химических реакций

Химические реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Первые протекают в системах, не имеющих границы раздела фаз (газы, жидкости), а вторые - в системах, обладающих такой границей, на которой свойства системы меняются скачкообразно. Одной из важнейших характеристик химической реакции является ее скорость.

Скоростью химической реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в ее ходе за единицу времени в единице объема системы (для гомогенной реакции) или на единице площади раздела фаз (для гетерогенных реакций).

Количественно скорость реакции можно выразить как отношение изменения концентрации реагентов или продуктов реакции ΔС к интервалу времени Δτ, за который произошли эти изменения: . Скорость реакции является функцией природы реагентов, их концентрации, температуры. Зависимость скорости гетерогенной реакции А + В = С от концентраций реагентов [А] и [В] определяетсязаконом действия масс. При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагентов.

Математически закон действия масс выражается соотношением:

v = k[А]*[В],

где k - константа скорости реакции.

Для реакции А + 2В = АВ₂ ее скорость v = k[А]*[В]².

При изменении температуры меняется как скорость реакции, так и её константа, но таким образом, что отношение скорости реакции при температуре (t + 10) ⁰С к скорости при температуре t ⁰С равно отношению констант скорости реакции при тех же температурах:

,

где γ - температурный коэффициент скорости реакции. Значение которого для большинства реакций находится в пределах от 2 до 4 (правило Вант-Гоффа). Если температура изменяется не на 10, а на t ⁰С, то правило приобретает несколько другой вид:

.

В ходе реакции концентрации реагентов постепенно уменьшаются. Тогда, в соответствии с законом действия масс, уменьшается и скорость реакции. Иногда взаимодействие продуктов реакции приводит к образованию исходных веществ, вступивших в реакцию. В этих случаях говорят об обратимых реакциях. По мере исчерпания исходных веществ увеличивается концентрация продуктов реакции, значит, возрастает и скорость обратной реакции. Наконец наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакций уравниваются, возникает состояние химического равновесия, при котором концентрации исходных веществ и продуктов реакции остаются неизменными. Если обратимая реакция (обозначим ее вместо знака равенства знаком ) описывается выражением А + B  С + D, то скорость прямой реакции v_пр = k_пр[A]*[B], а скорость обратной реакции v_об = k_об[C]*[D]. В состоянии химического равновесия v_пр = v_об, откуда следует, что отношение , равное отношению, есть величина постоянная, она обозначается буквойK и называется константой химического равновесия реакции. Для общего случая обратимой реакции, описываемой уравнением mА + nВ  рС + qD, константа равновесия реакции:

.

Пример 7.1. Как изменится скорость реакции Н₂+С1₂=2НС1, если концентрация реагентов увеличится в 3 раза?

Решение:

Запишем выражение для скорости реакции до и после изменения концентраций реагентов:

v₁=k[Н₂]*[С1₂].

v₂=k[3Н₂]*[ЗС1₂].

Найдем отношение

.

Ответ: Скорость реакции возрастет в 9 раз.

Пример 7.2. При увеличении температуры на 50 ⁰С скорость реакции возросла в 1024 раза. Найти температурный коэффициент реакции.

Решение:

В соответствии с правилом Вант-Гоффа . По условию задачи, отношение скоростей равно 1024, т. е.. Прологарифмировав это соотношение, получаем:.

Или .

Подставляя численные значения, получим .

Потенцированием находим γ = 4.

Ответ: Температурный коэффициент реакции γ = 4.

Пример 7.3. В состоянии равновесия обратимой реакции:

N₂ + 3Н₂  2NH₃

концентрации веществ равны: [N₂]=1,5 моль/л; [Н₂]=4,5 моль/л; [NH₃]=2 моль/л. Чему равны исходные концентрации водорода и азота и константа химического равновесия?

Решение: Исходя из уравнения реакции, константа химического равновесия

.

Далее, из уравнения реакции следует, что 1 моль азота реагирует с 3 молями водорода. Это значит, что изменение концентрации водорода и изменение концентрации азота связаны соотношением: Δ[Н₂] = 3Δ[N₂]. С другой стороны, из уравнения реакции следует, что 2Δ[N₂]=[NH₃]=2 моль/л (по условию задачи). Откуда получаем: Δ[N₂]=1 моль/л, а Δ[Н₂]=3Δ[N₂]=3 моль/л. Выразим теперь исходные концентрации азота и водорода через равновесные и через изменения концентраций:

[H₂]_исх-Δ[Н₂]=4,5 моль/л;

[N₂]_исх-Δ[N₂]=1,5 моль/л;

Тогда:

[Н₂]_исх = 4,5 моль/л + Δ[Н₂] = 4,5 моль/л +3 моль/л = 7,5 моль/л;

[N₂]_исх = 1,5 моль/л + Δ[N₂] = 1,5 моль/л + 1 моль/л = 2,5 моль/л.

Ответ: [Н₂]_исх=7,5 моль/л; [N₂]_исх = 2,5 моль/л; K = 0,03.

Задачи

7.1. Найти значение константы скорости реакции А+ВАВ, если при концентрациях веществ А и В, равных соответственно 0,05 и 0,01 моль/л, скорость реакции равна 5*10^-5 моль/(л*мин).

7.2. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А+ВА₂В, если концентрацию вещества А увеличить в два раза, а концентрацию вещества В уменьшить в два раза?

7.3. В два сосуда одной и той же вместимости введены: в первый - 1 моль газа А и 2 моля газа В, во второй — 2 моля газа А и 1 моль газа В. Температура в обоих сосудах одинакова. Будет ли различаться скорость реакции между газами А и В в этих сосудах, если скорость реакции выражается: а) уравнением v₁=k₁[A]*[B]; б) уравнением v₂=k₂[А]² [В]?

7.4. В системе СО+С1₂=СОС1₂ концентрацию увеличили от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрацию хлора от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

7.5. Две реакции протекают при 25 ⁰С с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости первой реакции равен 2,0, а второй – 2,5. Найти отношение скоростей этих реакций при 95 ⁰С.

7.6. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 30 ⁰C скорость реакции возрастает в 15,6 раза?

7.7. Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен 2,3. Во сколько раз увеличится скорость этой реакции, если повысить температуру на 25 ⁰C?

7.8. При некоторой температуре равновесие в системе 2NO₂2NO+О₂ установилось при следующих концентрациях: [NO₂]=0,006 моль/л; [NO]=0,024 моль/л. Найти константу равновесия реакции и исходную концентрацию NO₂.

7.9. Константа равновесия реакции А(г.)+В(г.)С(г.)+О(г.) равна 1. Сколько процентов вещества А подвергнется превращению, если смешать 3 моля вещества А и 5 молей вещества В?

7.10. После смешивания газов А и В в системе А(г.)+В(г.)C(г.)+D(г.) устанавливается равновесие при следующих концентрациях: [В]=0,05 моль/л; [С]=0,02 моль/л. Константа равновесия реакции равна 4*10^-2. Найти исходные концентрации веществ Аи В.

7.11. В замкнутом сосуде протекает реакция АВ(г.)А(г.)+В(г). Константа равновесия реакции равна 0,04, а равновесная концентрация вещества В составляет 0,02 моль/л. Найти начальную концентрацию вещества АВ. Сколько процентов вещества АВ разложилось?

7.12. Константа равновесия реакции А+ВC+D равна единице. Начальная концентрация [А]₀=0,02 моль/л. Сколько процентов вещества А подвергается превращению, если начальные концентрации [В]₀=0,02, 0,1 и 0,2 моль/л?

7.13. Как зависит скорость химической реакции от концентрации реагирующих веществ? Написать математические выражения для скоростей реакций, протекающих по уравнениям:

1) 4NH₃ + 5О₂ = 4NO + 6Н₂О;

2) 2H₂S + SO₂ = 3S + 2Н₂О;

3) Н₂ + С1₂ = 2НС1.

7.14. Как изменится скорость реакции 2NO+О₂=2NO₂, если концентрации исходных веществ увеличить в 4 раза?

7.15. Как изменится скорость реакции 2SO₂ + О₂ = 2SO₃:

1) если увеличить концентрацию кислорода в 2 раза?

2) если, оставив концентрацию кислорода начальной, увеличить втрое концентрацию SO₂?

7.16. Во сколько раз необходимо увеличить для реакции 2H₂S+SO₂=3S+2Н₂О концентрацию сероводорода или оксида серы(IV), чтобы в обоих случаях скорость реакции возросла в 9 раз?

7.17. Реакция между веществами А и В протекает по уравнению А+2В=С. Начальная концентрация вещества А равна 0,3 моль/л, а вещества В - 0,5 моль/л. Константа скорости данной реакции 0,4. Вычислить начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшилась на 0,1 моль/л.

7.18. Две реакции между простыми веществами протекают с такой скоростью, что за одну минуту образуется в первой реакции 6 г сероводорода, а во второй реакции 20 г йодоводорода. Какая из этих реакций протекает с большей скоростью?

7.19. На сколько градусов Цельсия надо повысить температуру, чтобы скорость реакции увеличилась в 64 раза, если температурный коэффициент реакции равен двум?

7.20. Скорость химической реакции при 40 ⁰С равна 1 моль/(л*с). Вычислить скорость этой реакции при 80 ⁰С, если температурный коэффициент реакции равен четырем.

7.21. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции: 2SO₂(г.)+O₂(г.)2SO₃(г.)

если объём газовой смеси уменьшится в три раза? В какую сторону сместится равновесие реакции?

7.22. Вычислите во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70 ⁰С, если температурный коэффициент реакции равен 2.

7.23. Константа равновесия системы:

СО(г.)+Н₂О(г.)СО₂(г.)+Н₂(г)

равна 1 при 850 ⁰С. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации [СО]_исх = 3 моль/л, [Н₂О]_исх =3 моль/л.

7.24. Константа скорости реакции разложения N₂O протекающей по уравнению 2N₂O=2N₂+O₂, равна 5*10^-4. Начальная концентрация N₂Oравна 6,0 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и её скорость, когда разложится 50% N₂O.

7.25. Равновесие гомогенной системы:

4HCl(г.)+O₂(г.)2H₂O(г.)+2Cl₂(г.)

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ [Н₂О]_р = 0,14 моль/л, [Cl]_р = 0,14 моль/л, [HCl]_р = 0,20 моль/л, [O₂]_р = 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода.