Винокурова_химические_системы_2011

11

ЗАДАНИЕ 2

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Цель и задачи

Изучив тему, Вы должны уметь:

1)выражать скорость заданной реакции через изменение концентрации какого-либо реагента от времени;

2)вычислять среднюю скорость реакции за некоторый промежуток времени по заданным концентрациям какого-либо реагента или продукта в начале и конце промежутка этого времени;

3)объяснять смысл термина «константа скорости»;

4)вычислять скорость, константу скорости или концентрацию реагента по заданному уравнению скорости и заданным значениям двух из этих переменных;

5)объяснять смысл понятия «энергия активации» и знать, как она связана с зависимостью скорости реакции от температуры;

6)записывать выражение для константы равновесия реакции по ее полному химическому уравнению как для гомогенного, так и для гетерогенного равновесия;

7)проводить вычисление константы по заданным равновесным концентрациям реагентов или продуктов, либо по исходным и равновесным концентрациям, по крайней мере, одного из участников реакции;

8)пользоваться константой равновесия для вычисления равновесных концентраций;

9)объяснять, как изменяются относительные равновесные количества реагентов и продуктов при изменениях температуры, давления или концентраций веществ, участвующих в равновесной реакции.

Для успешного усвоения темы «Химическая кинетика. Химическое равновесие» Вы должны знать:

1)способы выражения содержания вещества в системе (концен-

трации);

2)основные элементы и понятия термохимии: а) тепловой эффект реакции;

б) экзотермические и эндотермические реакции; в) уметь давать характеристику процесса по термохимическому

уравнению.

12

Литература

1.Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высшая школа, 2000. – Гл. V,

гл. VII.

2.Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1996. – Гл. VI.

3.Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. – М.: «Интеграл-

пресс», 1997. – Гл. V.

План изучения темы

1.Используя указанную литературу, ознакомиться со следующими вопросами темы и составить краткий конспект:

скорость химических реакций, понятие системы и реакции, скорость реакции в гомогенной и гетерогенной системах, зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ, закон действующих масс К.М. Гульдберга и П. Вааге, физический смысл константы скорости, зависимость скорости реакции от температуры и от природы реагирующих веществ, энергия активации, температурный коэффициент скорости реакции, понятие активированного комплекса, катализ, катализаторы, катализ гомогенный и гетерогенный, необратимые и обратимые реакции, химическое равновесие, константа равновесия, смещение химического равновесия, принцип Ле Шателье,

2.Разобрать упражнения с комментариями к ответам.

3.Выполнить задание согласно номеру своего варианта.

Упражнения с комментариями к ответам

Задача 1. Написать математическое выражение закона действующих масс для реакций а) 2NO (г) + Cl2 (г)  2NOCl (г);

б) СаСО3 (к)  СаО (к) + СО2 (г).

Решение. а) Согласно закону действующих масс, для гомогенной реакции υ = k[NO]2[Cl2];

б) поскольку карбонат кальция – твердое вещество, концентрация которого не изменяется в ходе реакций, искомое выражение будет иметь вид: υ = k, т.е. в данном случае скорость гетерогенной реакции при определенной температуре постоянна.

13

Задача 2. Как изменится скорость реакции между сернистым газом и кислородом 2SО2 (г) +О2 (г)2SО3(г), если уменьшить объем газовой смеси в 3 раза?

Решение. До изменения объема скорость гомогенной реакции выражается уравнением: υ = k[SО2]2[О2].

С уменьшением объема концентрация каждого из реагирующих веществ возрастает в три раза: υ' = k(3[SО2])2(3[О2]) = 27k[SО2]2[О2].

Находим отношение υ' к υ, согласно которому скорость реакции возрастает в 27 раз.

Задача 3. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе при повышении температуры от 30 до 700С, если температурный коэффициент реакции 2.

Решение. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа: «При повышении температуры на 100С скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза».

В математической форме эта зависимость выражается так:

где t 2 – скорость реакции при температуре t2;

t1 – скорость реакции при начальной температуре t1;

γ – температурный коэффициент скорости, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на

100C.

Следовательно, скорость реакции увеличится в 16 раз.

Задача 4. Вычислить температурный коэффициент, зная, что при увеличении температуры на 400C скорость реакции увеличится в 256 раз.

Решение. Температурный коэффициент γ – число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость химической реакции при повышении температуры на 100C. Следовательно,

14

40

10 256 или 4 256

Логарифмируя это выражение, находим:

4lg γ = lg 256 = 2,408; lg γ = 0,602; γ = 4.

Задача 5. Равновесие реакции Н2 + J2  2HJ установилось при следующих концентрациях участвующих в ней веществ: [H2] = 0,25 моль/л, [J2] = 00,5 моль/л, [HJ] = 0,9 моль/л. Определите исходные концентрации йода и водорода.

Решение

1 способ. Обозначим через [ ]исх концентрацию веществ в начале реакции, через [ ]р – концентрации веществ в момент равновесия; х – число молей, вступивших в реакцию. Тогда [Н2]p = 0,25 моль/л; [J2]p = 0,05

моль/л; [HJ]р = 0,9 моль/л.

Если в реакцию вступает х моль/л водорода, то согласно уравнению (см. коэффициенты) столько же моль иода (х моль/л) вступает в реакцию и при этом образуется 2х моль/л иодоводорода.

Отсюда исходные концентрации водорода и иода равны:

[Н2]исх = [Н2]p + х; [J2]исх = [J2]p + х.

В процессе реакции водород и иод расходуются, а йодоводород образуется. Его исходная концентрация равна нулю:[HJ]исх = 0, а равновесная концентрация [HJ]р = 2х = 0,9 моль/л; отсюда х = 0,45 моль/л. Тогда:

[Н2]исх = [Н2]p + х = 0,25 + 0,45 = 0,7 моль/л, [J2]исх = [J2]p + х = 0,05 + 0,45 = 0,5 моль/л.

2 способ. Из уравнения реакции следует, что для получения 2 моль/л HJ необходимы 1 моль/л Н2 и 1 моль/л J2. Концентрация HJ равна 0,9 моль/л. Значит, для образования этого количества HJ в реакцию должны вступить 0,45 моль Н2 и 0,45 моль/л J2.

Исходные концентрации иода и водорода будут равны:

[Н2]исх = 0,25 + 0,45 = 0,7 моль/л; [J2]исх = 0,05 + 0,45 = 0,5 моль/л.

Задача 6. Константа равновесия гомогенной реакции СО (г) + Н2О (г)  СО2 (г) + Н2 (г) при 8500С равна 1.

Вычислить концентрации всех веществ в состоянии равновесия, если исходные концентрации [СО]исх = 3 моль/л, [Н2О]исх = 2 моль/л.

В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение kр входят равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, к моменту равновесия израсходуется х моль СО. Согласно уравнению реакции, столько же моль Н2О (х моль/л) вступит в реакцию. Тогда их равновесные концентрации можно выразить так:

[СО]p = [СО]исх – х = (3 – х) моль/л, [Н2О]p = [Н2О]исх – х = (2 – х) моль/л.

К началу реакции [СО2]исх = [Н2]исх = 0 моль/л, [СО2]р = [Н2]р = х моль/л, согласно уравнению.

Зная константу равновесия, находим значение х, а затем исходные концентрации всех веществ:

х2 = 6 – 2х – 3х + х2; 5х = 6; х = 1,2 моль/л.

Таким образом, искомые равновесные концентрации: [СО2]p = 1,2 моль/л; [Н2]p = 1,2 моль/л; [СО]p = 3 – 1,2 = 1,8 моль/л; [Н2О]p = 2 – 1,2 = 0,8 моль/л.

Задача 7. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению PCl5 (г)  PCl3 (г) + Cl2 (г); H0 = + 92,59 кДж.

Как надо изменить: а) температуру, б) давление, в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции?

Решение. Смещением, или сдвигом химического равновесия называется изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции (концентрации какоголибо из веществ, участвующих в равновесии, давления или температуры).

Направление, в котором сместится равновесие, определяется по принципу Ле Шателье: «Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней

16

процессов равновесие сместится в сторону той реакции, которая уменьшает это воздействие».

При увеличении концентрации какого-либо из веществ, участвующих в реакции, равновесие смещается в сторону расходования этого вещества; при уменьшении концентрации какого-либо из веществ равновесие смещается в сторону образования этого вещества.

При увеличении давления путем сжатия системы равновесие сдвигается в сторону уменьшения числа молекул газов, т.е. в сторону понижения объема; при уменьшении давления равновесие сдвигается в сторону увеличения числа молекул газов, т.е. в сторону увеличения объема.

При повышении температуры равновесие смещается в направлении эндотермической, а при понижении – в направлении экзотермической реакции.

В данной системе прямая реакция (реакция разложения PCl5) - эндотермическая (ΔH > 0). Следовательно, для смещения равновесия в сторону прямой реакции следует повысить температуру.

Так как в данной системе разложение PCl5 ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции следует уменьшить давление.

Смещения равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации PCl5, так и уменьшением концентрации

PCl3 или Cl2.

Задача 8. Реакция протекает при температуре 600C за 4 мин 15 с. За какое время закончится эта реакция при температуре 800C, если температурный коэффициент равен 2?

17

Скорость реакции обратно пропорциональна времени реакции:

Определяем τ(t2) = ¼ 256 = 64 с = 1 мин 4 с.

Задания для самостоятельного выполнения

Вариант 1

1.Как изменится скорость реакции 2NO (г) + Cl2 (г) = 2NOCl (г), если:а) увеличить давление в реакционном сосуде в 3 раза;

б) понизить концентрацию NO в 3 раза?

2.Смешали по 4 моль веществ А, В и С. После установления равновесия 2А + В = С в системе обнаружили 4,5 моль вещества С. Рассчитайте константу равновесия.

3.В каком направлении будет смещаться равновесие: а) при повышением температуры; б) при повышении давления для следующих об-

Напишите выражения констант равновесия для каждой из реакций.

Вариант 2

1.Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 40 градусов скорость реакции возрастает в 81 раза?

2.Константа равновесия реакции Н2 (г) + Br2 (г)  2HBr при некоторой температуре равна 1. Сколько процентов брома подвергнется превращению, если смешать 4 моль водорода и 6 моль брома?

3.Для какой из реакций уменьшение объема системы и понижение

температуры смещают равновесие в одном направлении?

1) SO3 (г) + NО (г)  SO2 (г) + NO2 (г); Н0 > 0

2) 2Н2S (г) + SО2 (г)  3S (к) + 2Н2О (г); Н0 > 0 3) N2 (г) + 3Н2 (г)  2NH3 (г); Н0 < 0

Запишите выражение для константы равновесия этой реакции

Вариант 3 1. Растворение образца цинка в соляной кислоте при 200С заканчи-

вается через 16 минут, а при 400С такой же образец металла растворяется за 4 минуты. За какое время данный образец растворится при 600С?

18

2. Начальная концентрация SO2Cl2 была равна 0,5 моль/л. При некоторой температуре на момент установления равновесия

SO2Cl2  SO2 + Cl2 разложилось 0,3 моль. Определите константу равновесия при этой температуре.

3.В какую сторону сместится равновесие реакций:

1) ВаСО3 (к)  ВаО (к) + СО2 (г); Н0 > 0

2) SO3 (г) + NО (г)  SO2 (г) + NO2 (г); Н0 > 0 3) 2O3 (г)  3О2(г); Н0 < 0

а) при понижении температуры, б) при понижении давления? Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

Вариант 4 1. Во сколько раз нужно увеличить давление, чтобы скорость обра-

зования NOCl в реакции 2NO (г) + Cl2 (г) = 2NOCl (г) возросла в 125 раз?

2.Константа скорости реакции N2 + O2 = 2NO при некоторой температуре равна 0,32. Исходные концентрации реагирующих веществ: [N2] = 0,05 моль/л; [O2] = 0,085 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и скорость, когда [N2] стала равной 0,02 моль/л.

3.Какие факторы способствуют смещению равновесия в сторону образования исходных веществ в реакциях

1) СО2 (г) + С (т)  2СО; Н0 = 72,6 кДж

2) Fe2O3 (т) + 3Н2 (г)  2Fe (т) + 3Н2О (г); Н0 = - 89,6 кДж?

Запишите выражения констант равновесия для данных систем.

Вариант 5 1. Скорость некоторой реакции увеличивается в 3 раза при повыше-

нии температуры на каждые 100С в интервале от 0 до 800С. Во сколько

раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры от 20 до 600С?

2. Смешали по 5 моль веществ А, В и С. После установления равновесия 2А = В + С в системе обнаружили 6 моль вещества С. Рассчитайте константу равновесия.

3. В каком направлении сместится равновесие реакций

1) 2СО (г) + О2 (г)  2СО2 (г); Н0 = – 566 кДж 2) N2 (г) + О2 (г)  2NO (г); Н0 = 180 кДж

а) при повышении температуры; б) при повышении давления? Запишите выражения констант равновесия.

Вариант 6

1.Как изменится скорость реакции А2 (г) + 2В (к) = 2АВ (г), протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 5 раз?

2.В закрытом сосуде установилось равновесие

19

СO2 (г) + Н2 (г)  СО (г) + Н2О (г). Константа равновесия равна единице. Определите, какая доля СО2 подвергнется превращению в СО при данной температуре, если смешать 3 моль СО2 и 6 моль водорода?

3. В каком направлении сместится положение равновесия реакции

2Cu(NO3)2 (т)  2CuO (т) + 4NO2 (г) + О2 (г); Н0 > 0

а) при увеличении температуры; б) при уменьшении давлении; в) при удалении оксида азота (IV)? Запишите выражение константы равновесия данной системы.

Вариант 7 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакций в

системе CO (г) + Cl2 (г)  COCl2 (г), если объем газовой смеси уменьшится в 3 раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

2.Константа равновесия реакции А + В  С + Д равна единице. Начальные концентрации веществ A и В равны 0,03 и 0,05 моль/л, соответственно. Сколько процентов вещества А подвергается превращению при этом?

3.Для какой из трех приведенных ниже реакций

1) ВаСО3 (к)  ВаО (к) + СО2 (г); Н0 > 0

2) SO3 (г) + NО (г)  SO2 (г) + NO2 (г); Н0 > 0 3) 2SO2 (г) + O2 (г)  2SО3 (г); Н0 < 0

смещение равновесия в сторону образования продуктов обеспечивается как понижением температуры, так и повышением давления?

Для уравнения (1) запишите выражение константы равновесия.

Вариант 8 1. Скорость некоторой реакции увеличивается в 2 раза при повыше-

нии температуры на 100С. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 20 до 700С?

2.В замкнутом сосуде протекает реакция АВ (г)  А (г) + В (г). Константа равновесия реакции равна 0,09. Равновесные концентрации веществ А и В составляют по 0,3 моль/л. Найдите начальную концентрацию вещества АВ. Сколько процентов вещества АВ разложилось?

3.В каком направлении сместится равновесие реакции

2СО + 2Н2  СН4 + СО2, если концентрации всех реагирующих веществ увеличить в 4 раза?

Запишите выражение для константы равновесия.

Вариант 9 1. Чему равен температурный коэффициент реакции, если при по-

вышении температуры на 700 скорость химической реакции возрастает в

128 раз?

20

2.При некоторой температуре равновесие реакции разложения оксида

азота (IV) 2NO2  2NO + O2 установилось при следующих концентрациях: [NO2] = 0,04 моль/л; [NO] = 0,08 моль/л. Рассчитайте константу равновесия реакции и исходную концентрацию NO2.

3.Как следует изменить: а) температуру и б) давление, чтобы сме-

стить равновесие реакции

2Н2S (г) + SО2 (г)  3S (к) + 2Н2О (г); Н0 > 0 в сторону образования продуктов?

Запишите выражение для константы равновесия.

Вариант 10 1. Реакция между веществами А и В выражается уравнением:

А + 2ВС. Исходные концентрации составляют: [A] = 0,04 моль/л, [B] = 0,06 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4. Найдите начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,01 моль/л.

2.Химическое равновесие реакции А (г) + В (г)  С (г) + Д (г) установилось при следующих концентрациях: [А] = 6 моль/л, [В] = 2 моль/л, [Д] = 3 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные концентрации веществ А и В.

3.Укажите, как нужно изменить температуру, давление, концентрации веществ, чтобы сместить химическое равновесие в сторону увели-

чения выхода продукта реакции:

2NO (г) + O2 (г)  2NO2 (г); Н0 < 0

Запишите выражение для константы равновесия.

Вариант 11 1. При 500С реакция протекает за 8 мин. За какое время будет про-

текать эта реакция при 900С? Температурный коэффициент реакции равен 2.

2.Константа равновесия обратимой реакции А (г) + В (г)  С (г) +Д (г) равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех веществ, если известно, что в начале реакции система содержала 30 моль вещества А и 20 моль вещества В. Объем системы 5 л.

3.Как повлияет на выход хлора в реакции

4HCl (г) + О2 (г)  2Cl2 (г) + 2Н2О (ж); Н0 = – 202,4 кДж,

а) понижение температуры в реакционном объеме, б) уменьшение концентрации хлороводорода, в) увеличение давления в реакторе, г) введение катализатора?

Запишите выражение для константы равновесия.