ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Брянская государственная инженерно-технологическая академия

Кафедра химии

Х И М И Я

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ (№ 2)

для студентов специальности 260400 - “Лесное хозяйство” и 260500 - “Садово-парковое и ландшафтное строительство.

2.1. Химическая кинетика и равновесие

2.2. Растворы

БРЯНСК 2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Брянская государственная инженерно-технологическая академия

Кафедра химии

УТВЕРЖДЕНО

Научно-методическим советом

БГИТА

Протокол № ____ от_________2007г

Х И М И Я

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ (№ 2)

2.1. Химическая кинетика и равновесие

2.2. Растворы

для студентов первого курса специальности 260400 - “Лесное хозяйство” и 260500 - “Садово-парковое и ландшафтное строительство.

БРЯНСК 2007

Составитель: д.х.н., профессор Пашаян А.А.

Рецензент: к. х. н., доцент Лукашов С.В.

Рекомендовано учебно-методической комиссией лесохозяйственного факультета

Протокол № _____ от «____»___________ 2007г.

Контрольная работа 2.1 «Химическая кинетика и равновесие»

2.1.1. Химическая кинетика

Теоретические пояснения

Скоростью химической реакции называют изменение концентра­ции реагирующего вещества в единицу времени. Её размерность мольл^-1с^-1. Скорость реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от условий протекания процесса (концентрации реагирующих веществ, темпе­ратуры, наличия катализатора и др.).

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению кон­центраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции Н₂(г) + I₂ (г) 2HI(г)

закон действующих масс может быть записан V = kC_HC_I

где V — скорость химической реакции; k — константа скорости; C_H и C_I - концентрации реагирующих веществ, моль/л.

Реакции в гетерогенной системе осуществляются на поверхности раздела между фазами. Поэтому скорость гетерогенных реакций при постоянной температу­ре зависит не только от концентрации веществ, но и от площади поверхности раздела. Так, для реакции сгорания кристаллического углерода в атмосфере кислорода: С(к) + О₂(г) СО₂(г), углерод находится в гетерогенной (твердой фазе) и его концентрация не может быть учтена в выражении скорости реакции. Для данного примера закон действующих масс имеет вид V = k S; где k- константа скорости; - концентрация кислорода;, S - площадь поверхности раздела между фазами.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа:

где и скорости реакции при Т₂ и Т₁, - температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10^о.

Одним из методов ускорения химической реакции является катализ, который осуществляется при помощи веществ (катализаторов), увеличивающих скорость реакции, но не расходующихся в результате ее протекания.

Механизм действия катализатора сводится к уменьшению величины энергии активации реакции, т.е. к уменьшению разности между средней энергией активных молекул (активного комплекса) и средней энергией молекул исходных веществ. Скорость химичес­кой реакции при этом увеличивается.

Необходимый уровень подготовки студентов

1. Знать понятия: скорость химической реакции, катализ и катализатор, константа скорости химической реакции, энергия активации, порядок реакции.

2. Знать факторы, влияющие на скорость химической реакции.

3. Уметь выражать связь между скоростью реакции и концентраций реагирующих веществ на основе закона действующих масс.

4. Знать правило Вант - Гоффа, уметь применять его для нахождения скорости химической реакции при повышении температуры на определенное число градусов.

5. Знать уравнение Аррениуса, уметь применять его для нахождения значений энергии активации химической реакции.

Примеры решения задач

Задача 1. Реакция между веществами А и В протекает по уравнению 2A + B = C; концентрация вещества А равна 6 моль/л, а вещества В - 5 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,5 л²моль^-2•с ^–1. Вычислите скорость химической реакции в начальный момент и в тот момент, когда в реакционной смеси останется 45 % вещества В.

Решение. Согласно закону действующих масс скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению кон­центраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Следовательно, для уравнения реакции в на­шем примере V= KC_A² C_B

Скорость химической реакции в начальный момент равна:

V=0,5^. 6^{2 .} 5 = 90,0 моль^. с^{-1 .} л^-1

По истечении некоторого времени в реакционной смеси останет­ся 45 % вещества В, т. е. концентрация вещества В станет равной 5^. 0,45= 2,25 моль/л. Значит, концентрация вещества В уменьшилась на 5,0 - 2,25= 2,75 моль/л. Так как вещества А и В взаимодействуют между собой в соотношении 2 : 1, то концентрация вещества А умень­шилась нa 5,5 моль/л (2,75 ^. 2) и стала равной 0,5 моль/л (6,0 - 5,5). Следовательно, V₂ = 0,5(0.5)² • 2,25 = 0,28 моль^. с^{-1 .} л^-1.

Задача 2. Как изменится скорость прямой реакции 2СО + О₂ = 2СО₂

если общее давление в системе увеличить в 4 раза?

Решение. Увеличение давления в системе в 4 раза вызовет уменьшение объема системы в 4 раза, а концентрация реагирующих веществ возрастет в 4 раза. Это вытекает из газовых законов, в соответствии с которыми, давление прямо пропорционально концентрации газа в объеме.

PV=. Так как молярная концентрация вещества С_м (моль/л) определяется как отношение количества вещества (моль) к объему, то Р = .

Согласно закону действующих масс начальная скорость реакции равна V₁ =_.

После увеличения давления в 4 раза, концентрация каждой компоненты вырастит в 4 раза. Тогда V₂= k= 4³ = 64= 64V₁

Следовательно, после увеличения давления в 4 раза скорость реакции возросла в 64 раза.

Задача 3. Константа скорости реакции А + 2В 3С равна 0,6 л² моль^-2 с^-1. Исходные концентрации веществ А и В составляли по 0,75моль/л. В результате реакции концентрация вещества В оказалось равной 0,5 моль/л. Вычислите, какова концентрация веществ А и С, начальную скорость и скорость прямой реакции, когда концентрация вещества В стала 0,5 моль/л.

Решение. Начальную скорость реакции считаем, пользуясь законом действующих масс:

= 0,60,75 (0,75)²= 0,6(0,75)³= 0,253 мольл^-1с^-1.

Допустим, имеем один литр реакционной смеси. Следовательно, в реакционной смеси имеем по 0,75 моль исходных реагентов. Когда концентрация вещества В стала 0,5 моль/л, значит в реакцию вступило 0,75 - 0,5 = 0,25 моль вещества В. Так как вещества А и В реагируют в мольных отношениях 1 : 2, то изменение концентрации вещества А при этом составит 0,50,25= 0,125 моль. Следовательно, в системе останется 0,75 – 0,125 = 0,625 моль вещества А.

Рассчитаем скорость реакции. V₁= 0,60,625 (0,5)²= 0,09375 мольл^-1с^-1.

Вещество С образуется в мольном отношении к веществу А равному 3:1, следовательно при расходе вещества А 0,125 буде образоваться 30,125= 0,375 моль вещества С. Так как в начале реакции в реакционной системе отсутствовало вещество С, то его концентрация будет 0,375 моль/л.

При сопоставлении значений скорости реакции в начальный момент и после превращения, то окажется, что скорость реакции по ходу уменьшилась в 0,253:0,09375= 2,7 раза. Такая закономерность обусловлена тем, что во времени происходит расходование исходных веществ. А по закону действующих масс, скорость реакции прямо пропорциональна произведению кон­центраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам.

Задача 4: На сколько градусов нужно повысить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 90 раз? Температурный коэффициент равен 2,7.

Решение: В соответствии с правилом Вант – Гоффа.

; ;

Ответ. Для того, чтобы скорость реакции возросла в 90 раза, необходимо повышать температуру реакционной смеси на 45,45⁰С.

Задача 5: При 10⁰С реакция заканчивается за 95с, а при 20⁰С за 60с. Вычислить энергию активации этой реакции.

Ответ: Чем дольше протекает реакция, тем она медленнее и наоборот. Поэтому, время реакции, . Скорость реакции при 10⁰С обозначим через V₁, а при 20⁰С - V₂. Тогда .

Взаимосвязь константы скорости реакции с энергией активации определяется уравнением Аррениуса: К=или, как иногда упрощенно пишут К=Аехр(-), где А- предэкспоненциальный множитель, зависит от типа реакции, Е- энергия активации (кДж/моль), также зависит от типа реакции и не зависит от температуры. Таким образом, константа скорости реакции зависит от типа реакции (А и Е) и от температуры (T).

. С другой стороны= 1,58.

ln1,58= ; E=

Задача 6: Через некоторое время после начала реакции 3А + В 2С +D концентрация веществ А, В и С составляли (моль/л) 0,03; 0,01; 0,008 соответственно. Каковы исходные концентрации веществ А и В?

Решение: Допустим, что имеем один литр реакционной смеси, в которой в начале реакции отсутствовали вещества С и D. Так как за время реакции образовалось 0,008 моль вещества С, то за это время прореагировало два раза меньше вещества В (в соответствии с уравнением реакции). Таким образом, исходная концентрация вещества В составляла 0,01 + 0,004= 0,014моль/л. Если прореагировало 0,004 моль вещества В, то по уравнению реакции в это же время прореагировало 3 раза больше вещества А, то тесть 0,0043=0,012 моль. Так как осталось 0,03 моль вещества А, то его начальная концентрация составляла 0,03+ 0,012= 0,042 моль/л.

Задача 7: Рассчитать константу скорости реакции первого порядка, учитывая, что за 25 мин реакция проходит на 25%.

Решение: Дифференциальное уравнение для реакций первого порядка, а именно реакции, протекающие по схеме: А В, имеет вид:

- . Знак минус показывает, что рассматриваем процесс уменьшения концентрации вещества А во времени. Преобразуем это дифференциальное уравнение и проинтегрируем в неопределенных условиях:

, -lnC_A= Kt + соnst. При t=0, соnst =- lnC^o_A и . Отсюда

, .

Перечень контрольных задач по теме 2.1.1