3. Химическая кинетика и равновесие

3.1 Скорость химических процессов

В зависимости от характера реакции скорость определяется следующим образом. Для гомогенных систем (однородным по составу и свойствам) скорость измеряется:

V =

где V – скорость химической реакции, моль/л∙сек.

ΔC – изменение концентрации вещества за время Δτ = τ₂ – τ₁

τ₁ – исходный момент времени, с,

τ₂ – текущий момент времени, с (τ₂ > τ₁)

В гетерогенных системах (состоящих из 2х или более однородных частей, находящихся в разном фазовом состоянии) при определении скорости концентрации твердых веществ не учитываются. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, давления и присутствия катализаторов.

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ.

Пример 1. H₂ + Cl₂ = 2HCl

V^ = k С_H2С_Cl2

где k – константа скорости прямой реакции

С_H2- концентрация водорода, моль/л

С_Cl2- концентрация хлора, моль/л

Концентрация веществ может обозначаться квадратными скобками, заключенными вокруг формулы вещества. Например, для этой реакции скорость прямой реакции можно записать так:

V^ = k [H₂][Cl₂]

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10⁰ скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза

где γ – температурный коэффициент скорости реакции, значения которого для большинства реакций лежит в интервале от 2 до 4.

ν₂ - скорость реакции при температуре t₂, ^oC

ν₁ - скорость реакции при температуре t₁, ^oC

Пример 2. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,8. Во сколько раз возрастёт скорость реакции при повышении температуры от 20⁰ до 75 ⁰С ?

Решение. t₂ - t₁ = 75 – 20 = 55 ^оС. Обозначив скорость реакции при 20^о и 75^о соответственно ν₁ и ν₂ получаем: ν₂/ ν₁ =2,8^55/10=2,8^5,5=287.

Скорость реакции увеличится в 287 раз.

2.2 Химическое равновесие

Состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакции равны, называют химическим равновесием. Состояние равновесия характеризуется константой равновесия К_с.

Гомогенная система:

2СО _(г) + О₂ = 2СО_{2 (г)}

К_с=

где С_со; С_О2; С_СО2 – равновесные концентрации веществ, моль/л.

Гетерогенная система:

Fe₂O₃ (т) + 3Н₂ (г) = 3Fe (т)+3Н₂О (г)

К_с=

В выражении константы равновесия концентрация твердой фазы не входит, так как она является практически постоянной величиной.

На состояние равновесия системы влияют давление, концентрация реагирующих веществ и температура. Система может находиться в состоянии равновесия бесконечно долго. Если изменить условия его существования, равновесие будет нарушено. Переход из одного равновесного состояния в другое называют смещением равновесия. Определить направление смещения равновесия позволяет принцип Ле Шателье: если находящаяся в равновесии система подвергается внешнему воздействию, равновесие смещается в направлении, которое способствует ослаблению этого воздействия.

Пример. 1 Для реакции N₂ (г)+ 3H₂ (г) = 2NH₃ (г) в какую сторону смещается равновесие если увеличить концентрацию аммиака и давление?

Решение: С увеличением концентрации аммиака равновесие смещается влево. С увеличением давления в этой системе равновесие смещается вправо.

Пример 2. В системе А(г)+2В(г)=С(г) равновесные концентрации равны С^р_а =0,06 моль/л, С^р_в =0,12 моль/л , С^р_с =0,216 моль/л . Найти константу равновесия реакции и исходные концентрации веществ А и В.

Решение: Константа равновесия выражается уравнением:

К_с=== 250

Для нахождения исходных концентраций веществ А и В следует учесть, что согласно уравнению реакции, из 1 моль А и 2 моль В образуется 1 моль С. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось 0, 216 моль вещества С, то при этом было израсходовано 0,216 моль вещества А и 0,216*2 = 0,432 моль вещества В. Таким образом, искомые исходные концентрации равны:

С^о_а = 0,06+0,216=0,276 моль/л,

С^о_в = 0,12+0,432=0,552 моль/л.

Задания к разделу 2.

21. Напишите выражение для константы равновесия реакции:

Si + 2Н₂О ↔ SiO₂+2H₂

22. Рассчитайте исходную концентрацию СО для реакции, если равновесные концентрации [CO]=0,01, [СОS] = 0,03 моль/л.

Sb₂S₃+3CO=2Sb+3COS

23. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,5. Во сколько раз увеличится скорость, если температуру повысить на 40°?

24. В какую сторону сдвинется равновесие системы C+2N₂O ↔ CO₂+2N₂ если увеличить объём системы?

25. Как повлияет на равновесие реакции СаCO₃ ↔ CaO+CO₂ -179 кДж, понижение температуры?

26. Напишите выражение для константы равновесия реакции:

Fе₂О₃ +3CO ↔2Fe + ЗСО₂

27. Чему равна начальная концентрация NО₂, если в момент равновесия

концентрация NO была 0,3 моль/л , О₂ – 0,15 моль/л, NO₂ - 0,2 моль/л.

28. Во сколько раз изменится скорость химической реакции, если температуру понизили с 25° до -15^о при температурном коэффициенте скорости 2?

29. Куда сдвинется равновесие реакции Н₂ +J₂ ↔ 2HJ при уменьшении объёма системы в 3 раза?

30. Куда сдвинете я равновесие реакции N₂О₄ ↔ 2NO₂ -Q, если повысить температуру в системе?

31. Напишите выражение для константы равновесия реакции:

2N₂O ↔ 2N₂ + O₂

32. Чему равна скорость реакции СuO + 2HNO₃ = Сu(NО₃)₂ + Н₂О при

концентрации 3 моль/л и константе скорости реакции К = 0,4 ?

33. Во сколько раз уменьшится скорость химической реакции при снижении температуры с 50 до 20 С°, если температурный коэффициент равен 3 ?

34. В какую сторону сдвинется равновесие реакции CO + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂ при увеличении давления?

35. В какую сторону сдвинется равновесие реакции 2С + О₂ ↔ 2СО; ΔН⁰ = - 105 кДж при понижении температуры ?

36. Написать выражение для константы равновесия реакции:

2C₂H₄ (г) + 5O₂ ↔ 4CO₂ + 2H₂O (пар)

37. Рассчитать начальную концентрацию кислорода для реакции, если равновесные концентрации кислорода равна 0,34 моль/л, а диоксида азота равна 0,72 моль/л.

2NO + O₂ ↔ 2NO₂

38. Температурный коэффициент скорости реакции равен 5. Во сколько раз увеличится скорость реакции, если температуру повысить с 80⁰ до 110⁰С.

39. В какую сторону сдвинется равновесие реакции при уменьшении объёма системы: 2CO + O₂ ↔ 2CO₂

40. В системе: N₂ + O₂ ↔ 2NO ΔH⁰=180 кДж. Произошло повышение температуры. В какую сторону сдвинулось равновесие?

Задания 41-60 . Напишите математическое выражение Кс (константы химического равновесия) для обратимых реакций и укажите направление смещения равновесия при изменении условий:

А) уменьшении парциального давления одного из исходных газообразных веществ;

Б) понижении давления;

В) повышении температуры.

Номер задания	Уравнение реакции	ΔНо, кДж/моль
41	2N2O (г) + O2 (г) = 4NO (г)	196
42	4NH3 (г) + 5O2 (г) = 4NO (г) + 6H2O (г)	908
43	2H2S (г) + 3O2 (г) = 2SO2 (г) + 2H2O (г)	1038
44	CO2 (г) + H2 (г) = CO (г) + H2O (г)	41
45	2H2 (г) + O2 (г) = 2H2O (г)	-484
46	2SO2 (г) + O2 (г) = 2SO3 (г)	-196
47	2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (г)	-112
48	Fe3O4 + H2 (г) = 3FeO + H2O (г)	62
49	FeO + H2 (г) = Fe + H2O (г)	-272
50	C + H2O (г) = CO (г) + H2 (г)	131
51	CO (г) + H2O (г) = CO2 (г) + H2 (г)	-41
52	SO3 (г) + H2 (г) = SO2 (г) + H2O (г)	-144
53	H2 (г) + Cl2 (г) = 2HCl (г)	-184
54	FeO + CO (г) = Fe + CO2 (г)	-11
55	2ZnS + 3O2 (г) = 2ZnO + 2SO2 (г)	-878
56	N2 (г) + 3H2 (г) = 2NH3 (г)	-92
57	CaCO3 = CaO + CO2 (г)	175
58	2MgCl2 + 2O2 (г) = 2MgO + 2Cl2 (г)	82
59	Ca(OH)2 (т) = CaO (т) + H2O (г)	48
60	H2O (г) +CO (г) = CO2 (г) + H2 (г)	-41