3. Контрольные вопросы

1. Построение диаграмм трехкомпонентных систем, отражающих взаимную растворимость компонентов, на плоскости и в пространстве.

2. Типы диаграмм при разной взаимной растворимости компонентов.

3. Показать на полученной диаграмме области, соответствующие гомогенному и гетерогенному состоянию трехкомпонентных систем.

4. Понятие о сопряженных растворах.

5. Как с помощью правила рычага рассчитать соотношение между фазами, находящимися в равновесии в гетерогенной системе?

6. Применение правила Тарасенкова для определения составов сопряженных растворов.

7. Правило фаз Гиббса и его применение для различных состояний трехкомпонентной системы, отражаемых на диаграмме.

8. Методы Гиббса и Розебома для определения составов трехкомпонентных систем.

9. Свойства линий внутри равностороннего треугольника.

Лабораторная работа №10 Химическая кинетика

Цель работы: изучение основных положений формальной кинетики, определение константы скорости, энергии активации и температурного коэффициента реакции иодирования ацетона.

1. Теоретическая часть

Кинетикой химических реакций называется учение о скорости их протекания, механизме химического взаимодействия и зависимости их от различных факторов (концентрации реагирующих веществ, температуры, присутствия катализаторов и пр.)

Раздел химической кинетики, в котором изучается зависимость скорости реакции от концентрации реагентов и от температуры называется формальной кинетикой.

Различают гомогенные и гетерогенные химические реакции. В данной работе рассматриваются гомогенные химические процессы, то есть такие реакции, в которых все участники химического взаимодействия находятся в одной фазе.

1.1. Скорость химической реакции

Скоростью гомогенной химической реакции (v) по некоторому компоненту (i) называется изменение количества этого компонента в единице объема за единицу времени:

(10.1)

где n_i – количество вещества в объеме V данной фазы в момент времени .

Если объем системы во время реакции не меняется, то его можно внести под знак дифференциала, при этом

(10.2)

Тогда вместо (10.1) получим

(10.3)

где c_i – концентрация рассматриваемого i-го вещества в данный момент времени. Таким образом, для гомогенного химического процесса скоростью химической реакции по некоторому i-му веществу называется изменение концентрации i-го вещества в единицу времени. Размерность скорости в этом случае равна моль/(лс) или моль/(лмин).

При рассмотрении кинетики химических реакций в закрытой системе обычно изучают экспериментально зависимость концентрации какого-либо компонента (i-го вещества) от времени и изображают эту зависимость в виде графика c_i=f(), который называют кинетической кривой (см. рис. 10.1).

Если в системе протекает химическая реакция

(10.4)

где a, b, e, d – стехиометрические коэффициенты, то изменение концентрации одного из исходных веществ (например, A) и одного из продуктов (например, D) от времени можно изобразить графически.

Различают среднюю скорость в промежутке , определяемую как отношение изменения концентрации к промежутку времени, за которое оно произошло:

(10.5)

и истинную скорость в каждый момент времени, определяемую отношением:

(10.6)

В этом случае скорость может быть определена как тангенс угла наклона касательной к кинетической кривой для данного момента времени (для момента v = tgφ). Двойные знаки в соотношениях (10.5) и (10.6) вводятся потому, что скорость химической реакции всегда величина положительная, а изменение концентрации вещества может быть и отрицательным и положительным, в зависимости от того, является ли вещество исходным или конечным.

Рис 10.1. Кинетические кривые (зависимости концентраций веществ A и D от времени)

В общем случае скорость реакции, протекающей по уравнению (10.4), может быть представлена следующими выражениями:

. (10.7)

Так, например, для реакции

H₂ + J₂ = 2HJ (10.8)

можно записать

v = . (10.9)

Скорость гомогенной реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, присутствия катализатора и его концентрации; среды, в которой протекает реакция, и условий протекания реакции: температуры, давления и др.

Основным постулатом химической кинетики является закон действия масс (ЗДМ), установленный Гульдбергом и Вааге в 1867 году и выражающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ: при постоянной температуре скорость односторонней химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в соответствующих степенях.

В соответствии с ЗДМ для реакции (10.4) можно записать уравнение:

. (10.10)

Зависимость скорости реакции от концентрации называется кинетическим уравнением.

Коэффициент пропорциональности к в уравнении (10.10) называется константой скорости химической реакции. По физическому смыслу к равна самой скорости, когда концентрация каждого из реагирующих веществ равна единице. Константа скорости зависит от всех факторов, которые влияют на скорость реакции за исключением концентрации реагирующих веществ и времени. Численное значение к зависит также от выбора единиц измерения времени и концентрации. Размерность ее определяется тем кинетическим уравнением, по которому ведется ее расчет, то есть зависит от значений показателей степеней концентраций реагентов.