Скорость химических реакций

Теоретические сведения.

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующего вещества в единицу времени в единице реакционного пространства. Скорость реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от условий протекания процесса (концентрации, температуры, наличия катализатора и др.).

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается основным постулатом химической кинетики, законом действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции

3H_2(г) + N_2(г) → 2NH_3(г)

Закон действующих масс может быть записан ,

где W – скорость химической реакции; k – константа скорости; и– концентрации реагирующих веществ. Данное уравнение называетсякинетическим.

Реакции в гетерогенной системе осуществляются на поверхности раздела фаз. Поэтому скорость гетерогенных реакций при постоянной температуре зависит не только от концентрации веществ, но и от площади поверхности раздела. Так, для реакции

C_(к) + O_2(г) → CO_{2 (г)}

Закон действующих масс имеет вид

где W – скорость химической реакции; k – константа скорости; – концентрация кислорода;S – площадь поверхности раздела между фазами.

Зависимость скорости от температуры выражается правилом Вант-Гоффа

где и- скорости реакции при температурах Т₂ и Т₁; γ – температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на каждые 10 С.

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

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

Задачи

130. (Р.308) В начальный момент протекания реакции

N₂ + 3H₂  2NH₃

концентрации были равны (моль/л): С(N₂) = 1,5; С(Н₂) = 2,5; C(NH₃) = 0. Каковы концентрации азота и водорода при концентрации аммиака 0,5 моль/л?

Ответ: 1,25; 1,75 моль/л.

131. (Р.309) Начальные концентрации веществ в реакции

СО + Н₂О  СО₂ + Н₂

были равны (моль/л): С(СО) = 0,05; С(Н₂О (г)) = 0,06; С(СО₂) = 0,4; С(Н₂) = 0,2. Вычислите концентрации всех участвующих в реакции веществ после того, как прореагировало 60 % Н₂О.

Ответ: 0,24; 0,14; 0,76; 0,56 моль/л.

132. (Р.310) Константа скорости реакции

А + 2В  ЗС

равна 0,6 л² × моль^–2 × с^–1. Начальные концентрации: С(А) = 2,0 и С(В) = 2,5 моль/л. В результате реакции концентрация вещества В оказалась равной 0,5 моль/л. Вычислите, какова концентрация вещества А и скорость прямой реакции.

Ответ: 1,0 моль/л; 0,15.

133. (Р.311) Реакция идет по уравнению

4NH₃ + 5O₂  4NO + 6H₂O

Как изменится скорость реакции, если увеличить давление в 2 раза?

Ответ: Возрастет в 512 раз.

134. (Р.312) Реакция между веществами А и В выражается уравнением

2А + В  2C.

Начальная концентрация вещества А равна 0,3 моль/л, а вещества В – 0,5 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,8 л² × моль^–2 × мин^–1. Рассчитайте начальную скорость прямой реакции и скорость по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшается на 0,1 моль.

Ответ: 0,036; 0,0144 моль × л^–1 × мин^–1.

135. (Р.313) Разложение N₂O на поверхности золота при высоких температурах протекает по уравнению

2N₂О = 2N₂ + О₂

Константа скорости данной реакции равна 5 × 10^–4 л × моль^–1 × мин^–1 при 1173 К. Начальная концентрация N₂O – 3,2 моль/л. Определите скорость реакции при заданной температуре в начальный момент и в тот момент, когда разложится 25 % N₂O.

Ответ: 51,2 × 10^–4, 22,8 × 10^–4 моль × л^–1 × мин^–1.

136. (Р.314) Реакция идет по уравнению

2NO + О₂  2NO₂

Начальные концентрации реагирующих веществ были (моль/л): С(NO) = 0,8; С(О₂) = 0,6. Как изменится скорость реакции, если концентрацию кислорода увеличить до 0,9 моль/л, а концентрацию оксида азота до 1,2 моль/л?

Ответ: Возрастет в 3,4 раза.

137. (Р.315) Реакция протекает по уравнению

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄+H₂SO₃ + S

Как изменится скорость реакции после разбавления реагирующей смеси в 4 раза?

Ответ: Уменьшится в 16 раз.

138. (Р.316) Реакция выражается уравнением

4НС1 + О₂  2Н₂О + 2С1₂

Через некоторое время после начала реакции концентрации участвующих в ней веществ стали (моль/л): C(НС1) = 0,85; С(О₂) = 0,44; C(С1₂) = 0,30. Какими были концентрации НС1 и О₂ в начале реакции?

Ответ: 1,45; 0,59 моль/л.

139. (Р.319) Рассчитайте константу скорости реакции первого порядка, учитывая, что за 25 мин реакция проходит на 25 %, т. е. прореагировала четвертая часть веществ.

Ответ: 0,0115 моль^–1.

140. (Р.320) Константа скорости реакции первого порядка равна 2,5 × 10^–5 с^–1. Какое количество останется непрореагировавшим через 10 ч после начала реакции? Начальная концентрация равна 1 моль/л.

Ответ: 0,407 моль/л.

141. (Г.362) Во сколько раз следует увеличить концентрацию оксида углерода в системе

2СО = СО₂ + С,

чтобы скорость реакции увеличилась в четыре раза?

Ответ: В 2 раза.

142. (Г.363) Во сколько раз следует увеличить концентрацию водорода в системе

N₂ + ЗН₂  2NH₃,

чтобы скорость реакции возросла в 100 раз?

Ответ: В 10 раз.

143. (Г.364) Во сколько раз следует увеличить давление, чтобы скорость образования NO₂ по реакции

2NO + О₂  2NO₂

возросла в 1000 раз?

Ответ: В 10 раз.

144. (Г.365) Напишите уравнение скорости реакции

С + О₂ = = СО₂

и определите, во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении концентрации кислорода в три раза.

Ответ: В 3 раза.

145. (Г.366) Реакция между оксидом азота(II) и хлором протекает по уравнению

2NO + С1₂  2NOC1.

Как изменится скорость реакции при увеличении: а) концентрации оксида азота в два раза; б) концентрации хлора в два раза: в) концентрации обоих веществ в два раза?

Ответ: В 4 раза, в 2 раза, в 8 раз.

146. (Г.367) Во сколько раз увеличится константа скорости химической реакции при повышении температуры на 40, если  = 3,2?

Ответ: В 105 раз.

147. (Г.368) На сколько градусов следует повысить температуру системы, чтобы скорость протекающей в ней реакции возросла в 30 раз ( = 2,5)?

Ответ: На 37.

148. (Г.369) При повышении температуры на 50 скорость реакции возросла в 1200 раз. Вычислите .

Ответ: 4,13.

149. (Г.370) Вычислите  реакции, если константа скорости ее при 120 °С составляет 5,88 × 10^–4, а при 170 °С равна 6,7 × 10^–2.

Ответ: 2,6.