4. Основные понятия о химической кинетике. Примеры решения типовых задач

Пример 1. Напишите выражение зависимости скорости прямой и обратной реакции от концентрации реагирующих веществ для следующих процессов. Как изменится скорость прямой и обратной реакции, если увеличить давление в системе в 3 раза?

а) 2SO₃ (r) 2SO₂ (r) + O₂ (r),

б)FeO (тв) + CO (r) Fe (тв) + CO₂(r).

Решение:

а) Система гомогенная, тогда:

V _прямая = K [SO₃]² ; V_{обратная} = k [SO₂]² * [O₂].

При увеличении давления в 3 раза концентрация веществ также увеличиваются в 3 раза. Тогда скорость прямой реакции V_прямой = k [3SO₃]² возрастает в 9 раз, а обратной – V_{обратной} = k [3SO₂]²*[3O₂] возрастет в 27 раз;

б) система гетерогенная, тогда:

V_прямой = k [CO] , V_{обратной} = k [CO₂].

При увеличении давления в 3 раза скорость прямой реакции V_прямой = k [3CO] увеличится в 3 раза, а также обратной – V_{обратной} = k [3CO₂] – в 3 раза.

Пример 2. Определите порядок и молекулярность реакции. Напишите выражения для определения скорости реакции

а) H₂O₂ (ж) = О₂(r) + 2H (r),

б) S (тв) + O₂(r) = SO₂ (r).

Решение. Порядок реакции определяется суммой величин показателей степени при значениях концентраций исходных веществ в кинетическом уравнении:

а) V₁ = k ₁[H₂O₂]; б) V₂ = k ₂[O₂].

Поэтому обе реакции первого порядка.

Молекулярность реакции определяется числом молекул, одновременным взаимодействием которых осуществляется акт химического взаимодействия. Реакция а) одномолекулярная, б) двухмолекулярная.

Выражение для определения скорости реакции первого порядка

Пример 3. При 80⁰С некоторая реакция заканчивается за 16 мин. Сколько потребуется времени для проведения той же реакции: а) при 120⁰С, б) при 60⁰С? Температурный коэффицент реакции

Решение.

а) отсюда V₁₂₀/ V₈₀ = 2⁴ = 16.

Таким образом, скорость реакции при повышении температуры от 80⁰ до 120⁰С возрастает в 16 раз, а следовательно, для проведения реакции потребуется в 16 раз меньше времени, то есть 1 мин.

б) . Отсюда V₆₀/V₈₀ = 1/4, то есть скорость реакции при понижении температуры от 80⁰ до 60⁰С уменьшится в 4 раза, а времени потребуется для проведения данной реакции в 4 раза больше – 64 мин.

Пример 4. В системе происходит обратимая реакция. Запишить выражение для константы равновесия. Как надо изменить: а) температуру, б) давление, в) концетрацию исходных веществ, чтобы сместить равновесие вправо

1. 2SO₃ (r) 2SO₂ (r) + O₂ (r), H = 384 кДж,

2. 2CO (r) CO₂ (r) + C (тв), Н = -173 кДж?

Решение.

Реакция 1 гомогенная, эндотермическая,

В соответствии с принципом Ле Шателье для смещения равновесия в сторону эндотермической реакции температуру необходимо повысить.

Давление в системе для смещения равновесия вправо надо понизить. В результате понижения давления скорости прямой и обратной реакции замедляется, так как уменьшается концентрация всех веществ в системе. Но в соответствии с принципом Ле Шателье при понижении давления равновесия смещается в сторону образования большего числа молей газообразных веществ, то есть в сторону повышения давления.

Концетрацию SO₃ надо повысить, а SO₂ и O₂ выводить из системы для смещения равновесия вправо.

Реакция 2 гетерогенная, экзотермическая,

Для смещения равновесия в сторону экзотермической реакции необходимо понизить температуру.

Давление в системе для смещения равновесия вправо надо повысить, так как при повышении давления равновесие смещается в сторону образования меньшего числа молей газообразных веществ, то есть в сторону понижения давления в системе.

Концетрацию СО надо повышать, а СО₂ выводить из системы для смещения равновесия вправо.

Задачи для выполнения контрольной работы

4.1. Напишите выражение зависимости скорости прямой и обратной реакции от концентрации реагирующих веществ для следующих процессов. Как изменяется скорости прямой и обратной реакции, если увеличить давление в системе в 2 раза?

Таблица 4.1

Вари-ант	Уравнения реакций	Вари-ант	Уравнения реакций
101	H2 (r) + I2 (r) 2HI	116	FeO (тв) + CO (r) Fe (тв) + CO2 (r)
102	Ba2+ (p) + SO42- BaSO4 (тв)	117	H2 (r) + S (ж) H2S (r)
103	CaO (тв) + CO2 (r) CaCO3(тв)	118	Si (тв) + 2H2O (r) SiO2(тв) + 2H2(r)
104	CO (r) + H2O(r) CO2 (r)+H2(r)	119	2NO (r) + H2 (r) N2O (r) + H2O (r)
105	PCl5 (r) PCl3 (r) + Cl2 (r)	120	2H2(r) + O2 (r) 2H2O(r)
106	2SO2 (r) + O2 (r) SO3 (r)	121	Cu2O(тв)+2HCl(r) 2CuCl(r)+H2O(r)
107	C2H2 (r) +H2 (r) C2H4 (r)	122	C(тв) +CO2 (r) 2CO(r)
108	2NO2 (r) N2O4 (r)	123	COCl2(r) Cl2(r) + CO (r)
109	2CO (r) + O2 (r) 2CO2 (r)	124	S(тв) + 2CO2(r) SO2(r) + 2CO(r)
110	SO2 (r) + Cl2 (r) SO2Cl2 (r)	125	Fe2O3(тв)+3CO(r) 2Fe(тв) +3CO2(r)
111	4HCl(r)+O2(r) 2Cl2(r)+2H2O(r)	126	Cu2S(тв)+2O2 2CuO(тв)+SO2(r)
112	C(тв)+H2O(r) CO(r)+H2(r)	127	2NO(r)+O2(r) 2NO2(r)
113	Fe(тв)+H2S(r) H2(r)+FeS(тв)	128	2N2(r)+6H2(r) 4NH3(r)+3O2(r)
114	N2(r)+3H2(r) 2NH3(r)	129	2CO(r)+2H2(r) CH4(r)+CO2(r)
115	Fe2O4(тв)+H2(r) 3FeO(тв)+H2O(r)	130	H2(r)+Br2(r) 2HBr(r)

4.2 Определите порядок и молекулярность реакции. Напишите выражение для определения скорости химической реакции.

Таблица 4.2

Вари-ант	Уравнения реакций	Вари-ант	Уравнения реакций
131	2NO(r)+O2(r)=2NO2(r)	146	CO(r)+Cl(r)=COCl2(r)
132	2Mn2Cl(тв)+3CO2(r)= 6MnO(тв)+5C(тв)	147	CH2(r)+2O2(r)=CO2(r)+2H2O(r)
133	2NO(r)+Cl2(r)=2NOCl(r)	148	H2(r)+O2(r)=H2O2(ж)
134	2CO(r)=CO2(r)+C(тв)	149	ВaO(тв)+CO2(r)=BaCO3(тв)
135	N2O4(r)=2NO2(r)	150	2H2(r)+O2(r)=2H2O(ж)
136	2NO2(r)=N2O(r)	151	2Ca(тв)+O2(r)=2CaO(тв)
137	CaO(тв)+CO2(r)=CaCO3(тв)	152	2N2O(r)=2N2(r)+O2(r)
138	С(тв)+O2(r)=CO2(r)	153	2NO2(r)=N2O4(r)
139	2NO(r)+O2(r)=2NO2(r)	155	2NH3(r)=N2(r)+3H2(r)
140	C2H2(r)+2H2(r)=C2H6(r)	156	2SO2(r)+O2(r)=2SO3(r)
141	CO(r)+2H2(r)=CH3OH(r)	157	2HI(r)=I2(r)+H2(r)
142	2N2O5(r)=2N2O4(r)+O2(r)	158	PCl5(r)=PCl3(r)+Cl2(r)
143	WO2(тв)+2H2(r)=W(тв)+2H2O(r)	159	H2(r)+Cl2(r)=2HCl(r)
144	WO3(тв)+3CO(r)=W(тв)+3CO2(r)	160	H2(r)+S(тв)=H2S(r)
145	WO3(тв)+3H3(r)=W(тв)+3H2O(r)	161	C2H6(r)=H2(r)+C2H4(r)