3. Хімічна кінетика. Хімічна рівновага

3.1. Обчислення швидкостей хімічних реакцій

Теоретичні положення

• Швидкість реакції визначається швидкістю утворення продуктів або швидкістю витрачання реагентів, і судять про швидкість реакції за зміною концентрації речовин за одиницю часу в даному об’ємі.

• Швидкість реакції можна обчислити:

υ = , де

∆ν = n₂ – n₁ (моль)

∆t = t₂ – t₁ (сек.)

V – об’єм, л або м³

• Швидкість реакції залежить від:

а) концентрації або тиску реагентів (закон дії мас: швидкість гомогенної хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих в степенях зі стехіометричними коефіцієнтами).

Для реакції: аА + bВ → сС + dD

υ = κ ∙ С_А^а ∙ С_В^b, де

υ – швидкість гомогенної реакції;

κ – константа швидкості реакції;

С_А і С_В – концентрації реагуючих речовин;

а, b – стехіометричні коефіцієнти.

б) від температури (правило Вант-Гоффа: при підвищенні температури на кожні 10⁰С швидкість реакції зростає в 2-4 рази).

, де

υ₂ – швидкість реакції при температурі t₂;

υ₁ – швидкість реакції при температурі t₁;

γ – температурний коефіцієнт реакції.

Задача №1

Реакційна посудина об’ємом 10л містить 0,5моль оксиду сірки (ІV) і кисень. Через 8сек. кількість речовини SO₂ дорівнює 0,46моль. Обчислити швидкість реакції протягом даного часу.

Дано:

V=10л

ν₁=0,5моль

ν₂=0,46моль

∆t=8сек

Обчислити: υ ‑ ?

Розв’язування:

Записуємо вираз для швидкості реакції:

υ =

Після підстановки чисельних значень отримаємо:

υ = = 0,0005моль/л∙сек.

Відповідь: швидкість реакції за даний відрізок часу становить 0,0005моль/л∙сек.

Задача №2

Взаємодія між оксидом вуглецю (ІІ) та хлором відбувається за рівнянням: СО + СІ₂ → СОСІ₂.

Концентрації СО та СІ₂ відповідно становлять 0,3моль/л і 0,2моль/л. Як зміниться швидкість реакції при збільшенні концентрації хлору до 0,6моль/л, а концентрації оксиду вуглецю (ІІ) до 1,2моль/л?

Дано:

С_СО = 0,3моль/л

С(СІ₂) = 0,2моль/л

С′(СІ­₂) = 0,6моль/л

С′_СО = 1,2моль/л

Обчислити: ‑ ?

Розв’язування:

Хімічна реакція:

СО + СІ₂ → СОСІ₂

Запишемо закон дії мас для швидкостей υ і υ′:

υ = κ ∙ С_СО ∙ С(СІ₂)

υ′ = κ ∙ С^′_СО ∙ С′(СІ₂)

Після підстановки чисельних значень:

υ = κ ∙ 0,3 ∙ 0,2 = κ ∙ 0,06

υ′ = κ ∙ 0,6 ∙ 1,2 = κ ∙ 0,72

Знаходимо співвідношення:

= = 12

Відповідь: швидкість реакції зростає в 12 разів.

Задача №3

Як зміниться швидкість реакції 2NO + О₂ ↔ 2NO₂ (відбувається в газовій фазі і закритій посудині) при збільшенні тиску в 4 рази.

Дано:

= 4

Обчислити: ‑ ?

Розв’язування:

Рівняння хімічної реакції 2NO + О₂ ↔ 2NO₂.

Записуємо вираз закону дії мас для υ₁ і υ₂:

υ₁ = κ ∙ С²_NO ∙ С(О₂)

υ₂ = κ ∙ С²_NO ∙ С(О₂)

Позначимо, С_NO = х моль/л, С(О₂) = х моль/л. Підставимо в рівняння для υ₁ замість С_NO і С(О₂):

υ₁ = κ ∙ х² ∙ х = κ ∙ х³

При підвищенні тиску в 4 рази концентрації NO і О₂ збільшуються в 4 рази і становитимуть:

С_NO = 4∙х моль/л, С(О₂)=4∙х моль/л.

Після підстановки в рівняння для υ₂ отримуємо:

υ₂ = κ ∙ (4∙х)² ∙ 4∙х = κ ∙ 64∙х³

Знаходимо співвідношення:

= 64

Відповідь: при збільшенні тиску в 4 рази швидкість зростає в 64 рази.

Задача №4

У скільки разів зменшиться швидкість реакції, що відбувається в газовій фазі, при зниженні температури від 120⁰С до 80⁰С. Температурний коефіцієнт реакції дорівнює 3.

Дано:

γ = 3

t₁ = 120⁰С

t₂ = 80⁰С

Обчислити: ‑ ?