Химическая кинетика и равновесие

Гомогенные и гетерогенные системы. Скорость гомогенных и гетерогенных реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Зависимость скорости реакции от температуры. Химическое равновесие. Константа равновесия. Принцип Ле Шателье.

Химическая кинетика изучает скорость химических процессов, которые могут протекать в гомогенной или гетерогенной системах.

Система – вещество или совокупность веществ, реально или мысленно отделенных от окружающей среды.

Гомогенная система – система, состоящая из одной фазы (например, водный раствор хлорида натрия). Отсутствует граница раздела между веществами.

Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких фаз (например, смесь воды и масла). Вещества имеют между собой границу раздела.

Скорость гомогенной реакции – количество вещества, вступившего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени, в единице объёма системы

Скорость гетерогенной реакции – количество вещества, вступившего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади раздела фаз

где ∆n – изменение количества вещества

∆t – время реакции

V – объём гомогенной системы

S – площадь раздела фаз в гетерогенной системе

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ отражена в законе действующих масс: «при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ в степенях соответствующих им стехиометрическим коэффициентам».

Например, для реакции:

2SO_2(Г) + O_2(Г) ↔ 2SO_3(Г)

скорость прямой реакции выражается уравнением:

- кинетическое уравнение реакции,

где [SO₂], [O₂]– концентрации SO₂ и O₂

К- константа скорости прямой реакции;

скорость обратной реакции:

Физический смысл константы скорости в том, что при концентрации веществ равных единице V = K, т.е. константа скорости характеризует скорость химического процесса и зависит только от природы реагирующих веществ и температуры.

Для гетерогенных систем в уравнение зависимости (кинетическое уравнение) входят концентрации только тех веществ, которые находятся в растворенном или газообразном состоянии, так как для твёрдых веществ концентрация вещества на поверхности остается постоянной.

Например, для реакции:

С_(ТВ) + О_2(Г) = СО_2(Г)

Кинетическое уравнение запишется:

, но т.к. [C] = const

, где _ЭФ= [C]

Зависимость скорости реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:

,

где – температурный коэффициент

V_{t2 ,}V_t1 -скорости реакции при температуре t₂ и t₁

Пример 1. Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 50⁰ до 80⁰С, если температурный коэффициент реакции равен 3

Следовательно, скорость реакции возрастёт в 27 раз.

Пример 2. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции при уменьшении объёма в 4 раза в системе:

2СО_(г) + О_2(г) = 2СО_2(г)

Кинетическое уравнение прямой реакции:

Система гомогенная и газофазная, поэтому при уменьшении объёма в системе в 4 раза, концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в 4 раза. При новых концентрациях кинетическое уравнение:

Отсюда = 64

Следовательно, скорость прямой реакции возрастёт в 64 раза.

В большинстве случаев химические реакции протекают как в прямом, так и в обратном направлениях (обратимые реакции). В обратимых процессах прямая и обратная реакция протекают одновременно в противоположных направлениях.

Например, для реакции:

СО_(Г) + Н₂О_(Г) = СО_2(г) + Н_2(г)

Кинетическое уравнение для прямой реакции:

Кинетическое уравнение для обратной реакции:

Состояние, при котором скорости прямой и обратной реакции равны ( ), называется состоянием химического равновесия. При химическом равновесии обе реакции продолжают протекать, и в системе при этом присутствуют и реагенты, и продукты

=

,

где K-константа равновесия;

[CO₂], [H₂], [CO], [H₂O]– равновесные концентрации веществ в системе.

Если К>1, в системе преобладают продукты – равновесие смещено в сторону прямой реакции.

Если К<1, в системе преобладают реагенты – равновесие смещено в сторону обратной реакции.

Состояние химического равновесия зависит от:

• концентрации веществ;

• температуры системы;

• давления системы (для газофазных реагентов и продуктов).

При изменении параметров системы нарушается состояние химического равновесия. Переход системы из одного равновесного состояния в другое называется смещением химического равновесия.

Направление смещения химического равновесия определяется принципом Ле Шателье: «если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие, то система перейдёт в другое состояние равновесия так, чтобы уменьшить эффект внешнего воздействия».

Пример 3. Экзотермическая реакция сгорания водорода в кислороде протекает по уравнению:

2Н_2(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(г) ∆Н<0

Как надо изменить а) температуру; б) концентрацию исходных веществ; в) давление, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции?

Из принципа Ле Шателье следует, что смещение равновесия достигается:

а) увеличением концентрации исходных веществ;

б) понижением температуры системы, так как прямая реакция идёт с выделением тепла (нагревом системы);

в) увеличением давления в системе, так как прямая реакция идёт с уменьшением давления (из трёх моль газа образуется два моль газообразных продуктов).