МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Новосибирский государственный

архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

Кафедра химии

Химическая кинетика

Методические указания по решению задач

для студентов I курса всех специальностей

и форм обучения

НОВОСИБИРСК 2009

Методические указания разработаны

канд. хим. наук, доцентом Н.В. Благининой,

канд. хим. наук, доцентом Т.М. Крутской,

канд. хим. наук, и.о. доцента М.Л. Косиновой

Утверждены на заседании учебно-методической комиссии СТФ

_______________________________

Рецензент: Н.И. Файнер, к.х.н., с.н.с. ИНХ СО РАН

 Новосибирский государственный

архитектурно-строительный университет

(Сибстрин, 2009 г)

Т – температура, К;

t – температура, ⁰C;

р – давление, Па;

m(B) – масса вещества с формульной единицей В, г;

M(B) – молярная масса вещества B, г/моль;

n(B) = m(B)/M(B) – количество вещества, моль;

(В) – объем газообразного вещества при нормальных у словиях, л;

(В) – молярный объем газообразного вещества при нормальных условиях, равный 22,4 л/моль;

с(В) – молярная концентрация вещества В, моль/л;

– средняя скорость химической реакции, моль/л∙c;

 – истинная скорость химической реакции, моль/л∙с;

 – время, с;

Δ = ₂ – ₁ – время протекания реакции, с;

– константы скоростей прямой и обратной реакций, соответственно;

 – температурный коэффициент скорости реакции;

Е_a – энергия активации, кДж/моль;

н.у. – нормальные условия, T=273K, р=101,3·10³ Па;

с.у. – стандартные условия, T=298K, р=101,3·10³ Па;

С.О.(Э) – степень окисления элемента

1. Кинетика химических реакций

1. Основные определения

Химическая кинетика – раздел физической химии, изучающий скорости протекания химических реакций, их механизм и факторы, влияющие на скорость реакций. Скорость химической реакции определяется изменением количества одного из реагентов или продуктов реакции в единицу времени в единице реакционного пространства. Отсюда скорость реакции

, (1)

где – изменение количества вещества , моль, за промежуток времени реакции , с^-1; – объем системы, л.

Учитывая, что молярная концентрация вещества

моль/л, (2)

то изменение молярной концентрации

, моль/л;, (3)

и ,соответственно, получаем среднюю скорость реакции за промежуток времени :

, (4)

где знак (+) относится к изменению концентрации продуктов реакции, знак (-) – к изменению концентрации реагентов.

В уравнении химической реакции:

(5)

, – реагенты – вещества, вступающие в реакцию;

, – продукты – вещества, образующиеся в результате реакции;

, , , – стехиометрические коэффициенты, показывающие, какое количество соответствующего вещества участвует в реакции.

В ходе реакции концентрации веществ все время меняются, поэтому в химической кинетике рассматривают истинную, или мгновенную скорость реакции (в данный момент времени) и выражают ее первой производной концентрации вещества по времени:

(6)

Скорость химической реакции зависит от многих факторов: от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, присутствия катализаторов, давления (в реакциях с участием газов).

Под природой реагирующих веществ понимают реакционную способность этих веществ, которая, так же как физические и химические свойства веществ, зависит от их состава, строения и внутримолекулярных связей.

1. Закон действующих масс

Влияние концентрации веществ на скорость реакции определяется законом действующих масс: при постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Закон действующих масс для прямой гомогенной реакции,

(7)

протекающей слева направо в однородной среде (смесь газов, раствор) ( ), имеет вид:

(8)

Для гетерогенной реакции, протекающей на границе раздела фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной) концентрации веществ, находящихся в конденсированном состоянии, постоянны и включаются в константу скорости реакции. Тогда для прямой реакции

, (9)

если вещество твердое, закон действующих масс запишется:

(10)

Для обратимых химических реакций, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, скорости реакции (5) запишутся:

Таблица 1

Вид реакции	скорость реакции
	прямой ( )	обратной ( )
Гомогенная
Гетерогенная: вещества и твердые или жидкие

– константы скоростей прямой и обратной реакций, соответственно. Физический смысл константы скорости: при концентрации всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л, константа скорости равна скорости реакции.

Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и присутствия катализатора. Для каждой реакции при постоянной температуре константа скорости величина постоянная.

Используя закон действующих масс, можно определить, как будет изменяться скорость реакции при изменении параметров системы: , , .

Пример 1. Для гомогенной газофазной реакции

определить: а) во сколько раз изменится скорость прямой реакции, если концентрацию азота уменьшить в 2 раза, а концентрацию водорода увеличить в 2 раза; б) давление в системе увеличить в 3 раза.

Решение. а) Согласно закону действующих масс, скорость прямой химической реакции описывается уравнением

.

После изменения концентрации реагентов будут равны

; , тогда

, или

.

Изменение скорости прямой реакции по отношению к первоначальной:

,

т. е. скорость прямой реакции увеличится в 4 раза.

б) Из уравнения состояния газов (уравнение Менделеева-Клапейрона)

(11)

следует с учетом (2):

, (12)

что (при ) прямо пропорционально молярной концентрации газообразных веществ.

Следовательно, увеличение (или уменьшение) давления в системе в раз приводит соответственно к увеличению (или уменьшению) концентрации всех газов-участников реакции также в раз.

Тогда по условию задачи при увеличении давления в 3 раза новые концентрации веществ ( ):

; ,

тогда или

,

откуда: ,

т. е. скорость прямой реакции увеличится в 81 раз.

Пример 2. Для реакции определите: а) как был изменен объем системы, если скорость прямой реакции уменьшилась в 4 раза? б) во сколько раз при этом изменилась скорость обратной реакции?

Решение. а) Прямая реакция гетерогенная, концентрация твердого углерода не входит в выражение скорости реакции, поэтому:

,

или, учитывая:

,

получаем:

.

Обозначим новый объем ; так как количество в системе не меняется, то

,

и

По условию задачи , откуда

;

или , т. е. .

Следовательно, объем системы увеличился в 2 раза ( ).

б) Поскольку молярная концентрация вещества обратно пропорциональна объему системы (уравнение 2), то при увеличении объема в раз концентрации газообразных и растворенных веществ уменьшаются в раз, а при уменьшении объема системы в раз концентрации этих веществ увеличиваются в раз.

Если объем системы увеличился в 2 раза, то для обратной гомогенной реакции закон действующих масс запишется:

до изменения объема:

;

после увеличения объема в 2 раза:

.

И тогда отношение скоростей будет равно:

Таким образом, скорость обратной реакции уменьшилась в 8 раз.