Задание 4 Химическая кинетика и равновесие

Кинетика — учение о скорости различных процессов, в том числе химических реак­ций. Скорость (V) химической реакции - это изменение концентраций реагирующих веществ в единицу времени

V .

Она зависит от: концентрации реагирующих веществ, давления, температуры, действия катализаторов и ингибиторов.

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действующих масс и для реакции nA + mB +… = C +… имеет вид:

V = k[A]ⁿ[B]^m...,

где k - константа скорости реакции; А, В,. . . - реагирующие вещества; n, m, . . . - коэффициенты в уравнении реакции.

Например: для реакции 2SO₂ + O₂  2SO₃ зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ имеем V = k[SO₂]² [O₂].

Зависимость от температуры для большинства реакций выражается эмпирическим уравнением Вант-Гоффа:

V = V ^{( – )/10.}

где  - температурный коэффициент, t₁ и t₂ - исходная и конечная температуры.

Пример 1

Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе:

2 SO₂(г) + O₂(г) 2SO₃(г),

если объем газовой смеси уменьшится в три раза? В какую сторону сместится рав­новесие системы?

Решение: Согласно закону действующих масс скорости прямой и обратной реакции до изме­нения объема имеют вид:

V_{пр. реакц.} = k _{пр. реакц.} [SO₂]² [O₂],

V_{обр. реакц.} = k _{обр. реакц.} [SO₃]²

После уменьшения объема системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличатся в три раза. При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций будут иметь вид:

V_{пр. реакц.} = k _{пр. реакц.}(3 [SO₂])²  3[O₂] = 27k[SO₂]² [O₂],

V_{обр. реакц.} = k _{обр. реакц.}(3 [SO₃])² = 9k [SO₃]²

Таким образом, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а скорость обратной - только в 9 раз. Равновесие системы сместится в сторону образования SО₃.

Пример 2

Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 30 до 70⁰С, если температурный коэффициент ре­акции равен 2.

Решение. Расчет проведем по формуле:

V = V ^{( – )/10.}

V = V  2^{(70 – 30)/10} = V  2⁴ = 16 V

Следовательно скорость реакции V при температуре 70°С больше скорости реак­ции V при температуре 30°С в 16 раз.

Пример 3.

Константа равновесия гомогенной системы

СО(г) + Н₂О(г) = СО₂(г) + Н₂(г)

при 850°С равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [СО]_.= 3 моль/л, [Н₂О]_. = 2 моль/л.

Решение. При равновесии скорости прямой и обратной реакции равны, а отношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесия данной системы:

V_np. = k₁[CO][H₂О]; V_o6p. = k₂[CО₂][H₂]

K_p =

В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение К_р входят равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрация CO₂ станет равной x моль/л. Согласно уравнению реакции концентрация образовавшегося водорода при этом будет также равной х моль/л. В соответствии с уравнением реакции концентрации CO и H₂O также уменьшается на x моль. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ будут равны:

[СО₂] = [Н₂] = х моль/л; [СО] = (2-х) моль/л; [Н₂О] = (3-х) моль/л.

Зная константу равновесия, находим значение х, а затем равновесные концентрации всех веществ:

1 = ; х² = 6 - 2х - 3х + х²; 5х = 6; х = 1,2 моль/л.

Таким образом, равновесные концентрации имеют значения:

[СО₂] = 1,2 моль/л; [Н₂] = 1,2 моль/л;

[СО] = 3 - 1,2 = 1,8 моль/л; [Н₂О] = 2 - 1,2 = 0,8 моль/л.

Пример 4.

Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравне­нию:

РС1₅(г) = РС1₃(г) + С1₂(г); Н⁰₂₉₈ = +92,59 кДж

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрации веществ, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции - разложения РCl₅?

Решение: Смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из ус­ловий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяют по принци­пу Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится.

Реакция разложения PCl₅ эндотермическая (Н > 0) - для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру. Разложение PCl₅ ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы) - для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление. Смещения равновесия в указанном на­правлении можно достигнуть как увеличением концентрации PCl₅, так и уменьшением концентраций РСl₃ или С1₂.