СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Пример 1

Оксид азота (II) и хлор взаимодействует по уравнению реакции . Во сколько раз нужно увеличить давление каждого из исходных веществ при неизменном давлении второго вещества, чтобы скорость реакции возросла в 16 раз? Во сколько раз нужно увеличить давление во всей системе, чтобы скорость реакции возросла в 16 раз?

Решение.

Запишем выражение закона действующих масс для этой реакции согласно формуле (12)

Для газообразных веществ давление пропорционально их концентрации, следовательно, можно записать:

1) Допустим, давление NO возрастает в х раз, тогда

Следовательно, согласно условию задачи:

,

Решая данное уравнение, получим,

, .

Т.е., давление NO необходимо увеличить в 4 раза.

Поскольку концентрация входит в выражение закона действующих масс в первой степени, то, очевидно, что для увеличения скорости в 16 раз давление хлора также необходимо увеличить в 16 раз.

2) При увеличении давления во всей системе в х раз получим

.

Решая данное уравнение, получим,

, .

Пример 2

Взаимодействие оксида азота (II) с кислородом протекает по уравнению реакции . Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию: а) NO в 3 раза; б) О₂ в 2 раза; в) NO и О₂ в 2 раза.

Решение.

Запишем выражение закона действующих масс для этой реакции согласно формуле (12)

А) при увеличении концентрации в 3 раза, получим

Следовательно: , т.е. при увеличении концентрации в 3 раза, скорость реакции увеличится в 9 раз.

Б) при увеличении концентрации в 2 раза, получим

Следовательно: , т.е. при увеличении концентрации в 2 раза, скорость реакции увеличится в 2 раз.

В) при увеличении концентрации и в 2 раза, получим

Следовательно: , т.е. при увеличении концентрации и в 2 раза, скорость реакции увеличится в 8 раз.

Пример 3

Скорость химической реакции при повышении температуры на 60 °С увеличится в 3,5 раза. Во сколько раз возрастет скорость этой реакции при увеличении температуры на 15 °С?

Решение.

Запишем выражение правила Вант-Гоффа согласно уравнению (13):

.

Согласно условию задачи: Þ .

При увеличении температуры на 15 °С: Þ .

Пример 4

При 65 °С некоторая реакция заканчивается за 50 минут. Принимая температурный коэффициент скорости реакции равным 2,5, рассчитать, через какое время закончится эта реакция, если ее проводить при 150 °С?

Решение.

Для решения воспользуемся формулой (14):

Согласно условию задачи:

Þ Þ .

Пример 5

Энергия активации некоторой реакции в отсутствие катализатора равна 75,24 кДж/моль, а с катализатором – 50,14 кДж/моль. Во сколько раз возрастает скорость реакции в присутствии катализатора, если реакция протекает при 25 °С?

Решение.

Для решения воспользуемся уравнением Аррениуса (формула 15):

.

Обозначим для реакции, протекающей без катализатора энергию активации через , константу скорости – через , а для реакции, протекающей с катализатором – через и , соответственно.

Запишем уравнение Аррениуса:

§ реакция без катализатора:

§ реакция с катализатором:

Найдем отношение констант скоростей:

Отсюда находим:

Þ Þ

Таким образом, снижение энергии активации на 31,014 кДж привело к увеличению скорости реакции в 273 тысяч раз.

Пример 6.

Константы скорости реакции при 328,2 К и 298,2 К соответственно равны 0,01 и 0,001 . Вычислите энергию активации данной реакции.

Решение.

Для расчета константы скорости реакции при 343,2 К воспользуемся формулой (16) , из которой можно определить значение энергии активации – величины постоянной для данной реакции:

, (Дж).

Пример 7.

В гомогенной системе ( ) установилось равновесие при следующих концентрациях реагирующих веществ: , и Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию и .

Решение.

1) Используя формулу 17, запишем выражение константы равновесия, протекающей реакции :

С учетом данным задачи, получаем: (л/моль).

2) В условии задачи даны равновесные концентрации всех участников реакции.

Для определения исходных концентраций реагирующих веществ рассуждаем следующим образом.

Необходимо помнить, что исходное количество реагирующего вещества (С_о(в-ва)), количество реагирующего вещества, вступившего в реакцию ( ) и равновесное количество реагирующего вещества ([в-ва]) связаны между собой следующим выражением:

.

Для вещества рассуждаем следующим образом:

Исходя из уравнения реакции:

если реагирует 2 моль NО, то образуется 2 моль NО₂;

по условию задачи:

если реагирует моль NО, то образуется 0,16 моль NО₂:

Þ моль.

Следовательно, .

Для вещества рассуждаем следующим образом:

Исходя из уравнения реакции:

если реагирует 1 моль , то образуется 2 моль NО₂;

по условию задачи:

если реагирует моль , то образуется 0,16 моль NО₂:

Þ моль.

Следовательно, .

Можно оформить решение данной задачи в виде таблицы:

Начальные концентрации (Со(в-ва))	?   0,1+0,16=0,26	?   0,2+0,08=0,28	-
Количество прореагировавшего вещества ( )	2 моль NО – 2 моль NО2 моль – 0,16моль:	1 моль О2 – 2 мольNO2 моль – 0,16 моль:
Равновесные количества:	0,1	0,2	0,16

Пример 8.

Исходные концентрации азота и водорода в реакционной смеси для синтеза аммиака составляли 4 и 10 моль/л соответственно. Каковы будут равновесные концентрации в этой смеси, если к моменту наступления равновесия прореагировало 50% азота (объем реакционной смеси не изменяется).

Решение.

Запишем уравнение реакции синтеза аммиака:

Начальные концентрации (Со(в-ва))			-
Количество прореагировавшего вещества	прореагировало 50% , т.е. моль	По уравнению реакции: если реагирует 1 моль N2, то нужно 3 моль H2; по условию задачи: если реагирует 2 моль N2, то нужно х моль H2: моль
Равновесные количества:			По уравнению реакции: если реагирует 1 моль N2, то образуется 2 моль NH3; по условию задачи: если реагирует 2 моль N2, то образуется моль NH3:

Пример 9.

Используя справочные данные, найти приближенное значение температуры, при которой константа равновесия реакции образования водяного газа равна единице. Зависимостью и от температуры пренебречь.

Решение.

Для решения воспользуемся формулами (20) и (10):

;

Согласно условию задачи Þ .

Следовательно, Þ .

Для расчета можно воспользоваться значениями и реакции.

Данные для решения задачи берем из справочника [1]:

вещества
, кДж/моль	0	-241,81	-110,53	0
, Дж/(моль×К)	5,74	188,74	197,40	130,60

Тепловой эффект реакции при температуре 298 К рассчитаем по уравнению 8:

Для данной реакции:

;

Изменение энтропии реакции рассчитываем по формуле:

,

где – стандартная энтропия вещества.

Для данной реакции:

;

Таким образом,

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Запишите кинетические уравнения для следующих реакций:

; ;

; .

2. Как изменится скорость прямой реакции при увеличении давления в 4 раза для данных реакций:

а) ; б) ; в) ?

3. При 20 ^оС реакция растворения железа в соляной кислоте заканчивается за 2 минуты, а при 40 ^оС – за 30 с. Определите, за какое время реакция закончится при 70 ^оС?

4. Рассчитайте среднюю скорость химической реакции, если за период измерений 15 с концентрация одного из реагентов изменилась с 0.35 моль/л до 0.31 моль/л.

5. При 30 ^оС скорость некоторой реакции равна 0.005 моль/лс. Температурный коэффициент этой реакции равен 2. Определите скорость этой реакции при 100 ^оС.

6. При некоторой температуре константа равновесия реакции

равна 1. Начальная концентрация СО равна 0,2 моль/л, Н₂О – 0,5 моль/л. Рассчитайте равновесные концентрации всех газов в момент наступления равновесия.

7. Определите, как необходимо изменить температуру и давление, чтобы увеличить выход продуктов реакции:

, <0; , <0;

, >0; , >0.