Контент-платформа Pandia:     2 872 000 материалов , 128 197 пользователей.     Регистрация


Химическая кинетика и равновесие (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5
 просмотров

Министерство образования и науки Российской Федерации

Бийский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. »

,

Химическая кинетика и равновесие

Методические рекомендации к лабораторным работам

по дисциплине «Химия» для студентов всех форм обучения

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического

университета им.

2011

УДК

Рецензент: , доцент, к. х.н. БТИ АлтГТУ.

Макрушина, Т. И.

Химическая кинетика и равновесие: методические рекомендации к лабораторным работам по дисциплине «Химия» для студентов всех форм обучения / , ; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск : Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. – 43 с.

Методические рекомендации содержат теоретические сведения по темам химическая кинетика и равновесие, описание методик и правил проведения лабораторных работ, задачи и примеры их решения, тесты, а также примерный перечень вопросов на защиту работы.

УДК

Рассмотрены и одобрены

на заседании кафедры общей химии

и экспертизы товаров.

Протокол № от 2011 г.

© ,

, 2011

© БТИ АлтГТУ, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

4

1 Теоретическая часть

5

1.1 Скорость химических реакций

5

1.2 Влияние природы реагирующих веществ на скорость химических реакций

6

1.3 Зависимость скорости химической реакции от концентрации

7

1.4 Зависимость скорости химической реакции от температуры

8

1.5 Кинетика гетерогенных реакций

11

1.6 Гомогенный и гетерогенный катализ

13

1.7 Механизмы химических реакций

16

1.8 Химическое равновесие

18

2 Экспериментальная часть

24

3 Контрольные вопросы

27

4 Примеры решения задач

28

5 Задачи для самостоятельного решения

33

6 Тесты

40

7 Техника безопасности

43

Литература

44


ВВЕДЕНИЕ

Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни, известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Кроме того, одна и та же реакция может в одних условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других, − например, при охлаждении, − медленно; при этом различие в скорости одной и той же реакции может быть очень большим.

Знание скоростей химических реакций имеет очень большое научное и практическое значение. Например, в химической про­мышленности при производстве того или иного вещества от скорости реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.

Предсказание скорости химической реакции, а также выяснение зависимости этой скорости от условия проведения реакции осуществляет химическая кинетика.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Скорость химических реакций

Химической кинетикой называется учение о скорости и механизмах химических реакций, закономерностях их развития во времени.

Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной система, состоящая из нескольких фаз. Реакция может протекать в объеме фазы (гомогенно) или на границе раздела фаз (гетерогенно). Гомогенными реакциями являются, например, процессы в растворах газов, жидкостей; гетерогенными − реакции на границах газ − твердое, жидкость − твердое, жидкость – газ-вещество.

Скорость химической реакции − число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице реакционного пространства.

Элементарный акт – столкновение молекул, приводящее к образованию продуктов реакции.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества , вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени τ в единице объема системы V.

гом = /(Vτ). (1.1)

Скоростью гомогенной реакции называют изменение концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени.

А®В

(1.2)

где СА, СВ – изменение концентрации исходного вещества и продукта реакции.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество веще­ства, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы:

гетер = /(S τ). (1.3)

Истинная скорость химической реакции определяется пределом, к которому стремится отношение ∆С/∆τ при ∆τ→0, т. е. производной концентрации по времени (рисунок 1.1).

. (1.4)

Рисунок 1.1 − Изменение концентрации исходного вещества

в ходе реакции

От чего зависит скорость химической реакции?

К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакции, от­носятся следующие: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов. Скорость гетерогенных реакций зависит также от величины поверхности раздела фаз, интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция. На скорость некоторых реакций влияет освещение, воздействие электромагнитных полей и др.

2.2 Влияние природы реагирующих веществ на скорость

химических реакций

Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы малореакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCI, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

Другие примеры: фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, а бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании. Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди с водой не реагирует.

2.3 Зависимость скорости химической реакции

от концентрации

В 1867 г. был установлен закон действующих масс двумя норвежскими химиками К. Гульдбергом и П. Ваге.

При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в некоторых степенях:

А+В+2D = F+L

* = kCACB CD 2 , (1.5)

где k коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости данной реакции.

Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от концентрации реагирующих веществ. Уравнение (1.4) называется кинетическим уравнением реакции.

Показатели степеней при концентрациях в кинетическом уравнении называются порядками реакции по данному веществу, а их сумма – общим порядком реакции. Порядки реакции устанавливаются экспериментально и в большинстве случаев не совпадают со стехиометрическими коэффициентами уравнений. Существует совсем немного реакций, где порядок совпадает с суммой стехиометрических коэффициентов.

N2O5= 2NO2+ 1/2O2 = kC∙(N2O5) реакция 1-го порядка

H2 + J2 = 2HJ = kC(H2)∙C(J2) реакция 2-го порядка

Cl2 +2NO = 2NOCl = kC(Cl2)∙C(NO)2 реакция 3-го порядка

Иными порядок реакции может быть и дробным. Почему, рассмотрим ниже.

H2 + Br2 = 2HBr.

*= kCH2CBr2 ½.

Реакции обычно идут по стадиям, поскольку невозможно представить себе одновременное столкновение большого числа молекул.

Предположим, что некая реакция идет по стадиям:

A + 2B = C + D.

1) А + В = АВ.

2) АВ + В = C +D.

Тогда, если первая реакция идет медленно, а вторая быстро, то скорость определяется первой стадией (пока она не пройдет, не может идти вторая), т. е. накопление частиц АВ. Тогда и = kCACB.

Скорость реакции для последовательных реакций определяется самой медленной стадией. Отсюда различие между порядком реакции и стехиометрическими коэффициентами. Например, реакция разложения перекиси водорода:

2H2O2 = 2H2O+O2

На самом деле, реакция первого порядка, т. к. она лимитируется первой стадией H2O2 = H2O + O, а вторая стадия O + O = O2 идет очень быстро.

Может быть самой медленной не первая, а вторая или другая стадия, и тогда мы получаем иногда дробный порядок, выражая концентрации интермедиатов (промежуточных соединений) через концентрации начальных веществ.

Другая причина несовпадения порядка реакции с суммой стехиометрических коэффициентов уравнений − постоянство концентраций одного или нескольких участников реакции. Например, в реакции омыления эфира

C2H5COOCH3 + H2O = C2H5OH + CH3COOH.

.

Молекулярность реакции – это число частиц, участвующих в элементарной реакции. В зависимости от молекулярности различают: мономолекулярные, би - тримолекулярные реакции.

2.4 Зависимость скорости реакции от температуры

Кроме концентрации и природы реагирующих веществ, важным фактором, определяющим скорость реакции, является температура.

Константа скорости реакции есть функция от температуры; повышение температуры, как правило, увеличивает константу скорости. Первая попытка учесть влияние температуры была сделана Вант-Гоффом, сформулировавшим следующее эмпирическое правило.

При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости элементарной химической реакции увеличивается в 2 − 4 раза.

Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается скорость или константа скорости при повышении температуры на 10 градусов, есть температурный коэффициент скорости реакции γ. Математически правило Вант-Гоффа можно записать следующим образом:

, (1.6)

где g − температурный коэффициент скорости химической реакции;

k1, k2 – константы скорости реакции при соответствующих температурах;

t1, t2 – температуры реакций.

Однако правило Вант-Гоффа применимо лишь в узком температурном интервале, поскольку температурный коэффициент скорости реакции сам является функцией от температуры; при очень высоких и очень низких температурах температурный коэффициент γ становится равным единице (т. е. скорость химической реакции перестает зависеть от температуры).

Очевидно, что взаимодействие частиц осуществляется при их столкновениях; однако число столкновений молекул очень велико, и если бы каждое столкновение приводило к химическому взаимодействию частиц, все реакции протекали бы практически мгновенно. С. Аррениус постулировал, что столкновения молекул будут эффективны (т. е. будут приводить к реакции) только в том случае, если сталкивающиеся молекулы обладают некоторым запасом энергии − энергией активации.

Энергия активации, Ea есть минимальная избыточная энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы их столкновение могло привести к химическому взаимодействию. Энергию активации выражают в кДж/моль. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами.

Рассмотрим путь некоторой элементарной реакции: А+В → С. Поскольку химическое взаимодействие частиц связано с разрывом старых химических связей и образованием новых, как считается, что всякая элементарная реакция проходит через образование некоторого неустойчивого промежуточного соединения, называемого активированным комплексом. С ростом температуры число активных молекул возрастает. Отсюда следует, что и скорость химической реакции должна увеличиваться с повышением температуры. Действительно, при возрастании температуры химические реакции протекают быстрее (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 − Энергетическая диаграмма химической реакции.

Энергия активации Ea практически не зависит от температуры. Для каждой химической реакции характерно свое собственное значение Ea (не зависящее от температуры). В большинстве случаев энергия активации химических реакций между нейтральными молекулами составляет от 80 до 240 кДж/моль. Чем НИЖЕ активационный барьер Ea какой-либо химической реакции, тем БЫСТРЕЕ она идет в данных условиях, потому что большее число молекул А и Б способны преодолевать барьер в единицу времени.

Если в другой химической реакции активационный барьер ВЫШЕ, то такая реакция в тех же условиях идет МЕДЛЕННЕЕ. Если барьер очень высок, в системе вообще нет молекул, способных преодолеть активационный барьер и реакция не происходит.

Более точно зависимость скорости реакции от температуры описывает уравнение Аррениуса:

, (1.7)

где A − стерический фактор, который определяет вероятность активного столкновения;

Ea – энергия активации;

R – универсальная газовая постоянная;

T – температура реакции.

Как следует из (1.6), константа скорости реакции тем больше, чем меньше энергия активации.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5

Мы в соцсетях:


Подпишитесь на рассылку:
Посмотрите по Вашей теме:

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства