Методические указания и контрольные задания по химии для студентов заочного обучения инженерно-технических (нехимических) специальностей (стр. 6 )

Химическая кинетика изучает скорость химических реакций (υ), которая определяется как изменение концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени в постоянном реакционном пространстве.

В общем случае υ ,

где ∆C – изменение концентрации; τ – время протекания реакции в секундах.

Скорость реакции зависит от:

1.  концентрации реагирующих веществ;

2.  природы реагирующих веществ;

3.  температуры реакционной смеси;

4.  наличия катализатора в системе.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации определяется законом действующих масс: скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

Математическое выражение закона действующих масс для системы аА + bB = cC + dD выглядит следующим образом:

,

где k – коэффициент пропорциональности или константа скорости, которая не зависит от концентрации, но зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора;

[А] и [В] – концентрации веществ А и В;

a, b – стехиометрические коэффициенты.

Влияние температуры на скорость химической реакции определяется правилом Вант-Гоффа: при изменении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции изменяется в 2-4 раза.

,

где υ2 и υ1 – скорости реакций при температурах Т2 и Т1 соответственно;

γ – температурный коэффициент Вант-Гоффа, который может принимать значения от 2 до 4;

∆Т = Т2 –Т1.

Если один из реагентов находится в твердой фазе (гетерогенная система), то скорость химической реакции зависит от общей поверхности твердого вещества или от степени его дисперсности. Однако в общем случае изучение скорости реакции проводят в условиях не изменяющейся поверхности. Тогда в выражение скорости реакции входит только концентрация жидкого или газообразного компонента и не входит площадь поверхности. Например, скорость реакции между поверхностью раскаленного угля и парами воды зависит только от концентрации водяного пара

.

В системах, где одно или несколько веществ являются газами, скорость химической реакции зависит также от внешнего давления. В этом случае в выражение скорости может быть введено значение парциального давления.

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакций в системе ⇄ , если объем газовой смеси уменьшить в три раза?

Решение: Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO2] = а; [O2] = b; [SO3] = с. Согласно закону действия масс скорости прямой и обратной реакции до изменения объема имеют следующие выражения:

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза, т. е. [SO2] = 3а; [O2] = 3b; [SO3] = 3с. Тогда при новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций можно записать следующим образом:

= k (3a)2 3b = 27 k a2 b; = k1(3c)2 = 9 k c2

Отсюда = 27 k a2 b/ k a2 b = 27;

= 9 k c2/ k1 c2 = 9.

Следовательно, скорость прямой реакции увеличится в 27 раз, а обратной – только в 9 раз.

Пример 2. Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70 °С.

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

υ2 = υ1∙γ∆T/10 = υ1∙270-30/10 = υ1∙24 = 16∙υ1

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

Контрольные вопросы

61. Напишите выражение для скорости химической реакции, протекающей в гомогенной системе по уравнению А + 2В = АВ2 и определите, во сколько раз увеличится скорость этой реакции, если: а) концентрация вещества А увеличится в 2 раза; б) концентрация вещества В увеличится в 2 раза; в) концентрация обоих веществ увеличится в 2 раза.

62. Во сколько раз следует увеличить концентрацию оксида углерода (II) в системе , чтобы скорость реакции увеличилась в 4 раза?

63. Во сколько раз следует увеличить давление, чтобы скорость образования NO2 по реакции ⇄ , возросла в 1000 раз?

64. Напишите выражение для скорости реакции и определите, во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении концентрации кислорода в 3 раза.

65. Реакция между оксидом азота (II) и хлором протекает по уравнению ⇄ . Как изменится скорость реакции при увеличении: а) концентрации оксида азота в 2 раза; б) концентрации хлора в 2 раза; в) концентрации обоих веществ в 2 раза?

66. Во сколько раз увеличится константа скорости химической реакции при повышении температуры на 40°С, если γ = 3,2?

67. На сколько градусов следует повысить температуру системы, чтобы скорость протекающей в ней реакции возросла в 30 раз (γ = 2,5)?

68. При повышении температуры на 50°С скорость реакции возросла в 1200 раз. Вычислите температурный коэффициент реакции.

69. Вычислите температурный коэффициент реакции, если константа скорости ее при 120°С равна 6,7·10-2.

70. Реакция между веществами А и В выражается уравнением

А + 2В = С. Начальные концентрации соответственно равны 0,3 и 0,5 моль/л. Константа скорости равна 0,4 л2/(моль2∙с). Вычислите скорость реакции в начальный момент и в тот момент, когда концентрация вещества А уменьшилась на 0,1 моль/л.

71. Температурный коэффициент реакции равен 3. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении температуры с 22 до 62°С?

72. Напишите математические выражения для определения скоростей следующих химических реакций, протекающих в гомогенной системе: a) ⇄ ;

б) ⇄ ;

в) ⇄ .

73. Напишите математические выражения для определения скоростей следующих химических реакций, протекающих в гетерогенной системе: а) ⇄ ;

б) ⇄ ;

в) ⇄ .

74. Определите, как изменится скорость прямой реакции

⇄ , если давление в системе увеличить в 5 раз?

75. Как изменится скорость прямой реакции

⇄ , если объем газовой смеси уменьшить в 2 раза?

76. При повышении температуры на 30°С скорость химической реакции увеличилась в 64 раза. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость этой реакции при повышении температуры на каждые 10°С.

77. Рассчитайте температурный коэффициент реакции, если при нагревании системы от 40°С до 80°С скорость возросла в 64 раза.

78. Температурный коэффициент реакции равен 3. При какой температуре следует проводить эту реакцию, чтобы скорость реакции, идущей при 100°С, уменьшилась в 27 раз?

79. Как изменится скорость прямой и обратной реакции, если объем газовой смеси ⇄ увеличить в 2 раза?

80. Во сколько раз следует увеличить давление в системе

⇄ , чтобы скорость образования HI возросла в 100 раз?

1.5. Химическое равновесие

Для решения задач этого раздела рекомендуем воспользоваться литературой 6, 7, 9 и таблицей 1 ᾽᾽Стандартные энтальпии образования веществ᾽᾽.

Химические реакции бывают обратимыми и необратимыми. Для обратимых реакций характерно состояние химического равновесия.