Хімічна кінетика - рішення задач, контрольних

Швидкість хімічних реакцій Розділ хімії, що вивчає швидкість і механізм хімічних реакцій, називається хімічною кінетикою. Швидкість хімічної реакції - це кількість елементарних актів взаємодії в одиницю часу в одиниці реакційного простору. Це визначення справедливо як для гомогенних, так і для гетерогенних процесів. У першому випадку реакційним простором є обсяг реакційної посудини, а в другому - по-поверхні на якій протікає реакція. Так як при взаємодії змінюються концентрації реагентів або продуктів реакції в одиницю часу. При цьому немає необхідності стежити за зміною концентрації всіх речовин, що беруть участь в реакції, оскільки стехіомет-річеская рівняння її встановлює співвідношення між концентраціями реагентів. Концентрацію реагуючих речовин найчастіше висловлюють кількістю молей в 1 літрі (моль / л). Швидкість хімічної реакції залежить від природи реагуючих речовин, концентрації, температури, величини поверхні зіткнення речовин, присутності каталізаторів та інших. [TJ Збільшення концентрації реагуючих речовин призводить до збільшення швидкості хімічної реакції внаслідок того, що будь-яка хімічна реакція протікає через зіткнення між реагують частками (атомами, молекулами, іонами), а їх тим більше, чим більше частинок в одиниці реакційного простору (чим більше концентрація) . Хімічна реакція може протікати через один або кілька елементарних актів (елементарних стадій взаємодії). Сукупність елементарних актів відображає механізм реакції. Для реакцій, що відповідають будь-яким ^ елементарного акту, можна записати вираз залежності швидкості реакції від концентрації на підставі рівняння реакції. У тому випадку, коли в елементарному акті бере участь лише одна молекула (наприклад, реакція розкладання), залежність має вигляд: і = до [А], і говорять про мономолекулярної реакції; коли в елементарному акті відбувається зіткнення двох різних молекул, залежність має такий вигляд: і - до [А] [В], і говорять про бімолекулярний реакції; коли в елементарному акті відбувається зіткнення трьох молекул, для залежності швидкості від концентрації справедливо: v - до [А] • [В] • [З], і говорять про тримолекулярного реакції. У всіх розібраних залежностях: v- швидкість реакції; [А], [В], [З] - концентрації реагуючих речовин; до - коефіцієнт пропорційності; званий константою швидкості реакції. v = до, коли концентрації реагуючих речовин або їх твір рівні одиниці. Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин і від температури. Залежність швидкості простих реакцій (т. Е. Реакцій, що протікають через один елементарний акт) від концентрації описується законом діючих мас, встановленим К. Гульдбергом і П. Вааге в 1867 р швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин, зведених в ступінь їх стехиометрических коефіцієнтів. Наприклад, для реакції 2NO + 02 = 2N02; v - k [NO] 2 [OJ. Якщо рівняння хімічної реакції не відповідає елементарного акту взаємодії, а є просто сумарним рівнянням, що відображає тільки зв'язок між масою вступили і утворилися речовин, то при написанні вираження для залежності швидкості реакції від концентрації потрібно враховувати, що ступеня у концентрації трохи будуть рівні коефіцієнтам, що стоять перед формулами відповідних речовин в рівнянні реакції. Для реакції, перебіг якої пов'язане з деякими елементарними актами, загальна швидкість визначається (лімітується) швидкістю самої повільної стадії. Розібрана залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин справедлива для газів і реакцій, що протікають в розчині. Вона не поширюється на реакції з участю твердих речовин, так як в цих випадках взаємодія молекул відбувається не в усьому обсязі реагуючих речовин, а лише на поверхні розділу двох фаз. Тому швидкість гетерогенної реакції залежить не тільки від розглянутих нами раніше факторів, а й від величини поверхні зіткнення між реагують фазами. Будь-яке збільшення поверхні призводить до збільшення швидкості реакції. UJ Вплив температури на швидкість хімічної реакції узгоджується з правилом Вант-Гоффа: при підвищенні температури на кожні 10 ° С швидкість реакції збільшується в 2-4 рази. Математично це правило передається наступним рівнянням: t / е

ят, де А - коефіцієнт пропорційності; е - основа натуральних логарифмів; R - універсальна газова постійна і Т - абсолютна температура. Це рівняння показує, що при постійній температурі константа швидкості визначається енергією активації. Чим вище чисельне значення енергії активації, тим менше в реакційній суміші активних молекул, тим менше число ефективних зіткнень і тим, отже, нижче константа швидкості і сама швидкість хімічної реакції. [3) Вплив каталізатора. Каталізаторами називаються речовини, які беруть участь в хімічному процесі, змінюють його швидкість, але не входять до складу продуктів реакції, т. Е. До кінця реакції залишаються хімічно незмінними. Явище зміни швидкості реакції під дією каталізаторів називається катализом. Розрізняють гомогенний і гетерогенний каталіз. Коли взаємодіючі речовини і каталізатор знаходяться в однаковому агрегатному стані, говорять про гомогенному каталізі. При гетерогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор знаходяться в різних агрегатних станах; зазвичай каталізатор в твердому, а реагують речовини - в рідкому або газоподібному. Якщо каталізатор знижує швидкість хімічної реакції, то його називають інгібітором. Деякі речовини не володіють каталітичною дією, але їх добавки різко збільшують каталітичну здатність каталізаторів. Їх називають промоторами. Інші речовини зменшують або повністю знищують активність каталізаторів, їх називають каталітичними отрутами, а процес зниження активності каталізаторів - отруєнням. При гомогенному каталізі основною гіпотезою, що пояснює механізм дії каталізатора, є теорія проміжних продуктів між каталізатором і реагує речовиною з меншим значенням енергії активації. Гетерогенний каталіз найчастіше пояснюється адсорбційної теорією, згідно з якою на поверхні каталізатора відбувається адсорбція реагуючих речовин і їх концентрація збільшується. При цьому слід мати на увазі, що для каталізатора характерна вибірковість дії. Приклад 2 У скільки разів зросте швидкість реакції взаємодії оксиду вуглецю (II) з киснем, якщо концентрації вихідних речовин збільшити в три рази? Дано: [СО] і [02] зросте в три рази Знайти: Рішення: 1) Записуємо рівняння реакції: 2СО + 02 = 2С02. Відповідно до закону діючих мас v - до [С0] 2 [02]. 2) Позначимо [СО] = а; [02] = Ь, тоді: v = до • А2 • Ь. 3) При підвищенні концентрації вихідних речовин в 3 рази отримаємо: [СО] = За, а [02] = зь. 4) Розраховуємо швидкість реакції и1: - k9a23b - к27а% a if К27 Д2Ь 27 v до а2Ь Відповідь: в 27 разів. Приклад 3 У скільки разів зросте швидкість хімічної реакції при підвищенні температури на 40 ° С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції ра вен 3? Дано: At = 40 ° С Y - 3 Знайти: 2 Рішення: 1) Згідно з правилом Вант-Гоффа: h-U vt2 = vh • у 10. 40 і, - vt> 3 10 - vt -81. 2 Будiвництво 1 1 Відповідь: в 81 разів. а Приклад 4 Реакція між речовинами А і В протікає по схемі 2А + В * »С. Концентрація речовини А дорівнює 10 моль / л, а речовини В - б моль / л. Константа швидкості реакції дорівнює 0,8 л 2 4 моль "2 • сек" 1. Обчислити швидкість хімічної реакції в початковий момент, а також в момент, коли в реакційній суміші залишиться 60% речовини В. Дано: до - 0,8 л 2 • моль "2 • сек" 1 [A] = 10 моль / л [B] = 6 моль / л Знайти: "поч! ^ Рішення: 1) Знаходимо швидкість реакції в початковий момент: v - до [А] 2 • [в], г> = 0,8 • 102 • б - 480 моль - л • сек "1. нач 2) Після закінчення деякого часу в реакційній суміші залишиться 60% речовини В. Тоді: Отже, [В] зменшилася на: 6 - 3,6 = 2,4 моль / л. 3) З рівняння реакції слід, що речовини А і В взаємодіють між собою в відношенні 2: 1, тому [А] зменшилася на 4,8 моль / л і стала рівною: [А] = 10 - 4,8 = 5,2 моль / л. 4) Розраховуємо if: г> = 0,8 * 5,22 • 3,6 = 77,9 моль • л "1 * сек" 1. Відповідь: г> поч

480 моль • л • сек "1, г / = 77,9 моль • л-1 • сек" 1. Приклад 5 Реакція при температурі 30 ° С протікає за 2 хвилини. За скільки часу закінчиться ця реакція при температурі 60 ° С, якщо в даному температурному інтервалі температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2? Дано: t1 = 30 ° С t2 = 60 ° С 7 = 2 т = 2 хв = 120 сек Знайти: ч Рішення: 1) Відповідно до правила Вант-Гоффа: vt - = у ю 1 vt - = 23 = 8. Vt 2) Швидкість реакції обернено пропорційна часу реакції, отже: Відповідь: т = 15сек. Питання і завдання для самостійного рішення 1. Дайте визначення швидкості реакції. Наведіть приклади реакцій, що йдуть з різними швидкостями. 2. Вираз для істинної швидкості хімічної реакції, що протікає при постійному обсязі системи, записується таким чином: dC v = ± -. d t Вкажіть, в яких випадках необхідний позитивний, а в яких - негативний знаки в правій частині виразу. 3. Від яких факторів залежить швидкість хімічної реакції? 4. Що називається енергією активації? Вплив якого фактора на швидкість хімічної реакції вона характеризує? 5. Чим пояснюється сильне збільшення швидкості реакції при зростанні температури? 6. Дайте визначення основного закону хімічної кінетики - закону діючих мас. Ким і коли він був сформульований? 7. Що називається константою швидкості хімічної реакції і від яких чинників вона залежить? 8. Що таке каталізатор і як він впливає на швидкість хімічної реакції? 9. Наведіть приклади процесів, в яких використовуються інгібітори. 10. Що таке промотори і де вони застосовуються? 11. Які речовини називають «каталитическими отрутами»? Наведіть приклади таких речовин. 12. Що таке гомогенний і гетерогенний каталіз? Наведіть приклади процесів із застосуванням їх каталітичних процесів. 13. Як зміниться швидкість реакції 2С0 + 02 = 2С02, якщо зменшити обсяг газової суміші в 2 рази? 14. У скільки разів зросте швидкість хімічної реакції при підвищенні температури з 10 ° С до 40 ° С, якщо відомо, що з підвищенням температури на 10 ° С швидкість реакції зросте в 2 рази? 15. Швидкість реакції А + В = С при підвищенні температури на кожні 10 ° С збільшується в три рази. У скільки разів збільшиться швидкість реакції при підвищенні температури на 50 ° С? 16. У скільки разів зросте швидкість реакції взаємодії водню і брому, якщо концентрації вихідних речовин збільшити в 4 рази? 17. У скільки разів зросте швидкість реакції при підвищенні температури на 40 ° С (у = 2)? 18. Як зміниться швидкість реакції 2NO + 02 ^ 2N02, якщо тиск в системі збільшити в два рази? 19. У скільки разів слід збільшити концентрацію водню в системі N2 + 3H2 ^ 2NH3, щоб швидкість реакції зросла в 125 разів? 20. Реакція між оксидом азоту (II) і хлором протікає по рівнянню 2NO + С12 2NOC1; як зміниться швидкість реакції при збільшенні: а) концентрації оксиду азоту в два рази; б) концентрації хлору в два рази; в) концентрації обох речовин в два рази. 21. При 150 ° С деяка реакція закінчується за 16 хвилин. Беручи температурний коефіцієнт рівним 2,5, розрахуйте, через який період часу закінчиться ця ж реакція при 80 ° С. 22. На скільки градусів треба збільшити температуру, щоб швидкість реакції зросла в 32 рази. Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2. 23. При 30 ° С реакція протікає за 3 хвилини. За скільки часу буде протікати ця ж реакція при 50 ° С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3. 24. При температурі 40 ° С реакція протікає за 36 хв, а при 60 ° С - за 4 хв. Розрахуйте температурний коефіцієнт швидкості реакції. 25. Швидкість реакції при 10 ° С дорівнює 2 моль / л. Обчисліть швидкість цієї реакції при 50 ° С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2.