Завдання до розділу хімічна кінетика і рівновага хімічної реакції
Завдання 1. Дайте визначення поняттю швидкість хімічної реакції. Опишіть кількісно (де це можна), як впливав-ють на швидкість реакції зовнішні умови (концентрація, тим-пература, тиск). Розрахуйте, у скільки разів зміниться швидкість реакції Н2 + С12 = 2НС1 при збільшенні тиску в 2 рази;
Швидкістю хімічної реакції u називають число елементарних актів взаємодії, в одиницю часу, в одиниці об'єму для гомогенних реакцій або на одиниці поверхні розділу фаз для гетерогенних реакцій. Середню швидкість хімічної реакції виражають зміною кількості речовини n витраченого або отриманого речовини в одиниці об'єму V за одиницю часу t. Концентрацію виражають в моль / л, а час в хвилинах, секундах або годинах.
де C - концентрація, моль / л
Одиниця виміру швидкості реакції моль / л · с
Якщо в деякі моменти часу t1 і t2 концентрації одного з вихідних речовин дорівнює с1 і с2. то за проміжок часу Δt = t2 - t1. Δc = c2 - c1
ῡ = - ΔC / Δt [моль / л · с]
Якщо речовина витрачається, то ставимо знак «-», якщо накопичується - «+»
Швидкість хімічної реакції залежить від природи реагуючих речовин, концентрації, температури, присутності каталізаторів, тиску (за участю газів), середовища (в розчинах), інтенсивності світла (фотохімічні реакції).
Залежність швидкості реакції від природи реагуючих речовин. Кожному хімічному процесу притаманне певне значення енергії активації Е а. Причому, швидкість реакції. тим більше, чим менше енергія активації.
Швидкість залежить від міцності хімічних зв'язків у вихідних речовинах. Якщо ці зв'язки міцні, то Еа велика, наприклад N2 + 3H2 = 2NH3. то швидкість взаємодії мала. Якщо Е а дорівнює нулю, то реакція протікає практично миттєво, наприклад:
HCl (розчин) + NaOH (розчин) = NaCl (розчин) + H2 O.
Закон діючих мас. Швидкість елементарної гомогенної хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагентів, взятих у ступенях, рівних їх стехиометрическим коефіцієнтами.
Для реакції АА + bB = cC + dD
де [A] і [B] - концентрації речовин А і В у моль / л,
k - константа швидкості реакції.
Концентрації твердих речовин, в разі гетерогенної реакції в кінетичне рівняння не включають.
Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин визначається законом діючих мас:
Очевидно, що зі збільшенням концентрацій реагуючих речовин, швидкість реакції збільшується, тому що збільшується число зіткнень між що беруть участь в реакції речовинами. Причому, важливо враховувати порядок реакції: якщо реакція має перший порядок по деякому реагенту, то її швидкість прямо пропорційна концентрації цієї речовини. Якщо реакція має другий порядок за яким-небудь реагенту, то подвоєння його концентрації призведе до зростання швидкості реакції в 2 + 2 = 4 рази, а збільшення концентрації в 3 рази прискорить реакцію в 3 2 = 9 разів.
Залежність швидкості від температури. Правило Вант-Гоффа. Швидкість більшості хімічних реакцій при підвищенні температури на 10 ° збільшується від 2 до 4 разів.
υТ2 - швидкість реакції при температурі t2. υТ1 - швидкість реакції при температурі t1. γ - температурний коефіцієнт (γ = 2¸4).
Вплив каталізаторів. Каталізатори збільшують швидкість реакції (позитивний каталіз). Швидкість реакції зростає, оскільки зменшується енергія активації реакції в присутності каталізатора. Зменшення енергії активації обумовлено тим, що в присутності каталізатора реакція протікає в кілька стадій з утворенням проміжних продуктів, і ці стадії характеризуються малими значеннями енергії активації.
Інгібітори уповільнюють швидкість реакції (негативний каталіз).
При збільшенні тиску в 2 рази концентрація речовин збільшиться теж в 2 рази і швидкість реакції стане дорівнює:
υпрям зростає в 4 рази.
Завдання 2. При встановленні рівноваги Fe2 O3 (т) + 3CO (г) = 2Fe (т) + 3CO2 (г) концентрація [CO] = 1 моль / л і [CO2] = 2 моль / л. Обчисліть вихідну концентрацію [CO] вих. якщо початкова концентрація CO2 дорівнює нулю.
3 благаючи СО2 утворюється, якщо в реакцію вступають 3 благаючи СО,
2 молей СО2 - х
х = 2 моль, ⇒ вихідна концентрація [CO] вих = [CO] одно + 2 моль = 1 + 2 = 3 моль.
Завдання 3.Температурний коефіцієнт реакції дорівнює 2,5. Як зміниться її швидкість при охолодженні реакційної суміші від зміни температури від 50 ° С до 30 ° С?
Скористаємося правилом Вант-Гоффа
Швидкість реакції зменшиться в 6,25 раз
Завдання 4. Розрахуйте швидкість реакції між розчинами хлориду калію і нітрату срібла, концентрації яких складають відповідно 0,2 і 0,3 моль / л, а k = 1,5 ∙ 10 -3 л ∙ моль -1 ∙ с -1
Швидкість прямої реакції дорівнює:
v = 1,5 ∙ 10 -3 · 0,2 · 0,3 = 9 · 10 -5 моль / л · с
Таким чином швидкість реакції дорівнює v = 9 · 10 -5 моль / л · с
Завдання 5. Як слід змінити концентрацію кисню, щоб швидкість гомогенної елементарної реакції: 2 NО (г) + O2 (г) → 2 NО2 (г) не змінилася при зменшенні концентрації оксиду азоту (II) в 2 рази?
Швидкість прямої реакції дорівнює:
При зменшенні концентрації NО в 2 рази швидкість прямої реакції стане рівною:
тобто швидкість реакції зменшиться в 4 рази:
Щоб швидкість реакції не змінилася концентрацію кисню треба збільшити в 4 рази.
Завдання 6. При збільшенні температури з 30 до 45 о С швидкість гомогенної реакції підвищилася в 20 раз. Чому дорівнює енергія активації реакції?
Рішення.
Застосовуючи рівняння Арреніуса. отримаємо:
ln 20 = Ea / 8,31 · (1/303 - 1/318),
звідси
Ea = 160250 Дж = 160,25 кДж
Завдання 7. Константа швидкості реакції омилення уксусноетіловий ефіру: СН3 СООС2 Н5 (р-р) + КОН (р-р) → СН3 СООК (р-р) + С2 Н5 ОН (р-р) дорівнює 0,1 л / моль ∙ хв. Початкова концентрація уксусноетіловий ефіру дорівнювала 0,01 моль / л, а луги - 0,05 моль / л. Обчисліть початкову швидкість реакції і в той момент, коли концентрація ефіру стане рівною 0,008 моль / л.
Швидкість прямої реакції дорівнює:
υнач = 0,1 · 0,01 · 0,05 = 5 · 10 -5 моль / л · хв
У той момент, коли концентрація ефіру стане рівною 0,008 моль / л, його витрата складе
Значить, в цей момент лугу також витратилося [КОН] витрата = 0,002 моль / л і її концентрація стане рівною
[КОН] кін = 0,05 - 0,002 = 0,048 моль / л
Обчислимо швидкість реакції в той момент, коли концентрація ефіру стане рівною 0,008 моль / л, а луги 0,048 моль / л
υкон = 0,1 · 0,008 · 0,048 = 3,84 · 10 -5 моль / л · хв
Завдання 8. Як слід змінити обсяг реакційної суміші системи:
8NH3 (г) + 3Br2 (ж) → 6NH4 Br (к) + N2 (г). щоб швидкість реакції зменшилася в 60 разів?
Щоб зменшити швидкість реакції необхідно збільшити обсяг системи, тобто зменшити тиск і, тим самим, зменшити концентрацію газоподібного компонента - NH3. Концентрація Br2 при цьому залишиться незмінною.
Початкова швидкість прямої реакції дорівнювала:
при збільшенні концентрації аміаку швидкість прямої реакції стала рівною:
Після скорочення всіх постійних, отримуємо
Таким чином, щоб зменшити швидкість реакції в 60 разів, треба збільшити обсяг в 1,66 раз.
Завдання 9. Як вплине на вихід хлору в системі:
4HCl (г) + O2 (г) ↔2Cl2 (г) + 2H2 О (ж); ? Н про 298 = -202,4кДж
а) підвищення температури; b) зменшення загального обсягу суміші; c) зменшення концентрації кисню; d) введення каталізатора?
- ? Н про 298 ˂ 0, отже, реакція екзотермічна, тому, згідно з принципом Ле-Шательє, при підвищенні температури рівновага зміститься у бік утворення вихідних речовин (вліво), тобто вихід хлору зменшиться.
- При зменшенні тиску, рівновага зміщується в бік реакції, що йде зі збільшенням числа молекул газоподібних речовин. В даному випадку в рівновагу зміщується убік освіти вихідних речовин (вліво), тобто вихід хлору також зменшиться.
- Зменшення концентрації кисню також буде сприяти зсуву рівноваги вліво і зменшення виходу хлору.
- Внесення каталізатора в систему призводить до збільшення швидкості як прямий, так і зворотної реакцій. При цьому, змінюється швидкість досягнення стану рівноваги, але при цьому константа рівноваги не змінюється і зміщення рівноваги не відбувається. Вихід хлору залишиться незмінним.
Завдання 10. У системі: PCl5 ↔ PCl3 + Cl2
рівновагу при 500 о С встановилося, коли вихідна концентрація PCl5. рівна 1 моль / л, зменшилася до 0,46 моль / л. Знайдіть значення константи рівноваги при вказаній температурі.
Запишемо вираз для константи рівноваги:
Знайдемо кількість PCl5, яке витрачається на освіту PCl3 і Cl2 і їх рівноважні концентрації.
[PCl5] витрата = 1 - 0,46 = 0,54 моль / л
З рівняння реакції:
З 1 моль PCl5 утворюється 1 моль PCl3
З 0,54 моль PCl5 утворюється x моль PCl3
Аналогічно, з 1 моль PCl5 утворюється 1 моль Cl2
з 0,54 моль PCl5 утворюється у моль Cl2
Завдання 11. Константа рівноваги реакції: СоСl2 (г) ↔ СО (г) + С12 (г) дорівнює 0,02. Вихідна концентрація СОCl2 склала 1,3 моль / л. Розрахуйте рівноважну концентрацію Сl2. Яку вихідну концентрацію СОCl2 слід взяти, щоб збільшити вихід хлору в 3 рази?
Запишемо вираз для константи рівноваги:
Підставимо значення у вираз для константи рівноваги
0,02 = х · х / (1,3 - х)
Перетворимо вираз в квадратне рівняння
х 2 + 0,02х - 0,026 = 0
Вирішуючи рівняння, знаходимо
Збільшивши вихід хлору в 3 рази отримаємо:
Вихідна концентрація [СоСl2] ісх2 при цьому значенні Cl2 дорівнює:
Таким чином, щоб збільшити вихід хлору в 3 рази, вихідна концентрація СОCl2 повинна дорівнювати [СоСl2] ісх2 = 10,575 моль / л
Завдання 12. Рівновага в системі H2 (г) + I2 (г) ↔ 2HI (г) встановилося при наступних концентраціях учасників реакції: HI - 0,05 моль / л, водню і йоду - по 0,01 моль / л. Як зміняться концентрації водню і йоду при підвищенні концентрації HI до 0,08 моль / л?
Знайдемо значення константи рівноваги цієї реакції:
К = 0,05 2 ̸ 0,01 · 0,01 = 25
При збільшенні концентрації HI до 0,08 моль / л, рівновага зміститься у бік утворення вихідних речовин.
З рівняння реакції видно, що утворюється 2 моль HI, 1 моль H2 і 1 моль I2.
Позначимо нові рівноважні концентрації через невідому х.
[HI] равн2 = 0,08 - 2х
Знайдемо х за допомогою виразу для константи рівноваги:
К = (0,08 - 2х) 2 ̸ [(0,01 + х) · (0,01 + х)] = 25
Вирішуючи рівняння знаходимо:
Завдання 13. Для реакції: FeO (к) + CO (г) ↔Fe (к) + CO2 (г) константа рівноваги при 1000 о С дорівнює 0,5. Початкові концентрації СО і СО2 були відповідно рівні 0,05 і 0,01 моль / л. Знайдіть їх рівноважні концентрації.
Запишемо вираз для константи рівноваги:
Нехай рівноважні концентрації рівні:
[СО] равн = (0,05 - х) моль / л
Підставимо значення у вираз для константи рівноваги:
Вирішуючи рівняння, знайдемо х:
[СО] равн = 0,05 - 0,01 = 0,04 моль / л