Химическая кинетика. Катализ. Равновесие

Все случаи изменения состояния равновесной системы при внешних воздействиях можно обобщить, сформулировав принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие, то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет эффект внешнего воздействия.

Проверьте, выполняется ли принцип Ле Шателье во всех рассмотренных выше случаях.

Приведите самостоятельно примеры смещения равновесий при изменении внешних условий и объясните их на основе принципа Ле-Шателье.

Итак, нами рассмотрены основные вопросы, связанные с закономерностями протекания химических реакций. Знание этих закономерностей позволит осмысленно влиять на условия проведения тех или иных процессов с целью получения оптимального результата.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие реакции называются обратимыми?

2. Как и почему изменяются скорости прямой и обратной реакций с течением времени?

3. Что называется химическим равновесием?

4. Какая величина количественно характеризует химическое равновесие?

5. От чего зависит величина константы равновесия: концентрация реагирующих веществ; природа реагирующих веществ; общее давление; температура; наличие катализатора?

6. Какие признаки характерны для истинного химического равновесия?

7. В чем отличие ложного химического равновесия от истинного равновесия?

8. Дайте формулировку принципа Ле Шателье.

9. Сформулируйте следствия из принципа Ле Шателье.

ЕЩЕ НЕСКОЛЬКО ПРИМЕРОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача 1.

Как изменится скорость реакции А₂ + 2В = 2АВ, протекающей непосредственно между молекулами газов, если увеличить давление в 6 раз?

Решение:

По закону действующих масс, скорость гомогенной химической реакции пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов. Поэтому скорость в начальный момент времени равна:

V = k?[А₂] ? [В]².

Однако увеличивать концентрацию газообразных веществ можно за счет увеличения давления в сосуде: при увеличении давления в 6 раз концентрация каждого из веществ также увеличится в 6 раз. В этом случае:

V ' = k· (6 [А₂]) ? (6 [В])² = 216 k?[А₂] ? [В]².

Поэтому, V ' / V = 216.

Задача 2.

Реакция идет по уравнению 2CO + O₂ = 2CO₂. Концентрации исходных веществ были следующие: [CO] = 0,03 моль/л; [O₂] = 0,05 моль/л. Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию кислорода на 0,05 моль/л и концентрацию CO на 0,03 моль/л?

Решение:

По закону действия масс скорость реакции в начальный момент времени была равна:

V = k [CO]² ?[O₂] = k?(0,03)² ?0,05 = k?4,5?10-⁵.

После изменения концентраций реагирующих веществ имеем:

[CO] = 0,03 + 0,03 = 0,06 моль/л; [O₂] = 0.05 + 0.05 = 0,1 моль/л.

Подставим эти данные в выражение закона действия масс:

V ' = k (0,06)² ? 0,1 = k?36?10-⁵.

Находим, как изменилась скорость реакции:

V '/ V = k?36?10-⁵/ k?4,5?10-⁵ = 8.

Таким образом, скорость реакции возросла в 8 раз.

Задача 3.

Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры на 30єС, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3?

Решение:

Согласно правилу Вант-Гоффа:

V₂/V₁ = г ^?t/10,

где V₁ - скорость в начальный момент времени; V₂ - скорость реакции после изменения температуры; г - температурный коэффициент скорости реакции, показывающий, во сколько раз изменилась скорость реакции при изменении температуры на Дt = t₂ - t₁.

По условию данной задачи температура понизилась на 30 градусов, значит Дt = - 30єС. Поэтому:

V₂/V₁ = 3-^30/10 = 3-³ = 1/3³ = 1/27.

То есть, скорость реакции уменьшится в 27 раз.

Задача 4.

Вычислить температурный коэффициент реакции, зная, что при увеличении температуры на 40 градусов скорость химической реакции увеличилась в 256 раз.

Решение:

Температурный коэффициент г - число, показывающее, во сколько раз увеличится скорость химической реакции при увеличении температуры на 10 градусов. Следовательно, г ^40/10 = 256 или г⁴ = 256.

Логарифмируя это выражение, находим:

4 lg г = lg 256 = 2,408;

lg г = 0,602;

г = 4.

Задача 5.

Равновесные концентрации в системе 2SO₂ + O₂ - 2SO₃ составляют: [SO₂] = 0,10 моль/л; [O₂] = 0,16 моль/л; [SO₃] = 0,08 моль/л. Рассчитать константу равновесия и исходные концентрации кислорода и двуокиси серы.

Решение:

Константа равновесия в данном случае выражается уравнением:

К_равн. =

Чтобы найти исходную концентрация прореагировавшего вещества, необходимо знать, сколько этого вещества израсходовано на получение продукта и сколько этого вещества осталось в момент равновесия, т.е.

[SO₂]_исх.= [SO₂]_{израсх.} + [SO₂]_равн. и [O₂]_исх.= [O₂]_{израсх.} + [O₂]_равн.

В соответствии с уравнением реакции 1 моль SO₃ образуется из 1 моль SO₂ и 0,5 моль O₂, следовательно, на образование 0,08 моль SO₃ было затрачено 0,08 моль SO₂ и 0,04 моль O₂. Поэтому исходные концентрации кислорода и двуокиси серы были следующие:

[SO₂]_исх.= 0,08 + 0,10 = 0,18 моль/л;

[O₂]_исх.= 0,04 + 0,16 = 0,20 моль/л.

Задача 6

Определите равновесную концентрацию вещества В, если исходная концентрация вещества А была равна 5 моль/л и константа равновесия

2А - В + С

при некоторой температуре была равна 4.

Решение:

Запишем выражение для константы равновесия в общем виде:

К_равн. = [В]_равн?[С]_равн / [А]²_равн.

Пусть равновесная концентрация вещества В равна х моль/л. Следовательно, равновесная концентрация вещества С (по уравнению реакции) также будет равна х моль/л. Тогда равновесная концентрация вещества А равна (5 - 2х) моль/л, т.к. на получение продуктов израсходовано 2х моль исходного вещества. Подставляем равновесные концентрации в уравнение:

К_равн = x · х / (5 - 2х)² = 4;

х² = 4(25 - 20 + 4х²);

х = 2 (моль/л).

Таким образом, равновесная концентрация вещества В (как и вещества С) равна 2 моль/л.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Написать выражение скорости реакций, протекающих между: а) азотом и кислородом; б) водородом и кислородом; в) оксидом азота(II) и кислородом; г) диоксидом углерода и раскаленным углем.

2. Написать выражение скорости реакций, протекающих по схеме А+В=АВ, если: а) А и В - газообразные вещества; б) А и В - вещества, находящиеся в растворе; в) А - твердое вещество, В - газ или вещество, находящееся в растворе.

3. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В = А₂В, если концентрацию вещества А увеличить в два раза, а концентрацию вещества В уменьшить в два раза.

4. Во сколько раз следует увеличить концентрацию вещества В₂ в системе 2А₂(г.) + В₂(г.) = 2А₂В(г.), чтобы при уменьшении концентрации вещества А в 4 раза скорость прямой реакции не изменилась?

5. Через некоторое время после начала реакции 3А+В = 2С+D концентрации веществ составляли: [А] = 0,03 моль/л; [В] = 0,01 моль/л; [С] = 0,008 моль/л. Каковы исходные концентрации веществ А и В?

6. Как изменится скорость реакции 2NO(г.) + O₂(г.) = 2NO₂(г.), если: а) увеличить давление в системе в 3 раза; б) уменьшить объем системы в 3 раза; в) повысить концентрацию NO в 3 раза?

7. При 150^оС некоторая реакция заканчивается за 16 минут. Рассчитать, через какое время закончится эта реакция, если проводить ее: а) при 200^оС; б) при 80^оС. Температурный коэффициент скорости реакции принять равным 2,5.

8. При состоянии равновесия в системе

N₂(г.) + 3H₂(г.) - 2NH₃(г.); ?H= -92,4 кДж

концентрации участвующих веществ равны: [N₂] = 3 моль/л; [Н₂] = 9 моль/л; [NH₃]= 4 моль/л. Определить: а) исходные концентрации H₂ и N₂; б) в каком направлении сместится равновесие с ростом температуры? в) в каком направлении сместится равновесие, если уменьшить объем реакционного сосуда?

9. Система

С(графит) + СО₂ (г.) - 2СО (г.) ?H^° = 173 кДж

находится в состоянии равновесия. Указать: а) как изменится содержание СО в равновесной смеси с повышением температуры при неизменном давлении? С ростом общего давления при неизменной температуре? б) изменится ли константа равновесия при повышении общего давления? При увеличении температуры? При введении в систему катализатора?

10. В каком направлении произойдет смещение равновесия при повышении температуры в следующих системах:

а) COCl₂ - CO + Cl₂, ?H = 113 кДж;

б) 2CO - CO₂ + C, ?H = -171 кДж;

в) 2SO₃ - 2SO₂ + O₂, ?H = 192 кДж.

11. В каком направлении произойдет смещение равновесия при повышении давления в системах:

а) 2NO(г.) + O₂(г.) - 2NO₂(г.);

б) 4HCl(г.) + O₂ (г.) - 2H₂O(г.) + 2Cl₂(г.);

в) H₂ (г.)+ S(тв) - H₂S(г.).

Ответы

3. Возрастет в 2 раза.

4. В 16 раз.

5. [А_о] = 0,042 моль/л; [В_о] = 0,014 моль/л.

6. а) возрастет в 27 раз; б) возрастет в 27 раз; в) возрастет в 9 раз.

7. а) 9.8 секунд; б) 162 часа 46 минут.

8. а) [N₂]_o = 5 моль/л; [H₂]_o= 15 моль/л; б) влево; в) вправо.

9. Увеличится; уменьшится; нет; да; нет.

10. а) в прямом; б) в обратном; в) в прямом.

11. а) в прямом; б) в прямом; в) не смещается.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахметов Н.С. Неорганическая химия. - М. Высшая школа 1975

2. Угай Я.А. Общая химия. - М. Высшая школа. 1984.

3. Глинка Н.Л. Общая химия. - Л. Химия. 1979.

4. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. - Л Химия. 1985.

5. Карапетьянц М.Х. Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. - М. Химия.1981.

6. Л, Полинг., П. Полинг. Химия. - М, Мир. 1978

Размещено на Allbest.ru