Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Химическая кинетика и равновесие



Кинетика - учение о скорости различных процессов, в том числе химических реакций. Критерием принципиальной осуществимости реакций является неравенство DG0р,Т<0. Но это неравенство не является еще полной гарантией фактического течения процесса в данных условиях, не является достаточным для оценки кинетических возможностей реакции. Так, DG0298, H2O(г) = -228,59 кДж/моль, а DG0298 Al2O3(к) = -313,8 кДж/моль и, следовательно, при Т = 298 К и р = 1,013×105 Па возможны реакции, идущие по уравнениям:

Н2 (г) + 1/2 О2 (г) = Н2О (г) (1)

2 А1 (к) + 3 О2 (г) = 2 А12О3 (к) (2)

Однако эти реакции при стандартных условиях идут только в присутствии катализаторов (платины для первой и воды для второй). Катализатор как бы снимает кинетический «тормоз», и тогда проявляется термодинамическая природа вещества. Скорость химических реакций зависит от многих факторов, основные из которых - концентрация (давление) реагентов, температура и действие катализатора. Эти же факторы определяют и достижение равновесия в реагирующей системе.

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямойи обратной реакции в системе:

2 SO2 (г) + О2 (г) « 2 SO3 (г)

если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение. Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO2] = а, [О2] = b, [SO3] = с. Согласно закону действия масс, скорости прямой и обратной реакции до изменения объема Vпр = k×а2×b; Vобр = k1×с2.

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO2] = 3а, [O2] = 3 b; [SO3] = 3с. При новых концентрациях скорости V прямой и обратнойреакции:

пр = k(3а)2× (3b) = 27 k×a2× b; V¢обр = k1 (3с)2 = 9 k1 с2. Отсюда:

 
 

Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной -только в девять раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SO3.

Пример 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 700 С, если температурный коэффициент реакции равен 2.

 
 

Решение. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правиломВант-Гоффа по формуле:

 

Следовательно, скорость реакции Vт2, при температуре 700 С больше скорости реакции Vт1, при температуре 300 С в 16 раз.

Пример 3. Константа равновесия гомогенной системы:

СО (г) + Н2О (г) « СО2 (г) + Н2 (г)

при 8500 С равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [СО]исх= 3 моль/л, [Н2О]исх=2 моль/л.

Решение. При равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, а отношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесия данной системы:

 
 

Vпр = k1[CO][H2O]; Vобр = k2[CO2][H2];

В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение КР входят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрации [СО2]Р = х моль/л. Согласно уравнению системы, число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. По столько же молей (х моль/л) СО и Н2О расходуется для образования по х молей СО2 и Н2. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ:

[СО2]Р = [Н2]Р = х моль/л; [СО]Р = (3 - х) моль/л;

2О]Р = (2 - х) моль/л.

Зная константу равновесия, находим значение х, а затем исходные концентрации всех веществ:

 

х2 = 6 - 2х -3х + х2 , 5х = 6, х = 1,2 моль/л.

Таким образом, искомые равновесные концентрации:

[СO2]р = 1,2 моль/л;

2]р = 1,2 моль/л;

[СО]р = 3 - 1,2 = 1,8 моль/л;

2O]р = 2 - 1,2 = 0,8 моль/л.

Пример 4. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

РС15 (г) = РС13 (г) + С12 (г); DН = +92,59 кДж.

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции - РСl5?

Решение. Смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется по принципу Ле-Шателье: а) так как реакция разложения РС15 эндотермическая (DН>0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру; б) так как в данной системе разложение РС15 ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещения равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации РС15, так и уменьшением концентрации РС13 или С12.

 

5.1 Контрольные вопросы

81. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:

а) S (к) + O2 = SO2 (г); б) 2 SO2 (г) + O2 (г) = 2 SO3 (г).

Как изменятся скорости реакций а и б, еслиобъемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?

82. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы N2 + 3 Н2 « 2 NН3. Какизменится скорость прямой реакции - образования аммиака, если увеличить концентрацию водорода в три раза?

83. Реакция идет по уравнению N2 + O2 = 2 NO. Концентрации исходных веществ до начала реакций были: [N2] =0,049 моль/л; [O2] = 0,01 моль/л. Вычислитеконцентрацию этих веществ в момент, когда [NО] = 0,005 моль/л. Ответ: [N2] = 0,0465 моль/л; [O2] = 0,0075 моль/л.

84. Реакция идет по уравнению N2 + 3 Н2 = 2NН3. Концентрации участвующих в ней веществ были: [N2] = 0,80 моль/л; [Н2] = 1,5 моль/л; [NН3] = 0,10 моль/л. Вычислитеконцентрацию водорода и аммиака, когда [N2] = 0,5 моль/л.Ответ: [NН3] = 0,70 моль/л; [Н2] = 0,60 моль/л.

85. Реакция идет по уравнению Н2 + I2 = 2 HI. Константа скорости этой реакции при некоторой температуре равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ: [Н2] = 0,04 моль/л; [I2] = 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда [Н2] = 0,03 моль/л.

Ответ: 3,2×10 -4; 1,92×10 -4.

86. Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 800 С. Температурный коэффициент скорости реакции 3.

87. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 600С, если температурный коэффициент скорости данной реакции 2?

88. В гомогенной системе СО + Cl2 « COCl2 равновесные концентрации реагирующих веществ: [СО] = 0,2 моль/л; [С12] = 0,3 моль/л; [СОС12] = 1,2 моль/л. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации хлора и СО. Ответ: Кр = 20; [С12]исх = 1,5 моль/л; [СО]исх = 1,4 моль/л.

89. В гомогенной системе А + 2В « С равновесные концентрации реагирующих газов: [А] = 0,06 моль/л; [В] = 0,12 моль/л; [С] = 0,216 моль/л. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации веществ А и В. Ответ: Кр = 2,5; [А]исх = 0,276 моль/л; [В]исх = 0,552 моль/л.

90. В гомогенной газовой системе А + В « С + D равновесие установилось при концентрациях: [В] = 0,05 моль/л и [С] = 0,02 моль/л. Константа равновесия системы равна 0,04. Вычислите исходные концентрации веществ А и В.

Ответ: [А]исх = 0,22 моль/л; [В]исх = 0,07 моль/л.

91. Константа скорости реакции разложения N2O, протекающей по уравнению 2 N2O = 2 N2 + О2, равна 5×10 –4. Начальная концентрация N2O = 6,0 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда разложится 50% N2O. Ответ: 1,8×10 -2; 4,5×10 -3.

92. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы СO2 + С « 2 СО. Как изменится скорость прямой реакции - образования СО, если концентрация СО2 уменьшится в 4 раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

93. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы

С + Н2O (г) « СО + Н2. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции - образования водяных паров?

94. Равновесие гомогенной системы:

4 НС1 (г) + O2 « 2 Н2О (г) +2 С12 (г)

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ [Н2O]Р = 0,14 моль/л; [С12]Р = 0,14 моль/л; [НС1]Р = 0,20 моль/л; [О2]Р =0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода. Ответ: [НС1]исх = 0,48 моль/л; [О2]исх = 0,39 моль/л.

95. Вычислите константу равновесия для гомогенной системы:

СО (г) + Н2О (г) « СО2 (г) + Н2 (г),

если равновесные концентрации реагирующих веществ: [СО]Р = 0,004 моль/л; [Н2О]Р = 0,064 моль/л; [СО2]Р = 0,016 моль/л; [Н2]Р = 0,016 моль/л. Чему равны исходные концентрации воды и СО? Ответ: К = 1; [Н2О]исх = 0,08 моль/л; [СО]исх = 0,02 моль/л.

96. Константа равновесия гомогенной системы:

СО (г) + Н2О (г) « СО2 + Н2 (г)

при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации: [СО]исх = 0,10 моль/л; [Н2О]исх = 0,40 моль/л. Ответ: [СО2]Р = [Н2]Р = 0,08 моль/л; [Н2О]Р = 0,32 моль/л; [СО]Р = 0,02 моль/л.

97. Константа равновесия гомогенной системы N2 + 3 Н2 « 2 NН3 при некоторой температуре равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концентрацию азота. Ответ: [N2]Р = 8 моль/л; [N2]исх = 8,04 моль/л.

98. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы

2 NО + O2 « 2 NO2 установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [NO]Р = 0,2 моль/л; [О2]Р = 0,1 моль/л; [NO2]Р = 0,1 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO и О2. Ответ: K = 2,5; [NO]исх = 0,3 моль/л; [О2]исх = 0,15 моль/л.

99. Почему при изменении давления смещается равновесие системы

N2 + 3 Н2 « 2 NH3 и не смещается равновесие системы N2 + O2 « 2 NO? Ответ мотивируйте на основании расчета скорости и обратной реакции в этих системах до и после изменения давления. Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

100. Исходные концентрации [NO]исх и [Cl2]исх в гомогенной системе

2 NO + С12 « 2 NOCl составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20% NО. Ответ: 0,416.