Примеры решения типовых задач. Задача 1. Написание кинетического уравнения по закону действующих масс.

Задача 1. Написание кинетического уравнения по закону действующих масс.

Напишите выражение закона действующих масс для реакции:

а) NaOH _р + HCl _р ® NaCl _р + H₂O; б) 2С _т + О_{2 г} ® 2СО_{2 г}

Решение: по закону действующих масс для взаимодействия: аА + вВ ® продукты,

скорость реакции пропорциональна концентрациям реагирующих веществ:

V=k· · кинетическое уравнение,

где: n_A и n_B – порядки реакции по каждому веществу.

Их определяют экспериментально, n_A + n_B = n – порядок реакции, равный сумме показателей степени при концентрациях в кинетическом уравнении (сумме частных порядков). Для простых одностадийных реакций показатели степени в кинетическом уравнении совпадают со стехиометрическими коэффициентами:

Этот закон справедлив лишь для гомогенных реакций с участием газообразных и растворенных веществ. В случае гетерогенных систем в выражение скорости не войдут концентрации веществ в твердой фазе. Их концентрации не изменяются в ходе реакции, протекающей на поверхности твердых веществ. Известно, что реакция (а) протекает в растворе по ионному уравнению Н⁺ + ОН^- ® Н₂О, т.е. является гомогенной, одностадийной, бимолекулярной. Порядок реакции по каждому реагенту равен единице, суммарный порядок реакции равен 2. Кинетическое уравнение данной реакции будет иметь вид: V = k·C_NaOH · C_HCl. Реакция (б) протекает с участием твердого вещества, следовательно его концентрация не войдет в выражение скорости. Предположив, что реакция является одностадийной, напишем кинетическое уравнение: V = k ·

Задача 2 Влияние концентрации (давления) на скорость реакции.

Реакция 2NO _г + О_{2 г} ® 2NO_{2 г} является простой, одностадийной и протекает в газовой фазе. Рассчитайте, как изменится скорость реакции, если увеличить в 3 раза а) давление О₂; б) давление NO; в) общее давление в системе.

Решение: поскольку из условия задачи следует, что реакция является одностадийной, значит порядки реакции по каждому реагенту совпадают со стехиометрическими коэффициентами, т.е. n(NO) = 2; n(O₂) = 1. Это реакция третьего порядка. Кинетическое уравнение реакции имеет вид: V = k· ·

а) Известно, что при увеличении давления газа, пропорционально увеличивается его концентрация: С=Р/RT. Значит, при увеличении давления кислорода в 3 раза, увеличится его концентрация. До изменения давления скорость реакции выражается уравнением: V₁=. k· · . После увеличения давления кислорода в 3 раза скорость равна: V₂= k· ·3 . Отсюда увеличение скорости реакции при повышении давления кислорода в 3 раза, равно: =3.

б) Увеличение скорости реакции после увеличения давления NO в 3 раза равно:

в) Увеличение скорости при повышении в 3 раза общего давления в системе равно:

Задача 3 Влияние температуры на скорость реакции.

Как и во сколько раз изменится скорость химической реакции при понижении температуры с 50°С до 20°С, если температурный коэффициент равен 2?

Решение: согласно правилу Вант-Гоффа, при увеличении температуры на каждые 10°С скорость химической реакции увеличивается в 2¸4 раза: = , где Dt = t₂ – t₁. При понижении температуры скорость реакции уменьшается. Подставляем в это выражение данные задачи: V₂/V₁ = 2^(20-50)/10 = 2^-3 = 1/8

Задача 4. Вычисление скорости реакции по концентрациям реагирующих веществ.

Реакция 2Н₂ + О₂ ® 2Н₂О _г имеет порядок 0,5 по кислороду и первый порядок по водороду. Определите скорость реакции, если концентрация водорода равна 2,5 моль/л, концентрация кислорода – 0,04 моль/л, k=10 л^0,5/моль^0,5 ·С.

Решение: кинетическое уравнение этой реакции имеет вид: V= k· · . Подставив в него данные задачи, получим значение скорости: V=10·2,5·0,04^0,5 = 10·2,5· = = 25·2·10^-1 = 5 моль/л·с

Задача 5. Определение порядка реакции.

Для реакции А + 2В ® С было найдено из экспериментальных данных, что скорость реакции зависит только от концентрации вещества В следующим образом:

С_В, моль/л: 0,2 0,4 0,6 0,8

V, моль/л: 0,050 0,080 0,162 0,191

1) определите порядок реакции по веществу А; 2) постройте график зависимости

V = f(C_В) и определите порядок реакции по веществу В; 3) напишите кинетическое уравнение скорости реакции и определите суммарный порядок реакции; 4) каков механизм этой реакции – простой или сложный?

Решение: порядок реакции по какому-либо компоненту равен показателю степени при концентрации данного вещества в выражении закона действующих масс для скорости реакции. Общий порядок реакции равен сумме частных порядков. Различают реакции нулевого, первого, второго и третьего порядков. Для реакции первого порядка, например, А ® Х, скорость реакции пропорциональна концентрации в первой степени:

V = k·C_A. Для реакции второго порядка, например, А + В ® Х или 2А®Х, кинетическое уравнение может иметь вид: V = k·C_A ·C_B или V = k· . Скорость реакции нулевого порядка не зависит от концентрации. Порядок реакции определяют по экспериментальным данным. Одним из способов экспериментального определения порядка реакции является анализ графической зависимости V = f(C).

1) Поскольку в задаче скорость реакции не зависит от изменения концентрации вещества А, значит порядок реакции по веществу А равен 0. График: V=f(C_A) – это прямая, параллельная оси абсцисс (рис. 1)

V V

0,2

tga=k

0,1 a

C_A, моль/л С_В, моль/л

0 0,2 0,6

Рис.1 Зависимость скорости от концен- Рис.2 Зависимость скорости от трации вещества А, V=f(C_A) концентрации вещества В, V=f(C_B)

2) Зависимость скорости реакции от концентрации вещества В представляет прямую, проходящую через начало координат, т.е. прямо пропорциональна (рис.2). Следовательно, порядок реакции по веществу В равен единице.

3) Кинетическое уравнение, отражающее закон действующих масс для данной реакции, имеет вид: V = k·C_В. Это реакция первого порядка.

4) Поскольку порядки реакции по реагентам не совпадают со стехиометрическими коэффициентами, можно сделать вывод, что реакция является сложной, многостадийной и скорость реакции определяется скоростью самой медленной, лимитирующей стадии.

5) Из графика V = f(C_B) можно определить константу скорости реакции, как tga, т.е. отношение противолежащего катета к прилежащему: k=tga = (0,162 – 0,050)/(0,6 – 0,2)=

= 0,112/0,4 = 0,28 Вывод: кинетическое уравнение имеет вид V = 0,28·С_В. Константу скорости можно рассчитать и из кинетического уравнения:

Контрольные вопросы для самопроверки.

1. Что изучает химическая кинетика? Какова ее практическая цель?

2. Что называется скоростью химической реакции? В каких единицах она измеряется? Что такое средняя и истинная скорость? В каких случаях правая часть равенства V=DC/Dt имеет знак «+», а в каких «-»?

3. Дайте определение закона действующих масс и его математическое выражение для простых и сложных реакций. Отражает ли этот закон зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ?

5. Что называют константой скорости химической реакции? каков ее физический смысл? От каких факторов она зависит?

6. Перечислите способы, которыми можно увеличить скорость химической реакции.

7. Что такое молекулярность реакции?

8. Что такое порядок реакции? можно ли по уравнению химической реакции установить порядок реакции и написать кинетическое уравнение?

9. Когда порядок реакции совпадает со стехиометрическими коэффициентами?

10. Перечислите возможные объяснения влияния температуры на скорость реакции.

11. Дайте определение понятию «энергия активации». Уравнение Аррениуса. Как зависит скорость реакции от энергии активации? Что такое активированный комплекс?

12. Что называется катализатором? Что такое гомогенный катализ? Гетерогенный катализ? Механизм каталитического действия. Почему введение катализатора изменяет скорость химической реакции?

13. Что такое ферментативный катализ? Укажите различия в действии неорганического катализатора и фермента. Что такое фермент – субстратный комплекс?

Тема: Химическое равновесие

Содержание темы. Необратимые и обратимые процессы. Изменение энергии Гиббса в ходе необратимых и обратимых процессов. Что называется химическим равновесием? Кинетические и термодинамические условия наступления состояния химического равновесия. Признаки, характеризующие равновесие. Закон действующих масс для химического равновесия. Константа химического равновесия. Что она характеризует? Зависимость константы равновесия от различных факторов. Уравнение изотермы химического равновесия, связывающее константу равновесия с изменением стандартной энергии Гиббса. Принцип Ле-Шателье. Влияние различных факторов на химическое равновесие.

Разделы, выносимые на самостоятельную проработку: принцип Ле-Шателье. Расчет равновесных и исходных концентраций СОХЖ с. 114-115, ЛББХ с. 80-90, примеры решения типовых задач 1-5, ГЗХ - примеры 6, 9 гл. V.

Дата добавления: 2015-09-06