Тема 6. Химическая кинетика и химическое равновесие

Раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций и влияние на них различных факторов, называется химической кинетикой.

Скорость гомогенной реакции определяется изменением концентрации одного из вступивших в реакцию или образующихся в результате реакции веществ в единицу времени: ; где С – концентрация, - время.

Скорость гетерогенной реакции определяется числом молей веществ, вступивших в реакцию или образующихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности фазы.

;

где ν-количество вещества; τ-время; S-площадь поверхности

Важнейшими факторами, влияющими на скорость реакций, являются: природа реагирующих веществ, температура, концентрация реагентов, давление, катализатор.

Количественная зависимость скорости реакции от концентрации реагентов описывается законом действующих масс: Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в степени, равные соответствующим коэффициентам в уравнении реакции. Например для реакции:

а А + b В = с С + d D

ω_прямой = к[A]^a·[B]^b,

где к- константа скорости реакции;

[A],[B]-молярные концентрации реагирующих веществ

Для гетерогенных реакций концентрации твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

Скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 10 градусов (правило Вант-Гоффа). Величина, показывающая, во сколько раз возрастает скорость данной реакции при увеличении температуры на каждые 10 градусов, называется температурным коэффициентом.

,

где t₂ и t₁ - температура реакции;

- скорость реакции при данных температурах;

γ - температурный коэффициент.

Если реакция протекает только в одном направлении, она называется необратимой. Обратимыми называются реакции, которые могут протекать одновременно в противоположных направлениях:

a A + b B ↔ c C + d D

Состояние процесса, в котором скорость прямой и обратной реакции равны, называется химическим равновесием. В этом случае

ω_прямой = ω_{обратной}, т.е. к_пр[A]^a·[B]^b= к_обр[C]^c·[D]^d

Отношение констант прямой и обратной реакций называется константой равновесия:

Константа химического равновесия зависит от природы реагентов и температуры, но не зависит от концентрации реагирующих веществ и катализатора.

При неизменных условиях состояние химического равновесия сохраняется сколь угодно долго. Сместить его в сторону прямой или обратной реакции можно, изменяя внешние условия протекания реакций

(температуру, концентрацию веществ, давление).

Направление смещения химического равновесия определяется принципом Ле-Шателье (1884 г.): Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в сторону уменьшения этого воздействия.

Пример 1. Определите, как изменится скорость прямой реакции

2СО + О₂ = 2СО₂ если давление в системе увеличить в 4 раза.

Решение: При увеличение давления в системе в 4 раза произойдет уменьшение объёма системы в 4 раза, а следовательно концентрации реагирующих веществ возрастет в 4 раза.

Согласно закону действующих масс скорость гомогенной реакции в начальный момент времени равна ω₁ = к [CO]² · [O₂], после увеличения давления ω₂ = к [4CO]² · [4O₂] = 4³ к [CO]² · [O₂] = 64 к [CO]² · [O₂]

Следовательно после увеличения давления в 4 раза скорость реакции возросла в 64 раза.

Пример 2. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. Во сколько раз изменится скорость реакции при повышении температуры от 15 до 55^оС?

Решение: Определим на сколько градусов повысилась температура

Δt = t₁ – t₂ = 55 – 15 = 40. Используя правило Вант- Гоффа определяем во сколько раз возрастет скорость реакции следовательно = 3⁴=81 раз.

Пример 3. Исходные концентрации водорода и азота равны соответственно 0,6 и 1 моль/дм³. К моменту равновесия прореагировало 50% водорода. Вычислите К_равн реакции синтеза аммиака.

Решение: Реакция протекает по уравнению 3Н_{2 (г)}+ N_2(г)↔ 2NH_3(г). Если прореагировало 50% водорода т.е. 0,3 моль/дм³, следовательно равновесная концентрация водорода [H₂]_равн= 0,6 – 0,3 = 0,3 моль/дм³. По уравнению реакции азота прореагирует в три раза меньше, т.е. 0,1моль/дм³, следовательно равновесная концентрация азота [N₂]_равн= 1-0,1 = 0,9 моль/дм³. Количество образовавшегося аммиака будет равно 0,2 моль/дм³, т.е. [NH₃]_равн=0,2 моль/дм³. Для данной реакции К_равн вычисляем по формуле:

Дата добавления: 2015-07-25