Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Химическая кинетика и равновесие






    Кинетика — учение о скорости различных процессов, в том числе химических реакций. Критерием принципиальной осуществимости реакций является неравенство DGР, Т < 0. Но это неравенство не является полной гарантией фактического течения процесса в данных условиях, не является достаточным для оценки кинетических возможностей реакции.

    Так, DG 2О(г)] = -228, 59 кДж/моль, а DG [АlI3 (к)] = -313, 8 кДж/моль и, следовательно, при T= 298 К и Р = 1, 013.105 Па возможны реакции, идущие по уравнениям:

    Н2(г) + О2(г) = H2О(r); (I)

    2 А1(к)+3 I2(к) = 2 А1I3(к). (II)

    Однако эти реакции при стандартных условиях идут только в присутствии катализатора (платина — для первой и вода — для второй). Катализатор как бы снимает кинетический «тормоз» и 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 прямой и обратной реакции в системе

    2 SО2(г) + О2(г) 2 SO3(г),

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

    Решение. Обозначим концентрации реагирующих веществ:

    [S02] = a, [02] = b, [SO3] = с. Согласно закону действующих масс скорости прямой и обратной реакций до изменения объема равны:

    Vпр = k1 a2b; Vобр = k2 c2.

    После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO2] = За, [O2] = Зb; [S0з] = Зс. При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций:

    Vпр= k1(3 а)2b) = 27ּ k1 a2b; Vобр = k2(3 с)2 = 9ּ k2 с 2.

    Отсюда

    ; .

    Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной — только в девять раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SО3.

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

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

    ;

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

    Пример 3. Константа равновесия гомогенной системы

    СО(г) + Н2О(г) СО2(г) + Н2(г)

    при 850°С равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [СО]исх = 3 моль/л, [H2O]исх = 2 моль/л.

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

    Vпр = k1[СО][Н2О]; Vобр =k2[СО2][[H2]

    В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение для константы равновесия Кр входят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрация [С02]р = х моль/л. Согласно уравнению системы число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. Столько же молей моль/л) СО и H2O расходуется для образования х молей СО; и H2. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ (моль/л):

    [С02]р = [H2]p = х; [С0]р = (3 - х);2О]р = (1 - х).

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

    Таким образом, искомые равновесные концентрации: [С02]р = 1, 2 моль/л; [Н2]р = 1, 2 моль/л; [С0]р= 3 - 1, 2 = 1, 8 моль/л; [H2O]p =2 - 1, 2 =0, 8 моль/л.

    Пример 4. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению

    РСl5 (г) РС1з(г) + Сl2 (г); DH=+92, 59 кДж.

    Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции — разложения 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 РСl5 эндотермическая (DH > 0), то для сдвига равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру;

    б) так как в данной системе разложение РСl5 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 [PCI5], так и уменьшением концентрации [РС13] или [Cl2].

    КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

    101. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:
    а) S(к) + О2 = SO2(r);
    б) 2 SО2(г) + О 2 = 2 SО3(г).
    Как изменится скорость этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?

    102. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы: N2 + 3 H2 2 NН3.
    Как изменится скорость прямой реакции — образования аммиака, если увеличить концентрацию водорода в три раза?

    103. Реакция идет по уравнению: N2 + О2 = 2NO.
    Концентрации исходных веществ до начала реакции были:
    [N2] = 0, 049 моль/л, [O2] = 0, 01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ, когда [NO] = 0, 005 моль/л.
    Ответ: [N2] = 0, 0465 моль/л; [О2] = 0, 0075 моль/л.

    104. Реакция идет по уравнению N2 + ЗН; = 2NНз. Концентрации участвующих в ней веществ (моль/л): [N2] = 0, 80; [Н; ] = 1, 5; [NНз] = 0, 10. Вычислите концентрацию водорода и аммиака, когда [N2] = 0, 5 моль/л.
    Ответ: [NНз] = 0, 70 моль/л; [Н2] = 0, 60 моль/л.

    105. Реакция идет по уравнению Н2 + I2 = 2HI. Константа скорости этой реакции при некоторой температуре равна 0, 16. Исходные концентрации реагирующих веществ (моль/л): [H2] = 0, 04; [I] = 0, 05. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость при
    2] = 0, 03 моль/л.
    Ответ: 3, 2•10-4; 1, 92•10-4.

    106. Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80 С? Температурный коэффициент скорости реакции γ = 3.

    107. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60° С, если температурный коэффициент скорости данной реакции γ = 2?

    108. В гомогенной системе: СО + Cl2 СОCl2
    равновесные концентрации реагирующих веществ (моль/л): [СО] = 0, 2;
    [Сl] =0, 3; [СОСl2] = 1, 2. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации [Сl]2 и [СО].
    Ответ: К = 20; [Сl2]исх = 1, 5 моль/л; [С0]исх = 1, 4 моль/л.

    109. В гомогенной системе А + 2В С равновесные концентрации реагирующих газов (моль/л): [А] = 0, 06; [В] = 0, 12; [С] = 0, 216. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации веществ А и В.
    Ответ: К = 250; [А]исх = 0, 276 моль/л; [В]исх= 0, 552 моль/л.

    110. В гомогенной газовой системе А + В С + D равновесие установилось при концентрациях (моль/л): [В] = 0, 05 и [С] = 0, 02. 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.

    111. Константа скорости реакции разложения N2O, протекающей по уравнению:
    2 N2О = 2 N2 + О2,
    равна 5.10-4. Начальная концентрация N2O равна 6, 0 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда разложится 50% N2O.
    Ответ: 1, 8.10-2; 4, 5.10-3.

    112. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы: СО2 + С 2СО.
    Как изменится скорость прямой реакции — образования СО, если концентрацию СО2 уменьшить в четыре раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

    113. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы: С + Н2О(г) СО + Н2.
    Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции — образования водяных паров?

    114. Равновесие гомогенной системы:
    4 НС1(г) + О2 2 Н2О(г) + 2 С12(г)
    установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [H2О]p =0, 14; [Сl2]р = 0, 14; [НС1]р = 0, 20; [О2]р = 0, 32. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода.
    Ответ: [НС1]исх = 0, 48 моль/л; [О2]исх =: 0, 39 моль/л.

    115. Вычислите константу равновесия для гомогенной системы
    СО(г) + H2О(r) CО2(r) + H2(r),
    если равновесные концентрации реагирующих веществ (моль/л):
    [СО]р = 0, 004; [Н2О]р = 0, 064; [СО2]р = 0, 016; [H2]р = 0, 016.
    Чему равны исходные концентрации воды и СО?
    Ответ: К = 1; [Н2О]исх = 0, 08 моль/л; [СО]исх = 0, 02 моль/л.

    116. Константа равновесия гомогенной системы
    СО(г) + Н2О(г) СО 2 (г) + Н2(г)
    при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации равны (моль/л): [СО]исх = 0, 10; [H2O]ucx = 0, 40.
    Ответ: [CО2]p = [H2]р = 0, 08 моль/л; [СО]р = 0, 02 моль/л;
    [H2О]p = 0, 32 моль/л.

    117. Константа равновесия гомогенной системы
    N2 + ЗН2 2NH3
    при некоторой температуре равна 0, 1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0, 2 и 0, 08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концентрации азота.
    Ответ: [N2]p = 8 моль/л; [H2]исх = 8, 04 моль/л.

    118. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы: 2 NO + О 2NО2
    установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [N0]p = 0, 2; [O2]p = 0, 1; [N02]p =0, 1 моль. Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO и О2.
    Ответ: К = 2, 5; [N0]иcx = 0, 3 моль/л; [O2]исх = 0, 15 моль/л.

    119. Почему при изменении давления смещается равновесие системы: N2 + З Н2 2NH3 и не смещается равновесие системы: N2 + О2 2NO?
    Ответ мотивируйте на основании расчета скорости прямой и обратной реакций в этих системах до и после изменения давления. Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

    120. Исходные концентрации [N0]иcx и [Сl2]исх в гомогенной системе: 2 NO + Сl2 2 NOC1 составляют соответственно 0, 5 и 0, 2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20% NO.
    . Ответ: 0, 416.






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.