Химическая кинетика. Равновесие химических процессов

Химическая кинетика – раздел химии, в котором изучаются скорость и механизм химических реакций.

 Скорость гомогенной реакции (протекающей в однородной среде) определяется изменением количества реагирующего вещества в единицу времени в данном объеме.

Единица измерения скорости реакции моль/(м³ с)

Скорость химической реакции не может быть отрицательной.

«–» показывает, что концентрация реагирующих веществ уменьшается

«+» показывает, что концентрация продуктов реакции увеличивается.

Скорость химической реакции зависит от:

- количества реагентов (концентрации);

- температуры;

- катализаторов (ускоряют);

- ингибиторов (замедляют);

- природы реагирующих веществ.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ можно выразить математическим уравнением, согласно закону:

При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ.

Этот закон, открытый Гульдбергом и Вааге в 1867 г, получил название закона действующих масс.

Ускорение хим. процессов при помощи катализаторов называется катализом.

Катализаторы – вещества, которые увеличивают скорость реакции, участвуют в ней, но остаются после окончания реакции в исходных количествах.

Ингибиторы – вещества, которые замедляют ход реакции.

Физический смысл константы скорости(k): если количества реагирующих веществ равны 1 моль, то скорость химической реакции равна константе скорости: [A]=[B]=1моль; υ =k

Константа скорости зависит от:

- природы реагирующих веществ

- температуры

- катализатора

Зависимость скорости реакции от температуры определяет закон Вант-Гоффа: повышение температуры на 10°С увеличивает скорость реакции от двух до четырех раз (правило Вант-Гоффа).  

Число, характеризующее ускорение реакции при нагревании на 10°С, называется температурным коэффициентом скорости.

 

 

Это правило выразится так:

где,  – скорость реакции после повышения температуры до t ₂;  – начальная скорость реакции при температуре t ₁;  – температурный коэффициент реакции, т. е. число, показывающее, во сколько раз, увеличивается скорость реакции при повышении температуры реагирующих веществ на 10.

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции в системе   2SO_{2 (г)}+О_{2 (г)}D2SO_{3 (г)}, если объем газовой смеси уменьшить в три раза?

Решение. Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO₂]=a, [O₂]=b. Согласно закону действия масс ω ₁=ka²b. После уменьшения объема системы в три раза концентрация исходных веществ увеличится в три раза. [SO₂]=3a, [O₂]=3b; ω ₂=k(3a)³3b. Отсюда , т.е. скорость прямой реакции возрастает в 27 раз.

Пример 2. Как возрастает скорость реакции при повышении температуры с 20 до 50°С, если температурный коэффициент реакции равен 3?

Решение. ,

т. е. скорость реакции возрастает в 27 раз.

Химическое равновесие – состояние образования реакционной системы, при которой скорость прямой реакции равна скорости обратной.

Смещение равновесия – изменение количества веществ в реагирующей системе.

Правило смещения химического равновесия под влиянием изменения внешних условий было сформулировано Ле-Шателье (принцип Ле-Шателье):

Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в системе усиливаются те процесс, которые стремятся свести это воздействие к минимуму.

Большинство химических процессов могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях: n₁A+n₂BDn₃C+n₄D

  (1)

  (2)

Равновесие наступает, когда

υ _{пр.р-ции}=υ _{обр.р-ции}

   (3)

Концентрации становятся равновесными.

Разделим постоянные и переменные:

(4)            k₁/k₂=K_c

К_с – константа равновесия, выраженная через концентрации. Она равна отношению произведения молярных концентраций конечных продуктов к произведению молярных концентраций исходных веществ, взятых в степени их стехиометрических коэффициентов.

К_с не зависит от концентрации реагирующих веществ, но изменяется с температурой. Константа химического равновесия показывает во сколько раз скорость прямой реакции больше (меньше) скорости обратной реакции.

Если К_с< 1, то быстрее идет обратная реакция.

Если К_с> 1, то быстрее идет прямая реакция.

  (5)

Пример 3. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

PCl_5(г)DPCl_3(г) +Cl_2(г); ∆ H= +92, 59 кДж

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы равновесие в сторону прямой реакции – разложения PCl₅.

Решение. Сдвигом химического равновесия называется изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакций. направление смещения определяют по принципу Ле-Шателье–Брауна.

а) Так как реакция разложения PCl₅ эндотермическая (H> 0), то для смещения равновесия вправо необходимо температуру повысить.

б) Так как в данной системе разложения PCl₅ приводит к увеличению объема (из одной молекулы газа образуется две газообразные молекулы), то есть к увеличению давления в системе, то для смещения равновесия вправо необходимо давление понизить.

в) При увеличении концентрации  PCl₅ и уменьшении концентрации PCl₃ и Cl₂ равновесие смещается в сторону прямой реакции.

Вопросы для самоконтроля.

1. Чем измеряется скорость химических реакций?

2. Какие факторы влияют на скорость химических реакций?

3. Напишите выражение скорости химической реакции, описываемой следующим уравнением: CaO + CO₂ = CaCO₃.

4. Чему равен температурный коэффициент реакции, если при увеличении температуры на 60° скорость реакции возросла в 10 раз?

5. Как изменится скорость реакции 2NO + O₂ = 2NO₂, если концентрации исходных веществ увеличить в 4 раза?

6. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 40 до 70°С, если температурный коэффициент реакции равен трем?

7. Как влияет площадь поверхности твердых веществ на скорость их взаимодействия? Приведите примеры использования этой зависимости в химической прмышленности.

 

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: