Решение
Химическая реакция может быть охарактеризована скоростью ее протекания.
Скорость химической реакции зависит от многих факторов, среди которых:
- природа реагирующих веществ;
- температура;
- концентрация реагирующих веществ;
- присутствие катализаторов.
Зависимость скорости реакции
aA + bB ↔ cC + dD
от концентраций реагирующих веществ может быть охарактеризовано кинетическим уравнением:
V = k CAx ·CBy ,
где: V – скорость химической реакции, k- константа скорости химической реакции, CA и CB - концентрации веществ А и В, x и y – порядки реакции по реагентам А и В, соответственно (порядки реакции могут определены исключительно экспериментально).
Для приведенной в условии задачи реакции
CdO(тв) + H2(г) ⇄ Cd(тв) + H2O(г)
кинетическое уравнение имеет вид:
V = k ·C H2 ,
При
повышении концентрации первого реагента
в 10 раз (
)
скорость реакции возрастет не изменится
При
повышении концентрации второго реагента
в 5 раз (
)
скорость реакции возрастет в 5 раз.
При
повышении давления в 5 раз (
)
скорость реакции возрастет в 5 раз.
Зависимость скорости реакции от температуры отображается формулой Вант-Гоффа:
где
Vt2
- скорость реакции при температуре t2,
Vt1 - скорость реакции при температуре t1,
- постоянная для данной реакции величина, называемая температурным коэффициентом реакции.
Данные, приведенные в условии задачи:
= 3,3
t1 = 328
t2 = 378
Вычисления по формуле Вант-Гоффа дают результат:
Таким образом, при повышении температуры на 500 скорость данной реакции возрастет в 391 раз.
Большинство химических реакций являются обратимыми: одновременно с прямой реакций протекает обратная. В момент выравнивания скоростей прямой и обратной реакций в системе наступает состояние химического равновесия.
Константа химического равновесия характеризует взаимосвязь равновесных концентраций веществ, участвующих в данной реакции.
Для реакции общего вида:
a A + b B ↔ c C + d D,
где A, B, C, D - химические формулы веществ, а, b, c, d - стехиометрические коэффициенты, выражение для константы химического равновесия выглядит следующим образом:
где [A], [B], [C], [D] - равновесные концентрации соответствующих веществ.
В случае гомогенного равновесия (все вещества находятся в одинаковом фазовом состоянии, реакция происходит в однородной, гомогенной среде) в правую часть данного выражения записывают равновесные концентрации всех участников этого равновесия.
Для гетерогенных равновесий (вещества находятся в разных фазовых cостояниях, реакция протекает в неоднородной, гетерогенной среде) концентрацию твердых веществ считают практически неизменной и не записывают в правую часть выражения для константы равновесия.
Равновесие, отображенное схемой, приведенной в условии задачи, относится к разряду гетерогенного, выражение для константы равновесия имеет вид:
Изменение внешних условий приводит к смещению химического равновесия. Прогнозировать направление смещения равновесия можно с помощью принципа Ле Шателье:
если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается воздействие извне, то равновесие смещается в сторону той реакции, протекание которой максимально ослабляет внешнее воздействие.
Поэтому:
нагревание благоприятствует протеканию эндотермической реакции (H>0), а охлаждение, напротив, смещает равновесие в сторону протекание экзотермической реакции (H<0);
повышение общего давления в системе смещает равновесие в сторону реакции с образованием меньшего количества газообразных веществ, а понижение - большего;
добавление в реакционную систему какого-либо компонента ускоряет ту реакцию, где этот компонент расходуется, а отвод - реакцию, в которой это вещество образуется.
Исходя из этого, для смещения равновесия слева направо в рассматриваемой в задаче системе обратимых химических реакций, в которой прямая реакция происходит с поглощением тепла (H > 0) и сохранением количеств газообразных веществ (из 1 моль газов в результате реакции образуется 1 моль газообразных продуктов), НЕОБХОДИМО:
- температуру повысить
- давление роли не играет
- концентрацию исходных веществ повысить
- концентрацию продуктов прямой реакции понизить