Занятие 23. Скорость химических реакций

& Вопросы для самостоятельной подготовки.

1. Что понимают под скоростью химических реакций? Математическое выражение скорости для гомогенных и гетерогенных реакций, единицы измерения.

2. От каких факторов зависит скорость химических реакций?

3. Объясните зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ.

4. Как зависит скорость химической реакции от концентрации реагирующих веществ? Напишите математическое выражение закона действия масс.

5. Как зависит скорость реакции от температуры? Напишите математическое выражение правила Вант-Гоффа. Что понимают под энергией активации?

6. Какие вещества называют катализаторами, как они влияют на скорость реакции?

7. Виды катализа, примеры. Понятие о ферментативном катализе.



Для простой реакции: aA + вB = сС + dD

 = kс ^a(A)с ^в(B)

( = 2–4)

Типовые задачи с решениями

Задача № 1

Вычислите среднюю скорость реакции, если начальная концентрация исходных веществ 6 моль/л, а через 2 мин. – 2 моль/л.

Решение:

u_ср. = илиu_ср.=;u_ср.== 2 моль/(л×мин).

Ответ: средняя скорость реакции 2 моль/(л×мин).

Задача № 2

Напишите кинетическое уравнение для реакции:

N₂(г) + 2O₂(г) ® 2NO₂(г), допуская, что уравнение реакции отражает ее механизм.

Решение:

Кинетическое уравнение химической реакции показывает зависимость скорости процесса от концентрации компонентов реакционной смеси. Кинетическое уравнение может иметь сложный вид, но если уравнение реакции отражает ее механизм, то скорость является степенной функцией концентрации исходных веществ:

u = k×c(N₂)×c²(О₂)

Задача № 3

Во сколько раз возрастет скорость реакции 2СО + О₂  2СО₂, если концентрацию оксида углерода(II) увеличить в 5 раз?

Решение:

По закону действия масс скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных коэффициентам в элементарных реакциях:

 = kс²(СО)с(О₂). Если с(СО) = а моль/л, а с(О₂) = в моль/л, то

₁ =kа² св.

При увеличении концентрации СО в 5 раз скорость реакции станет равной ₂ = k(5а)²в. Значение константы скорости (k) в обоих случаях одно и то же. Сравнивая ₁ и ₂, видим, что скорость возросла в 25 раз: 5² = 25.

Ответ: скорость реакции возрастет в 25 раз.

Задача № 4

Реакция образования оксида азота(IV) выражается уравнением:

2NO + O₂ ((;(( 2NO₂. Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить давление в 2 раза?

Решение:

До воздействия скорость реакции описывается следующим кинетическим уравнением: ₁ = kс²(NO)с(О₂). Если с(NO) = а моль/л, а с(О₂) = в моль/л, то ₁= ka²в. При увеличении давления в 2 раза во столько же раз увеличатся концентрации всех веществ. В этом случае: ₂ = k (2а)²2в. Сравнивая V₁ и V₂, видим, что скорость прямой реакции возрастает в 8 раз: .

Ответ: скорость реакции возрастет в 8 раз.

Задача № 5

Константа скорости реакции (СН₃СО)₂О(ж) +Н₂О(ж) ((;(( 2СН₃СООН(ж) при 15^оС равна 0,0454 мин^–1. Исходная концентрация уксусного ангидрида была равна 0,5 моль/л. Чему будет равна скорость реакции в тот момент, когда концентрация уксусной кислоты станет равной 0,1 моль/л?

Решение:

1. Учитывая, что вода в избытке, скорость данной реакции зависит только от концентрации ангидрида, поэтому кинетическое уравнение для данной реакции имеет вид:

u = k×c(CH₃CO)₂O).

2. По уравнению реакции из 1 моль (CH₃CO)₂O образуется 2 моль СН₃СООН; по условию задачи образуется 0,1 моль СН₃СООН, следовательно, прореагировало 0,05 моль (CH₃CO)₂O.

3. На момент, когда концентрация уксусной кислоты стала равной 0,1 моль/л, концентрация уксусного ангидрида уменьшилась: с(CH₃CO)₂O) = 0,5 - 0,05 = 0,45 моль/л.

4. Константа скорости реакции от концентрации реагентов не зависит, поэтому: u_р-ции = 0,0454×0,45 = 0,0204 моль/л×мин.

Ответ: скорость реакции в момент, когда с(СН₃СООН) = 0,1моль/л составит 0,0204 моль/л×мин.

Задача № 6

Начальные концентрации веществ в реакции СО(г)+ Н₂О(г)= СО₂(г)+ Н₂(г) были равны (моль/л): с(СО) = 0,5; с(Н₂О) = 0,6; с(СО₂) = 0,4; с(Н₂) = 0,2. Вычислите концентрацию всех участвующих в реакции веществ после того, как прореагировало 60% воды.

Решение:

1. Примем объем системы за 1 литр, тогда количество веществ в начальный момент времени равно их концентрации. Определяем количество воды, которая вступила в реакцию, учитывая, что прореагировало 60%:

n(Н₂О) =0,36 моль.

2. Определяем количество СО, которое вступило в реакцию с водой:

по уравнению реакции n(СО) = n(Н₂О); n(СО) = 0,36 моль.

3. Вычисляем количество реагентов СО и Н₂О, оставшееся в системе после реакции:

n_ост = n_исх – n _{прореаг};

n(СО)_ост = 0,5 – 0,36 = 0,14 моль;

n(Н₂О)_ост = 0,6 – 0,36 = 0,24 моль.

4. Находим количество образовавшихся продуктов реакции:

по уравнению n(СО₂) = n(Н₂) = n(Н₂О);

n(Н₂)_обр = 0,36 моль; n(СО₂) _обр = 0,36 моль.

5. Определяем количество продуктов реакции в системе к моменту окончания реакции: n = n_исх + n_обр;

n(СО₂) = 0,4 + 0,36 = 0,76 моль; n(Н₂) = 0,2 + 0,36 = 0,56 моль.

Так как объем системы принят за 1 литр, то концентрации веществ, участвующих в реакции численно равны их количеству:

с(СО) = 0,14; с(Н₂О) = 0,24; с(СО₂) = 0,76; с(Н₂) = 0,56 моль/л.

Ответ: с(СО) = 0,14; с(Н₂О) = 0,24; с(СО₂) = 0,76; с(Н₂) = 0,56 моль/л.

Упражнения и задачи для самостоятельного решения.

1. Напишите выражение закона действующих масс (кинетические уравнения) для следующих реакций, предварительно расставив коэффициенты, предполагая, что они являются простыми:

NO + O₂  NO₂; NO+Cl₂  NOCl₂; Fe + Cl₂  FeCl₃;

Fe₂O₃ + H₂  Fe + H₂O; CO₂ + C  CO;

CaO + СО₂  CaCO₃; CaCO₃  CaO + CO₂.

2. В результате некоторой реакции в единице объема в единицу времени, образовалось 3,4 г аммиака, а в результате другой реакции в тех же условиях – 3,4 г фосфина. Одинаковы ли скорости этих реакций?

3. Определите среднюю скорость химической реакции СО₂+Н₂=СО+Н₂О, если через 80 сек. после начала реакции молярная концентрация паров воды была равна 0,24 моль/л, а через 2 мин. 07 сек. стала равна 0,28 моль/л. (Ответ: 8,510^–4 моль/лс)

4. Как изменится скорость прямой одностадийной реакции

2НI_(г) ((;(( Н_2(г) + I_2(г), если концентрацию йодоводорода увеличить в 3 раза? (Ответ: увеличит в 9 раз)

5. Во сколько раз изменится скорость реакции НВr + HВrO  Br₂+H₂O при разбавлении реагирующей смеси в 6 раз?

(Ответ: уменьшить в 36 раз)

6. На сколько градусов надо повысить температуру газообразных реагирующих веществ, чтобы скорость реакции увеличилась в 125 раз, если температурный коэффициент равен 5? (Ответ: на 30^о)

7. Во сколько раз следует увеличить концентрацию кислорода, чтобы при одновременном понижении температуры на 30^оС ( =2) скорость реакции: 2СО+О₂ = 2СО₂ осталась неизменной? (Ответ: 8 раз)

Дополнительные задания

1. Как изменится скорость прямой реакции 2NO+O₂ ((;(( 2NO₂, если давление в системе увеличить в 3 раза, а температуру оставить неизмененной? (Ответ: увеличить в 27 раз)

2. Растворение образца железа в серной кислоте при 20^оС заканчивается через 15 мин., а при 30^оС такой же образец металла растворяется за 6 мин. За какое время данный образец железа растворяется при 35^оС? (Ответ: 3,8 мин.)

3. Рассчитайте, как изменится скорость реакции:

Fe₃O₄ + H₂ ® Fe + H₂O при

а) повышении концентрации исходного вещества в 3 раза;

б) повышении давления в 2 раза;

в) понижении температуры на 30^о ( g = 3).

Предварительно расставьте коэффициенты в уравнении реакции.

(Ответ: а) 81 раз, б) 16 раз, в) 27 раз)

4. Во сколько раз следует уменьшить концентрацию оксида азота(II), чтобы при одновременном увеличении концентрации кислорода в 9 раз скорость реакции 2NO+O₂ ® 2NO₂ осталась неизменной?

(Ответ: 3 раза)

5. При температуре 100^оС реакция идет 60 мин. Сколько времени идет эта же реакция при 70^оС, если температурный коэффициент равен 3? (Ответ: 27 часов)

6. Как изменится скорость обратимой химической реакции

2NO+О₂ ((;(( 2NO₂, если увеличить давление в 4 раза?

(Ответ: скорость прямой реакции больше скорости обратной в 4 раза)