ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ - Неограническая химия

Задание 4.1:

    4.1.1. Проанализируйте данную Вам реакцию (табл. IV.1) и укажите, какой она является: гомогенной или гетерогенной. 4.1.2. Запишите математическое выражение для скорости прямой и обратной реакции, выразив скорость через концентрации, если вещества находятся в твердой или жидкой фазе, или через парциальные давления компонентов, если вещество является газообразным. 4.1.3. Определите молекулярность и порядок реакции. 4.1.4. Запишите выражение для константы равновесия химической реакции. 4.1.5. Рассчитайте изменение скоростей прямой и обратной реакций и укажите, в какую сторону будет смещаться равновесие:
      А) при увеличении концентрации исходных веществ в 2 раза; Б) при увеличении объема всей системы в 3 раза;

В при повышении температуры.

Пример решения 4.1

Согласно своему варианту выбираем химическую реакцию с указанием величины изменения энтальпии (ДН) химической реакции. Рассмотрим две реакции:

    А) 4NH3 (г) + 3О2 (г) 2N2 (г) + 6Н2О (г) ДН < 0; б) 2so2 (г) + 2pbo (тв) 2pbs (тв) + 3о2 (г) дн > 0. 4.1.1. Реакции бывают гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные реакции протекают во всем объеме и, как правило, в реакции участвуют жидкие или газообразные вещества.

Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз, чаще всего на поверхности твердого тела.

Исходя из того, что исходными веществами в реакции а) являются газообразные вещества NH3 и О2 - данная реакция при протекании в прямом направлении является гомогенной. Если реакция протекает в обратном направлении, то взаимодействуют газообразные вещества N2 и Н2О, и данная реакция также является гомогенной.

В реакции б) для прямого направления химическое взаимодействие SO2 идет на поверхности PbO (тв), поэтому данная реакция является гетерогенной. По аналогии, если рассмотреть реакцию б) в обратном направлении, то взаимодействие О2 (г) с PbS (тв) происходит на поверхности твердой фазы - данная реакция также является гетерогенной.

4.1.2. Из закона действующих масс известно, что при постоянной температуре скорость химической реакции (V) зависит от природы вещества, выражаемой через константу скорости (k), и концентрации реагирующих веществ, возведенные в степень, равную числу молей веществ в уравнении химической реакции ([A]a).

Для газообразных веществ вместо концентраций следует использовать парциальные давления газов (Р).

Если вещества твердые, их количество при протекании реакции изменяется, однако концентрация вещества в твердой фазе сохраняется и остается равной 100 % или равной единице. Поэтому в кинетическом уравнении концентрация твердых веществ не учитывается.

Таким образом, для первой реакции а), которая является гомогенной, закон действующих масс выражается следующими уравнениями:

Для прямого направления

= -Р;

Для обратного направления

= Р.

Для реакции б), которая является гетерогенной, концентрации твердых веществ не учитываем и получаем:

= Р; = Р.

4.1.3. Число молекул реагентов, принимающих участие в простейшей (элементарной) стадии, называется ее молекулярностью (М). Элементарный акт представлен уравнением химической реакции. Для варианта а) = 4 + 3 = 7; = 2 + 6 = 8. Для варианта б) = 2 + 2 = 4 ; = 2 + 3 = 5.

Порядок реакции показывает, как природа вещества влияет на зависимость скорости реакции от концентрации (или парциального давления) реагирующих веществ.

Порядок реакции (П) определяется суммой величин показателей степеней при значениях концентрации (парциального давления) реагирующих веществ. Порядок рассчитывается с использованием закона действующих масс. Тогда для вариантов:

    А) = 4 + 3 = 7; = 2 + 6 = 8; Б) = 2; = 3.

Следует отметить, что порядок реакции свыше 3 свидетельствует, что процесс идет сложным образом и протекает через ряд промежуточных стадий.

4.1.4. Для реакции, которая находится в состоянии равновесия, скорости прямой и обратной реакции равны: = .

Химическое равновесие выражается константой равновесия (Кравн.), связанной с отношением констант скоростей прямой и обратной реакций:

Кравн. = .

Константу равновесия следует выражать через соотношение равновесных концентраций (или парциальных давлений) конечных и начальных веществ.

    А) Кравн. = ; б) Кравн. = . 4.1.5. А) Рассмотрим, в какую сторону смещается равновесие при увеличении концентрации или парциальных давлений исходных веществ в 2 раза.

Если в законе действующих масс для прямой реакции (п. 4.1.2) парциальное давление каждого вещества увеличить в 2 раза, то получаем, что для реакции а) возрастает в 24-23 = 27 раз; для б) - в 22 раз. Скорость обратной реакции не зависит от концентрации исходных веществ и остается постоянной. Поэтому в обоих случаях равновесие смещается в сторону конечных веществ.

Б) Если увеличить объем всей системы в 3 раза, то концентрация (или парциальное давление) каждого вещества уменьшится в 3 раза. В результате уменьшится скорость как прямой, так и обратной реакции. Для варианта а) уменьшится в 34-33 = 37, а - в 32-36 = 38 раз. Таким образом, больше окажется скорость прямой реакции и равновесие сдвигается вправо.

Для варианта б) уменьшится в 32 = 9 раз, а снизится в 33 = 27 раз. Таким образом, равновесие реакции смещается вправо.

В) Рассмотрим сдвиг равновесия при повышении температуры.

В случае а) ДН < 0, энтальпия системы уменьшается. Следовательно прямая реакция сопровождается выделением тепла и является экзотермической. Тогда обратная реакция будет эндотермической, т. е. сопровождается поглощением тепла. При нагревании ускоряется реакция, идущая с поглощением тепла, т. е. обратная. Равновесие смещается влево.

В случае б) ДН > 0. Прямая реакция протекает с поглощением тепла и является эндотермической, а обратная - экзотермической. Нагревание способствует ускорению прямой реакции, и равновесие сдвигается вправо.

Таблица IV.1

Номер

Варианта

Уравнение реакции

ДH,

КДж/моль

1

2NO (г) + O2 2NO2 (г)

+116,9

2

N2 (г) + 3H2 (г) 2NH3 (г)

-91,9

3

Н2 (г) + 1/2 О2 (г) Н2О (ж)

-285,8

4

2Al (т) + 3/2 O2 (г) Al2O3 (т)

-1675,8

5

1/2Н2 (г) + 1/2 N2 (г) + 3/2 О2 (г) = НNО3 (ж)

-173,8

6

SO2 (г) + 1/2 O2 (г)SO3 (г)

+98,0

7

СН4 (г) + 2О2 (г) СО2 (г) + 2Н2О (г)

-802,3

8

СН4 (г) + 2Н2О (г) СО2 (г) + 4Н2 (г)

+164,9

9

1/2Н2 (г) + 1/2 Br2 (г) НBr (г)

-35,9

10

С3Н8 (г) + 5О2 (г) 3СО2 (г) + 4Н2О (г)

-2043,8

11

С6Н12О6 (г) + 6О2 (г) 6СО2 (г) + 6Н2О (ж)

-2816

12

СН3ОН (ж) СО (г) + 2Н2 (г)

+128,1

13

PCl5 (г) PCl3 (г) + Cl2 (г)

+129,6

14

Н2 (г) + S (т) Н2 (г)

-41,8

15

2HBr (г) H2 (г) + Br2 (г)

-70,2

16

Н2 (г) + S (ж) Н2S (г)

-20,9

17

Fe2O3 (т) + 3H2 (г) 2Fe (т) + 3H2O (г)

+89,6

18

СаО (т) + СО2 (г) СаСО3 (т)

-178,0

19

СО2 (г) + С (т) 2СО (г)

+160,1

20

MgCO3 (т) MgO (т) + CO2 (г)

+117,4

21

2СО (г) + О2 (г) 2СО2 (г)

-568,5

22

N2O4 (г) 2NO2 (г)

+58,0

23

СО (г) + Н2О (г) СО2 (г) + Н2 (г)

-41,8

24

С (т) + Н2О (г) СО (г) + Н2 (г)

+117,0

25

N2 (г) + O2 (г) 2NO (г)

+ 180,6

26

4HCl (г) + О2 (г) 2Cl2 (г) + 2Н2О (г)

-116,4

27

2С (т) + 3Н2 (г) + 1/2О2 (г) С2Н5ОН (ж)

-277,6

28

CS2 (ж) + 3О2 (г) СО2 (г) + 2SO2 (г)

-1075,0

29

SO2 (г) + 2Н2S (г) 3S (т) + 2Н2О (ж)

-234,5

30

2ZnS (т) + 3О2 (г) 2ZnO (т) + 2SO2 (г)

-890,0

Похожие статьи




ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ - Неограническая химия

Предыдущая | Следующая