для специальностей 19.02.03 «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»; 19.02.05 «Технология бродильных производств и виноделие»; 19.02.10 «Технология продукции общественного питания»
г. Санкт-Петербург
2015г.
Вычисление скоростей химических реакций
Теоретические положения
Ä Скорость реакции определяется скоростью образования продуктов или скоростью использования реагентов. Судят о скорости реакции по изменению концентрации веществ за единицу времени в данном объёме.
Ä Скорость реакции можно вычислить:
υ = ,
∆n = n2 – n1 (моль)
∆t = t2 – t1 (сек.)
V – объём, л или м3
Ä Скорость реакции зависит от:
а) концентрации или давления реагентов(закон действия масс: скорость гомогенной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях из стехиометрическими коэффициентами).
Для реакции: аА + bВ → сС + dD
υ = κ ∙ САа ∙ СВb,
υ – скорость гомогенной реакции;
κ – константа скорости реакции;
СА и СВ – концентрации реагирующих веществ;
а, b – стехиометрические коэффициенты.
б) от температуры (правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 100С скорость реакции возрастает в 2 ‑ 4 раза).
,
υ2 – скорость реакции при температуре t2;
υ1 – скорость реакции при температуре t1;
γ – температурный коэффициент реакции.
Задача №1
Реакционный сосуд объёмом 10 л содержит 0,5 моль оксида серы (ІV) и кислород. Через 8 сек. количество вещества SO2 равно 0,46 моль. Вычислить скорость реакции в течении данного времени.
Дано:
V = 10 л
n1 = 0,5 моль
n2 = 0,46 моль
∆t = 8сек
Вычислить: υ ‑ ?
Решение:
Запишем выражение для скорости реакции:
υ =
После подстановки численных значений получим:
υ = = 0,0005 моль/(л∙сек).
Ответ: скорость реакции за данный отрезок времени составляет 0,0005 моль/(л∙сек).
Задача № 2
Взаимодействие между оксидом углерода (ІІ) и хлором происходит по уравнению: СО + СІ2 → СОСІ2.
Концентрации СО и СІ2 соответственно составляют 0,3моль/л и 0,2 моль/л. Как изменится скорость реакции при увеличении концентрации хлора до 0,6 моль/л, а концентрации оксида углерода (ІІ) до 1,2 моль/л?
Дано:
С (СО) = 0,3 моль/л
С (СІ2) = 0,2 моль/л
С′ (СІ2) = 0,6 моль/л
С′ (СО) = 1,2моль/л
Вычислить: ‑ ?
Решение:
Химическая реакция: СО + СІ2 → СОСІ2
Запишем закон действия масс для скорости υ і υ′:
υ = κ ∙ С (СО) ∙ С(СІ2)
υ′ = κ ∙ С′(СО) ∙ С′(СІ2)
После подстановки численных значений:
υ = κ ∙ 0,3 ∙ 0,2 = κ ∙ 0,06
υ′ = κ ∙ 0,6 ∙ 1,2 = κ ∙ 0,72
Находим отношение:
= = 12
Ответ: скорость реакции увеличивается в 12 раз.
Задача № 3
Как изменится скорость реакции 2NO + О2 ↔ 2NO2 (происходит в газовой фазе и закрытом сосуде) при увеличении давления в 4 раза.
Дано:
= 4
Вычислить: ‑ ?
Решение:
Уравнение химической реакции: 2NO + О2 ↔ 2NO2.
Запишем выражение закона действия масс для υ1 и υ2:
υ1 = κ ∙ С2 (NO)∙ С(О2)
υ2 = κ ∙ С2 (NO)∙ С(О2)
Обозначим, С(NO)=х моль/л, С(О2) = х моль/л. Подставим в уравнение для υ1 вместо С (NO) и С (О2):
υ1 = κ ∙ х2 ∙ х = κ ∙ х3
При повышении давления в 4 раза концентрации NO и О2 увеличиваются в 4 раза и составляют:
С (NO) = 4∙х моль/л, С (О2)=4∙х моль/л.
После подстановки в уравнение для υ2 получим:
υ2 = κ ∙ (4∙х)2 ∙ 4∙х = κ ∙ 64∙х3
Находим соотношение:
= 64
Ответ: при увеличении давления в 4 раза скорость реакции увеличивается в 64 раза.
Задача № 4
Во сколько раз уменьшится скорость реакции, происходящей в газовой фазе, при снижении температуры с 1200С до 800С. Температурный коэффициент реакции равен 3.
Дано:
γ = 3
t1 = 1200С
t2 = 800С
Вычислить: ‑ ?
Решение:
Запишем правило Вант-Гоффа:
После подстановки численных значений, получим:
= 3 = 3– 4 =
Ответ: скорость реакции уменьшится в 81 раз.
Вычисления в состоянии химического равновесия
Теоретические положения
ü Три признака того, что система находится в состоянии химического равновесия:
скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции;
в системе не происходят никакие изменения;
система является изолированной.
ü Для реакции общего вида:
а А + b В → с С + d D,
согласно закону действия масс, константа равновесия:
Кр = ,
ü В выражение для константы равновесия не входят члены, принадлежащие к чистым твёрдым и жидким веществам, а также растворители.
Задача № 5
Равновесие в системе Н2 + І2 ↔ 2НІ установилось при следующих концентрациях веществ: [Н2] = 0,25моль/л, [НІ] = 0,9 моль/л; [І2] = 0,05моль/л. Вычислить константу равновесия и исходные концентрации йода и водорода.
Дано:
[Н2] = 0,25 моль/л
[НІ] = 0,9 моль/л
[І2] = 0,05 моль/л
Вычислить: Кр. ‑ ?; Сисх.(І2) ‑ ?; Сисх.(Н2) ‑ ?
Решение:
Химическая реакция: Н2 + І2 ↔ 2НІ
Запишем выражение для константы равновесия реакции:
Кр. =
После подстановки численных значений:
Кр. = = 64,8
По уравнению реакции вычислим количество вещества водорода и йода, которые реагируют с образованием 0,9моль НІ:
Вычислить равновесные концентрации водорода и йода в системе Н2 + І2 ↔ 2НІ, если исходные концентрации водорода и йода составляют по 0,02 моль/л, а равновесная концентрация НІ равна 0,03моль/л. Вычислить константу равновесия.
Дано:
Сисх. (Н2) = 0,02 моль/л
Сисх. (І2) = 0,02 моль/л
[НІ] = 0,03 моль/л
Вычислить:Крівн ‑ ? [Н2] ‑ ? [Н2] ‑ ?
Решение:
Согласно уравнению реакции Н2 + І2 ↔ 2НІ вычислим количество вещества Н2 і І2, вступивших в реакцию с образованием 0,03моль НІ:
nпрореаг (Н2) = = 0,015 моль
nпрореаг (І2) = = 0,015 моль
Равновесные концентрации Н2 и І2 соответственно равны:
Как изменится скорость прямой реакции СО2 + С « 2СО при уменьшении концентрации СО2 в четыре раза. Запишите выражение константы равновесия данной реакции. Как сместить равновесие в данной системе в сторону прямой реакции, регулируя давление?
Дано:
Вычислить:
Решение:
Уравнение химической реакции: СО2 + С « 2СО
Запишем выражение закона действия масс для υ1:
υ1 = κ ∙ С (СО2)
Обозначим, С(СО2) = х моль/л. Подставим в уравнение для υ1 вместо С (СО2) –х, тогда υ1 = κ∙х.
После уменьшения концентрации СО2 в 4 раза, она составит ¼ х моль/л: υ2 = κ∙1/4 х
Ответ: После уменьшения концентрации СО2 в 4 раза скорость прямой реакции уменьшится в 4 раза.
СО2 + С(тв.) « 2СО(гетерогенная реакция)
Для гетерогенных реакций в выражение Кр. входят концентрации веществ, находящиеся в газовой или жидкой фазе.
Кр. =
Ответ: так как прямая реакция (образование СО) сопровождается увеличением объёма системы (количество моль реагентов – 1, количество моль продуктов – 2), то согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону прямой реакции (увеличение выхода СО) необходимо уменьшать давление.
Задача № 8
Вычислить исходную и равновесную концентрации азота в системе N2 + 3H2 « 2NH3, если равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 та 0,08 моль/л, а константа равновесия – 0,1.
Дано:
Кр = 0,1
[H2] = 0,2 моль/л
[NH3] = 0,08 моль/л
Вычислить:[N2] = ?; Cисх (N2) = ?
Решение:
Химическая реакция:N2 + 3H2 « 2NH3
Кр. =
[N2] = = 8 моль/л
Вычислим количество моль азота, вступившего в реакцию с водородом с образованием 0,08 моль аммиака, согласно уравнения химической реакции:
; х = n (N2) =
Исходная концентрация азота равна:
Cисх (N2) = n (N2) + [N2]
После подстановки численных значений, одержимо:
Cисх (N2)= 0,04 + 8 = 8,04моль/л
Ответ: Cисх (N2)= 8,04 моль/л; [N2] = 8 моль/л
Пример 1
Определить, в какую сторону сместится равновесие, если 1) в равновесную смесь водорода, азота и аммиака добавить азот; 2) в состоянии равновесия в реакции С + СО2 ó2СО увеличить давление; 3) повысить температуру при проведении реакции СО + СІ2 óСОСІ2, ΔН = ‑ 123кДж.
Ответ:
1)Равновесие сместится в сторону синтеза аммиака (прямая реакция) потому, что увеличивается концентрация одного из реагирующих веществ. Согласно принципу Ле Шателье равновесие смещается в сторону прямой реакции (образование аммиака) при увеличении концентрации реагента и уменьшении концентрации продукта.
2)Равновесие сместится влево в сторону обратной реакции (число частиц газообразных веществ уменьшается, что обусловливает снижение общего давления). Прямая реакция происходит с увеличением объёма. Согласно принципу Ле Шателье увеличение давления в реакциях, идущих с увеличением объёма, смещает равновесие в сторону обратной реакции (влево).
3)Равновесие смещается влево потому, что прямая реакция ‑ экзотермическая реакция. Согласно принципу Ле Шателье при повышении температуры равновесие смещается в сторону обратной реакции (влево).