Химическая кинетика

Пример 1. Как изменится скорость прямой реакции

N₂ + 3H₂ = 2 NH₃,

если увеличить давление в 3 раза?

Решение. Если увеличить давление в 3 раза, то объем газовой смеси уменьшится в 3 раза, а концентрации веществ возрастут во столько же раз. При увеличении давления в три раза они станут в три раза больше. Используем формулу закона действующих масс для подсчета скорости

Находим соотношение v₁/v₂. Оно равно 81. Следовательно, при повышении давления в три раза скорость прямой реакции увеличится в 81 раз.

Пример 2. Реакция между веществами А и В выражается уравнением

2А + В = С

Начальная концентрация вещества А равна 3,2 моль/л, а вещества В – 1,6 моль/л. Константа скорости реакции 0,75. Какова скорость реакции в начальный момент и по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшилась на 0,5 моль/л?

Решение. Используем уравнение для вычисления скорости реакции в начальный момент

По истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,5 моль/л, концентрация вещества В (в соответствии с уравнением химической реакции) должна уменьшиться на 0,25 моль/л, т.е. с_В = 1,6 – 0,25 = 1,35 моль/л. Следовательно, скорость реакции станет равной

Пример 3. Реакция разложения перекиси водорода в водном растворе протекает как реакция первого порядка. Период полураспада при данном условии равен 15,86 мин. Определить, какое время по­требуется для разложения (при заданных условиях) 99 % перекиси водорода.

Зная константу, определяем время, за которое разложится 99 % перекиси водорода:

Пример 4. Тростниковый сахар в присутствии кислоты подвергается гидролизу с образованием глюкозы и фруктозы

Раствор тростникового сахара вращает плоскость поляризации поляризованного луча вправо, а смесь глюкозы и фруктозы – влево. Угол вращения пропорционален концентрации растворенных веществ. При 22 °С в присутствии 1 н. раствора соляной кислоты и большогоизбытка воды изменение угла вращения плоскости поляризации поляризованного луча раствором во времени характеризовалось сле­дующими данными

Определить: 1) среднее значение константы скорости реакции инверсии сахара при 22 °С; 2) процентное содержание сахара, вступившего в реакцию через 5 ч после начала опыта; 3) угол вращения к этому моменту времени.

Решение. Реакция инверсии тростникового сахара при большом избытке воды протекает как реакция первого порядка. Для вычисления константы скорости реакции используем уравнение:

k = 2,303/τ ·lg(a/(a – x).

Обозначим угол вращения в начальный момент через α_о, а угол вращения, наблюдаемый по истечении τ от начала опыта, через α_τ. В формулу вместо а и (а – х) можно ввести величины и изменения углов, пропорциональные концентрации

Пример 5. По уравнению определяем количество (%) сахара, вступившего в реакцию через 5 ч (300 мин) после начала опыта. Используем вычисленную k_ср^´

Следовательно, за 300 мин прореагирует 77,96 % первоначально взятого количества сахара.

Пример 6. Находим угол вращения, соответствующий времени 300 мин от начала опыта. В это время сахара в смеси будет 100 – 77,96 = 22,04 %. Угол вращения при данном содержании сахара в растворе обозначим через z. Когда сахар на 100 % подвергнется инверсии, то угол изменится на 37,0 – (-12,4) = 49,4 °. Составляем пропорцию

Так как z = а_τ – (-12,4), то а_τ = z - 12,4 = 10,88 – 12,4 = -1,52 °. Следовательно, через 300 мин от начала опыта реагирующая смесь будет обладать левым вращением -1,52°. Такой же результат можно получить, подставляя соответствующие данные в уравнение для константы скорости и решая его относительно а_τ.

Пример 7. Константа скорости омыления этилового эфира уксусной кислоты едким натром при 10 °С равна 2,38. Определить время (мин), необходимое для омыления 90 % уксусноэтилового эфира, если смешать при 10 ⁰С 1 л 0,05 н. раствора эфира с: 1) 1 л 0,05 н. раствора NaOH, 2) 1 л 0,1 н. раствора NaOH.

Решение.

1. Реакция омыления уксусноэтилового эфира щелочью является реакцией второго порядка. В первом случае концентрации эфира и щелочи равны и можно воспользоваться более простым уравнением:

Общий объем смеси 2 л, поэтому концентрация вещества а вследствие разбавления уменьшится в два раза: а = 0,025 моль/л; х = 0,05·1/2·0,9 = = 0,0225 моль/л. (При определении х учитывается разбавление в два раза и омыление на 90 %). Время, необходимое для омыления, будет

2. Во втором случае концентрации эфира и щелочи неодинаковы, поэтому необходимо применить уравнение:

Если а – начальная концентрация эфира, а b – начальная кон­центрация щелочи, то а = 1/2·0,05 = 0,025 моль/л; b = 1/2·0,1 = 0,05 моль/л; x = 0,0225 моль/л. Решаем уравнение относительно τ₂: