Тема 4. Химическая кинетика и химическое равновесие

Для решения задач на эту тему необходимо:

1. Знать определения понятий:

а) скорость химической реакции;

б) гомогенный процесс, гетерогенный процесс;

в) константа скорости химической реакции;

г) прямая реакция, обратная реакция;

д) химическое равновесие;

е) смещение химического равновесия;

ж) константа химического равновесия.

2. Знать, как влияют различные факторы на величину скоро­сти реакции:

а) концентрации реагирующих веществ (закон действующих масс) в гомогенных и гетерогенных реакциях;

б) давление для реакций с участием газов (также закон действующих масс, так как для газов увеличение давления рав­нозначно аналогичному увеличению концентраций);

в) температура; приближенная зависимость определяется правилом Вант-Гоффа: .

3. Иметь в виду, что время протекания реакции (τ) об­ратно пропорционально скорости реакции ( ): τ₁/τ₂ =

4. Знать принцип Ле Шателье, определяющий направление сме­щения равновесия при изменении внешних условий (при воздейст­вии извне на систему, находящуюся в равновесии).

5. Помнить, что смещение равновесия заключается в измене­ниях концентраций участников равновесия. Выражение "равнове­сие сместилось вправо" означает, что увеличились концентра­ции продуктов; "равновесие сместилось влево" - увеличились концентрации исходных веществ.

Пример I. Реакция идет по уравнению

4А_{(г) +} 3В_(г) ↔ 2D_(г) + F_(г).

Исходные концентрации реагентов:

С_А^(исх) = 2 моль/л, С_В^(исх) =1,5 моль/л.

Равновесие в системе наступает, когда израсходуется 60% ве­щества А.

Определить:

а) константу равновесия процесса;

б) как и во сколько раз изменится начальная скорость пря­мой реакции к моменту наступления равновесия?

в) как изменятся скорости прямой и обратной реакций при уменьшении давления в 2 раза и куда при этом сместится рав­новесие?

Решение.

а)

находим равновесные концентрации участников реакции:

0,6 · 2 = 1,2 (моль/л);

[А] = 2 - 0,6 · 2 = 0,8 (моль/л);

[В] = на надо

[В] =1,5 - (0,6 · 2) = 1,5 - 0,9 = 0,6 (моль/л).

Из четырех получается два [D], поэтому [D] = = · 1,2 = 0,6 (моль/л).

[F] = [D]= · 0,6 = 0,3 (моль/л).

Зная равновесные концентрации

[A] = 0,8; [B] = 0,6; [D] = 0,6; [F] = 0,3, находим величину константы равновесия:

Ответ (а). К_p = 1,22

б) находим начальную скорость прямой реакции по закону действующих масс

Находим скорость этой реакции в состоянии равновесия:

раза.

Ответ (б). Скорость прямой реакции в состоянии рав­новесия в 72 раза меньше, чем в начальный момент времени.

в) уменьшение давления для газов означает уменьшение их концентрации, следовательно:

Ответ (в). При уменьшении давления в 2 раза скорость прямой реакции уменьшается в 128 раз, а скорость обратной -в 8 раз. Равновесие в системе сдвигается влево - в сторону большего объема, так как уменьшение давления аналогично уве­личению объема.

Пример 2.

Реакция при 20°С идет со скоростью 2,4 К, а при 80°С - со скоростью 1240 К.

Определить:

а) температурный коэффициент скорости реакции ( j);

б) за какое время пройдет эта реакция при 20°С и 50°С, ес­ли при 80°С она проходит за τ₍₈₀₎ = 10 с?

Решение.

а) в соответствии с правилом Вант-Гоффа

( j) = 518;

в логарифмической форме:

6 518 = 2,714; = 0,45.

По таблице антилогарифмов находим j = 2,83.

Ответ (a), ( j) = 2,83.

б) так как время протекания реакции обратно пропорцио­нально скорости, то при 20°С реакция будет идти в (1240:2,4) 518 раз дольше, чем при 80°С, т.е. 518, 518 · 10 = 5180 с = I .ч 26 мин 20 с.

= 2,83³ = 22,7 (раза);

τ₅₀ = 22,7 · τ₈₀ = 22,7 · 10 = 227 с = 3 мин 47 с.

Ответ (б). Эта реакция, протекающая при 80°С за 10 с, при 50°С будет идти 3 мин 47 с, а при 20°С - I ч 26 мин 20 с.