Тема 4. Кинетика химических реакций

Основные вопросы по теме

1. Скорость и константа скорости химической реакции.

2. Зависимость скорости реакции от концентрации.

3. Кинетические уравнения для реакций первого и второго порядка.

4. Период полураспада.

5. Зависимость скорости реакции от температуры.

6. Правило Вант-Гоффа.

7. Уравнение Аррениуса.

8. Энергия активации.

9. Понятие о катализе. Виды катализа.

Вопросы для самоконтроля

1. Как изменяется концентрация реагирующих веществ во времени? Приведите графическую зависимость.

2. Как скорость химической реакции зависит от концентрации реа-гирующих веществ?

3. Каков физический смысл константы скорости химической реакции?

4. Рассмотрите зависимость скорости реакции от температуры (уравнение Аррениуса). Поясните смысл величин, определяющих эту зависимость.

5. Дайте определение молекулярности и порядка реакции.

6. Что такое «энергия активации»?

7. Как влияет катализатор на энергию активации?

8. Недостатки теории Аррениуса?

9. Какие типы химических реакций вы знаете?

Зависимость скорости реакции от концентрации и температуры

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается зако-ном действия масс (см. тему 3).

Зависимость скорости реакции от температуры (правило Вант-Гоф-

фа):	t2 −t1
V2 = V1 ⋅γ	10 ,

где V₁ – скорость реакции при t₁⁰C; V₂ – скорость реакции при t₂⁰C;

γ – температурный коэффициент реакции.

33

Более точно и в более широком интервале температур (уравнение

Аррениуса):		− Е
V2	= V1е	RT2	,

где V₁ – скорость реакции при температуре Т₁, в градусах К.

Задача 1

Как изменится скорость прямой и обратной реакции

3Н₂ + N₂ 2NH₃

a) при увеличении давления в 4 раза; б) при уменьшении давления в 2 раза?

Решение:

а) записываем закон действия масс для прямой и обратной реакции при ис-ходных условиях:

V1 = k1 ⋅ pH3 2 ⋅ p1N2 ,

V2 = k2 ⋅ pNH2

3 .

При увеличении давления в 4 раза:

V1′ = k1 (4 pH2 )3 ⋅ (4 pN2 )1 ,

V2′ = k2 (4 pNH 3 )2 .

Найдем отношение

V1′

и

V2′

:

V

V

2

1

V ′

=

k1 (4 pH

2

)3 ⋅ (4 pN

2

)1

=

64 pH3 ⋅ 4 pN

2

= 256

1

2

;

V

k ⋅

p

3

⋅ p

p

3

⋅

p

H2

N2

H2

N2

1

1

V

′

k2 (4 pNH

3

)2

16 pNH2

2

=

=

3

= 16 .

k

⋅ p

2

p

2

V

2

NH3

NH3

2

Ответ. При увеличении давления в 4 раза скорость прямой реакции увеличится в 256 раз, обратной в 16 раз.

б) V1 = k1 ⋅ pN2 ⋅ pH32 ,	V2 = k2 pNH2						3 .
При уменьшении давления
			p		1			p		3			pNH		3	2
V ′ = k				N2		⋅			H 2		,	V ′ = k
1	1		2					2				2	2	2		.

34

Найдем отношение

V1′

и

V2′

:

V

V

2

1

p

N2

p

H 2

3

1

1

k1

3

V1′

2

⋅

2

p

⋅

p

1

2

8

=

=

N2

H 2

=

;

V

k

⋅ p

N2

⋅ p

3

p

⋅ p3

16

1

1

H2

N2

H3

p

NH3

1

2

′

k2

2

4

pNH3

1

V2

=

=

=

.

V

k

p

2

2

4

2

NH3

p

NH3

2

Ответ. При уменьшении давления в 2 раза скорость прямой реак-ции уменьшится в 16 раз, а обратной – в 4 раза.

Задача 2

Во сколько раз изменится скорость реакции: а) при увеличении температуры на 40⁰С; б) при уменьшении температуры на 20⁰С,

коэффициент реакции γ = 2?

Решение	t2 −t1
Запишем правило Вант – Гоффа: V2 = V1γ
	10

если температурный

.

V2

V2

= γ

t2 −t1

= γ

t

Найдем отношение

,

10

10

:

V

V

1

1

а) ∆ t = + 40о, γ = 2:

V2

t

40

= 24 = 16 .

= γ 10 = 2

10

V1

Ответ. При увеличении температуры на 40^oС скорость реакции увеличилась в 16 раз;

б) ∆t = - 20^o, γ = 2:

	V2	t	= 2−	20	= 2−2 =	1		1
		= γ 10					=		.
				10
	V					2		4
						2
1

Ответ. При уменьшении температуры на 20^оС скорость реакции уменьшилась в 4 раза.

При сжатии системы в n раз давление увеличивается в n раз. При увеличении объема в n раз давление уменьшается в n раз.

35

Задание 4

4.1. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций

4НСl + O₂ = 2H₂O_(г) + 2Cl₂

при увеличении давления в два раза и неизменной температуре? 4.2. Во сколько раз увеличится скорость прямой реакции

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ ,

протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 5 раз без изменения температуры?

4.3. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций

N₂ + O₂ = 4NO + 6H₂O ,

протекающих в закрытом сосуде при высокой температуре, если уве-личить давление в 3 раза?

4.4. Реакция идет по уравнению

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O.

Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить давление в

2. раза?

5. Реакция идет согласно уравнению

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O.

Как изменится скорость обратной реакции, если уменьшить давление

• 3 раза?

5. Реакция выражается уравнением

4НСl + O₂ = 2H₂O + 2Cl₂ .

Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить давление в

4. раза?

7. Как изменится скорость обратной реакции

4НСl + O₂ = 2H₂O + 2Cl₂ ,

при увеличении давления в 2 раза?

4.8. Как изменится скорость прямой реакции, протекающей по уравнению

2NO + O₂ = 2NO₂,

если увеличить объем в 3 раза?

4.9. Найти изменение скорости прямой реакции

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

при уменьшении объема в 3 раза?

4.10. Как изменится скорость прямой и обратной реакции

H₂ + Cl₂ = 2HCl

36

при увеличении объема в 3 раза?

4.11. Изменится ли скорость прямой реакции

FeO_3(тв) + CO = Fe_(тв) + CO₂

при уменьшении объема в 3 раза?

4.12. Как изменится скорость прямой реакции

2SO_3(г) = 2SO₂ + O₂

при сжатии системы в 3 раза? 4.13. Реакция выражается уравнением

2Cl₂ + 2H₂O = 4HCl + O₂ .

Как изменится скорость прямой реакции при уменьшении объема в

3. раза?

14. Реакция выражается уравнением

2Cl₂ + 2H₂O = 4HCl + O₂ .

Как изменится скорость обратной реакции при увеличении объема в

3. раза?

15. Как изменится скорость реакции

2NO + O₂ = 2NO₂,

если увеличить температуру с 20⁰С до 60⁰С? Температурный коэффи-циент реакции равен 2.

4.16. Найти изменение скорости реакции синтеза аммиака

2N₂ + 3H₂ = 2NH₃

при увеличении температуры от 200⁰С до 250⁰С. Температурный ко-эффициент реакции считать равным 3.

4.17. Найти изменение скорости реакции

H₂+Cl₂ = 2HCl

при уменьшении температуры от 100 до 80⁰С. Температурный коэф-фициент реакции равен 2.

4.18. Найти изменение скорости реакции

H₂O + C = CO + H₂

при уменьшении температуры от 100 до 80⁰С. Температурный коэф-фициент реакции равен 2.

4.19. Во сколько раз изменится скорость реакции, если изменение темпера-туры составило 30⁰С, а температурный коэффициент реакции равен 3?

20. Найти изменение скорости реакции при уменьшении температуры на 20⁰С, если температурный коэффициент реакции равен 2.

21. При повышении температуры на 20⁰С скорость реакции возросла в 9 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?

37

22. При повышении температуры на 40⁰С скорость реакции возросла в 32 раза. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?

22. При уменьшении температуры на 30⁰С скорость реакции уменьшилась

    • 27 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?

22. При уменьшении температуры на 20⁰С скорость реакции уменьшилась

    • 16 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?

22. Чему равен температурный коэффициент реакции, если при увеличе-нии температуры на 30⁰С скорость реакции увеличилась в 27 раз?