Вопросы для самоконтроля

1.Что называется скоростью химической реакции в гомогенной и гетерогенной системе. Какова размерность скорости химической реакции.

2. Сформулируйте основной закон химической кинетики – закон действующих масс.

3. Какие факторы влияют на скорость химической реакции? В чём заключается различие кинетики в гомогенных и гетерогенных химических реакциях?

4. Что такое энергия активации реакции?

5. В чём состоит различие между обратимыми и необратимыми химическими реакциями?

6.Что называется состоянием химического равновесия и почему оно называется динамическим?

7. Как формулируется правило Ле Шателье – Брауна?

8. Как влияют катализаторы на химическое равновесие системы?

9. Каковы основные представления теории активных столкновений?

10. Какие факторы влияют на химическое равновесие?

Примеры решения типовых задач

Задача 1. Зависимость скорости реакции от температуры

При 0 ^оС реакция, для которой температурный коэффициент равен 2, заканчивается за 120 сек. Расчитайте, при какой температуре эта реакция закончится за 15 сек.?  Решение: Скорость реакции возрастет в v₂/v₁ = 120/15 = 8 раз.  По уравнению Вант-Гоффа,  v₂/v₁ = y^Δt/10.  8 = 2^Δt/10, Δt/10 = 3, откуда разность температур Δt = 30 градусов.  t = 0 + Δt = 30 ^оС.  Ответ:30 ^оС. 

Задача 2. Скорость и температурный коэффициент За какое время закончится реакция при 30 ^оС, если при 10 градусах она заканчивется за 20 минут? Температурный коэффициент равен 2.  Решение:  По уравнению Вант-Гоффа, скорость возрастет в  v₂/v₁ = y^Δt/10 = 2 ^(30-10)/10 = 2² = 4 раза.  Реакция закончится за t = 20/4 = 5 минут.  Ответ:5 мин. 

Задача 3. При 0 градусов Цельсия реакция заканчивается за 1 час 21 минуту, а при 40 оС за 1 минуту. Определить температурный коэффициент реакции.  Решение: 1 час 21 минута равен 81 минутам. Отсюда, скорость возросла в v₂/v₁ = 81/1 = 81 раз.  Δt/10 = (40 - 0)/10 = 4 v₂/v₁ = y^Δt/10 81 = y⁴ y = 3

Ответ:3 

Задача 4. Скорость и давление Во сколько раз изменится скорость реакции 2СО(г.) + О₂(г.) = 2СО₂ при увеличении давления в 2 раза и неизменной температуре?  Решение: Запишем закон действия масс для данной реакции.  w₁ = k*[CO]²[O₂].  Увеличение давления в 2 раза означает увеличение концентраций в 2 раза.  w₂ = k*[2CO]²[2О₂] = 8k*[CO]²[О₂]  w₂/w₁ = 8k*[CO]²[О₂]/k*[CO]²[О₂] = 8 раз. 

Ответ:8 раз

Задача 5. Во сколько раз надо увеличить внешнее давление в системе, чтобы скорость реакции A(г) + 2В(г) -> С(г) увеличилась в 125 раз?  Решение: Аналогично предыдущему примеру (см. задача 4), запишем:  w₁ = [A][В ]²  Пусть давление увеличилось в х раз. Тогда,  w₂ = [xA][xВ]²  = x³[A][В ]²  w₂/w₁ =  x³[A][В ]² / [A][В ]² = x³  По условию,  х³ = 125  х = 5  Ответ:5

Задача 6. Скорость и концентрация

Во сколько раз уменьшится скорость реакции 2NO + O₂ = 2NO₂ при разбавлении смеси реагирующих газов в 3 раза?  Решение: w₁ = k*[NO]²[O₂]  При разбавлении смеси реагирующих газов в 3 раза - в 3 раза падает концентрация.  w₂ = k*[1/3]²[1/3] = (1/27)k*[NO]²[O₂]  w₂/w₁ = 1/27.  То есть, уменьшится в 27 раз.  Ответ:27 раз

Задача 7. Реакция идет по уравнению: А + 2B ↔ C; константа ее скорости при определенной температуре равна 0,4, а начальные концентрации составляли (моль/дм³): [А] =0,3 и [В]= 0,5. Вычислите скорость этой реакции при той же температуре в начальный момент и после того, как прореагирует 0,1 моль/дм³ вещества А.  Решение:  Запишем кинетическое уравнение по Закону Действующих Масс.  v = k[A][В]²  Отсюда, в начальный момент времени v = 0,4*0,3*0,5² = 0,03  Когда прореагирует 0,1 моль/дм3 А, его концентрация станет [A]= 0,3 - 0,1 = 0,2  Концентрация В, по уравнению реакции, станет 0,5 - 0,1*2 = 0,3.  v = 0,4*0,2*0,3² = 0,0072. 

Ответ:0,0072. 

Задача 8.Уравнение Аррениуса Константа скорости некоторой реакции при 440 градусах Цельсия равна 0,48с^-1, а при 400 градусах - 0,03с^-1. Вычислить температурный коэффицент и энергию активации реакции.  Решение:  Для определения температурного коэффициента используем правило Вант-Гоффа.  k₂/k₁ = γ^Δt/10  0,48/0,03 = γ^{(440 - 400)/10}  γ⁴ = 16  γ = 2.  Для определения энергии активации воспользуемся уравнением Аррениуса в интегральной форме:  ln(k₂/k₁) = (Ea/R)(1/T₁ - 1/T₂)  Либо, перейдя к десятичному логарифму:  lg(k₂/k₁) = (Ea/2,3R)(1/T₁ - 1/T₂)  Не забываем перевести температуру в Кельвины!  ln(0,48/0,03) = (Ea/8,314)(1/673 - 1/713)  Ea = 3,87·10⁵ кДж/моль.  Ответ: 2; 3,87·10⁵ кДж/моль.

Задача 9. Рассчитать температурный коэффициент Вант-Гоффа в интервале 10-50 градусов Цельсия, если энергия активации равна 85 кДж/моль.  Решение:  Не забываем перевести килоджоули в джоули, у градусы Цельсия - в Кельвина.  ln(k₂/k₁) = (Ea/R)(1/T₁ - 1/T₂)  ln(k₂/k₁) = (85000/8,314)(1/283 - 1/323)  ln(k₂/k₁) = 4,474  k₂/k₁ = e^4,474 = 2,718^4,474 = 87,7.  Определим коэффициент Вант-Гоффа.  k₂/k₁ = γ^Δt/10  87,7 = γ⁴  γ = 3,06.  Ответ:3,06

Задача 10. В интервале 12-52 градусов Цельсия коэффициент Вант-Гоффа составляет 3,5. Найти энергию активации.  Решение: k₂/k₁ = γ^Δt/10 = 3,5⁴ = 150.  ln(k₂/k₁) = (Ea/R)(1/T₁ - 1/T₂)  ln150 = (Ea/8,314)(1/285 - 1/325)  Ea = 96464 Дж = 96,4 кДж.  Ответ:96,4 кДж. 

Задача 11.

Атмосферные загрязнения постепенно уничтожают защитный озоновый слой Земли. Озоновому слою угрожают поступающие в атмосферу фторированные и хлорированные углеводороды - фреоны, например, CCl₃F, CCl₂F₂, CClF₃. Они химически стабильны в нижних слоях атмосферы, но в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца разрушаются, выделяя атомный хлор, после чего начинают протекать реакции взаимодействия атомного хлора с озоном. Рассчитайте скорость такой реакции с образованием кислорода и монооксида хлора, если через 15 с после начала реакции молярная концентрация озона была 0,3 моль/л, а через 35 с (от начала реакции) стала равна 0,15 моль/л.

Решение:  Запишем уравнение реакции и условие задачи в формульном виде:

^. Cl + O₃ = ^. ClO + O₂

c₁(O₃) = 0,3 моль/л; t₁ = 15 c; c₂(O₃) = 0,15 моль/л; t₂ = 35 c

v = ?

Скорость реакции определяется как изменение концентрации участвующего в ней вещества, отнесенной к промежутку времени, за который произошло это изменение, а именно:

v = {c₁(O₃) - c₂(O₃)} / (t₂ - t₁) = (0,30 - 0,15) : (35 - 15) [(моль/л):c] = 0,0075 моль/(л ^. с)

Ответ. 0,0075 моль / (л ^. с).

Задача 12.Диоксид серы - самый распространенный загрязнитель воздуха. Он опасен для здоровья людей, особенно тех, кто страдает заболеваниями дыхательных путей. Диоксид серы снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, замедляет рост леса, пагубно действует на строительные материалы, содержащие карбонат кальция. В атмосфере диоксид серы окисляется до триоксида серы; при этом роль катализатора играет находящаяся в воздухе пыль оксидов металлов. Капли влаги превращают SO₃ в серную кислоту, которая вместе с атмосферными осадками выпадает в виде "кислотных дождей". Рассчитайте значение константы скорости реакции диоксида серы с атомным кислородом, если при концентрациях SO₂ и [O], равных соответственно 0,25 моль/л и 0,6 моль/л, скорость реакции равна 0,003 моль / (л ^. с).

Решение: Запишем уравнение реакции и условие задачи в формульном виде:

^. O + SO₂ = SO₃

c(SO₂) = 0,25 моль/л; c(O) = 0,6 моль/л; v = 0,003 моль / (л ^. с)

k = ?

Скорость реакции определяется как произведение константы скорости и концентраций реагентов в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции:

v = k ^. c(SO₂) ^. c(O). Отсюда: k = v / {c (SO₂) ^. c(O)} =

= 0,003 / (0,25 ^. 0,6) [л / (моль ^. с)] = 0,02 л / (моль ^. с)

Ответ: 0,02 л / (моль ^. с)

Задача 13.Важнейшие источники восполнения запаса кислорода в атмосфере - это диоксид углерода и вода. Часть кислорода образуется в стратосфере в результате диссоциации газообразной воды под действием солнечного излучения, когда сначала из воды получаются атомный водород и гидроксильные радикалы ( ^. ОН), а затем при взаимодействии двух гидроксильных радикалов образуются атомный водород и молекулярный кислород. В сколько раз увеличится скорость второй реакции, если концентрация гидроксильных радикалов возрастет в 3 раза?

Решение: Запишем уравнение реакции и условие задачи в формульном виде:

2 ( ^. OH) = 2 ( ^. H) + O₂

c₂(OH) = 3 c₁(OH);

v₂ : v₁ = ?

Скорость реакции определяется как произведение константы скорости и концентраций реагентов в квадрате (соответственно стехиометрическому коэффициенту при ^. OH). Отношение скоростей реакции в первом и втором случае:

v₂ : v₁ = {k ^. c₂²(OH)} / {k ^. c₁²(OH)} = 32 ^. c₁²(OH) : c₁²(OH) = 9 : 1

Ответ:  в 9 раз.