Скорость химических реакций 2013

11

5. Зависимость константы скорости реакции от температуры.

Большинствореакцийускоряетсяпринагревании.Температурадействует непосредственно на константу скорости k. Пусть V1 ― скорость реакции при температуре Т1, а V2 ― скорость этой же реакции при температуре Т2 (Т1<Т2). В таком случае имеет место эмпирическое правило Вант-Гоффа.

где γ – температурный коэффициент, показывающий во сколько раз повысится скорость реакции при повышении температуры на 10 0С. Для большинства реакций при температурах, близких к комнатной, γ составляет величину 2-4.

Уравнение Вант-Гоффа широко используется, однако следует помнить, что оно эмпирическое приблизительное, его можно применять только для ориентировочных расчетов.

Пример 4. При 100 0С некоторая реакция заканчивается за 20 мин. Принимая температурный коэффициент скорости реакции γ = 3,5, рассчитайте, через какое время закончится реакция при 60 0С

Решение.Скоростьреакции,какискоростьвсякогопроцесса,обратнопропорциональнавременипроведенияпроцесса.Следовательно, V2/V1 =τ1/τ2.ПустьТ1,V1 иτ1 ―параметрымедленного(низкотемпературного)процесса,аТ2,V2 иτ2 ―параметрывысокотемпературного

процесса. Подставляем имеющиеся данные в уравнение Вант-Гоффа:

V2/V1 = 3,5(100 ― 60)/10 = (3,5)4 = 150. Так как V2/V1 = τ1/τ2 = 150, τ1/τ2 = τ1/20 τ1 = 150·20 = 3000 мин = 50 часов.

Одним из методов ускорения химической реакции является катализ,которыйосуществляетсяприпомощивеществ(катализаторов), увеличивающихскоростьреакции,нонерасходующихсяврезультате еепротекания.Какиприповышениитемпературы,привведениикатализатораповышаетсяконстантаскоростиреакции.Механизмдействия катализатора сводится к уменьшению величины энергии активацииреакции,т.е.куменьшениюразностимеждусреднейэнергиейактивных молекул (активного комплекса) и средней энергией молекул исходных веществ. Скорость химической реакции при этом резкоповышается

12

Лабораторная работа Опыт 1. Зависимость скорости реакции от природы реагирующих

веществ.

Приготовьтеприбордляизмеренияобъемавыделяющегосягаза, которыйиспользуетсяприопределенииэквивалентанеизвестногометалла методом вытеснения водорода. Заполните пробирку на 1/3 1 М уксуснойкислотой.Опуститевпробирку2кусочкацинкаирассчитайтесреднюю скоростьвыделенияводорода,измеривобъёмгаза,выделившегося за 5 минут.

По окончании опыта вылейте уксусную кислоту из пробирки, промойте цинк и высушите его фильтровальной бумагой. Проведите аналогичный опыт, налив в пробирку 1 М раствор соляной кислоты. Рассчитайте среднюю скорость реакции в этом случае.

Напишите уравнения реакций взаимодействия цинка с уксусной и солянойкислотами.Чемобъяснитьразличнуюскоростьвыделенияводорода в первом и во втором случаях?

Опыт 2. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ изучают на примере взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой: Nа2S2О3 + Н2SО4 = Nа2SО4 + SО2 + Н2О + S↓

Признаком реакции является помутнение раствора вследствие выделения серы.

Приготовьтетрисклянкиспипетками,заполненные:первая―1н. растворомН2SО4,вторая―0,05н.растворомNа2S2О3 ,третья―водой. Приготовьте лист белой бумаги, с нанесенной на него жирной черной линией.

Впробирку,несодержащуюнадневоды(вытряхнуть!),добавьте4 каплитиосульфатанатрия,8капельводыи,заметиввремя,1каплюсернойкислоты.Каплюсернойкислотыдобавлятьтак,чтобыонанестекала по стенке, а падала прямо в раствор.

Зафиксируйтевремяпомутненияраствора,прикоторомсквозьрастворнебудетвидначернаялиния.Повторитеопыт,добиваясьединообразнойстепенипомутнения.Послекаждогоопытасразужепромывайте пробирку,таккакадсорбирующаясянастенкахсерапотомоченьтрудно отмывается.

13

Проделайтевторойопыт,взяв8капельтиосульфатанатрия,4капли водыиодну―сернойкислоты,азатемтретийопыт,взяв12капельтиосульфатанатрияиоднукаплюсернойкислоты. Результатыопытоввнесите в таблицу 1.

Таблица 1 Зависимость скорости реакции от концентрации

Рассчитайте Vпракт для второго и третьего случаев, учитывая, что скорость реакции и время протекания реакции до помутнения раствора

обратно пропорциональны. Следовательно:

V1 τ2 —— = ——,

V2 τ1

где V1― скорость реакции в первом случае(V1=1);V2―скоростьреакции во втором (V3― в третьем) случае; τ1― время протекания реакции допомутнениярастворавпервомслучае,τ2―времяпротеканияреакции до помутнения раствора во втором (τ3―третьем) случае.

НамиллиметровойбумагепостройтекривуюзависимостиVтеор от концентрации Nа2S2О3 .(в относительных единицах). Масштаб: 2 см на единицу изменения концентрации и скорости. На этом же графике отметьтеточками(несоединяя!)значенияVпракт,полученныепривычислениях. Напишите уравнение реакции и сделайте вывод о зависимости скорости реакции от концентрации Nа2S2О3 при данных условиях.

Опыт 3. Зависимость скорости реакции от температуры. Зависимость скорости реакции от температуры изучают, как и в

опыте2,напримеревзаимодействиятиосульфатанатрияссернойкисло-

той: Nа2S2О3 + Н2SО4 = Nа2SО4 + SО2 + Н2О + S↓

получаем, что при повышении температуры на 10 0С скорость реакции увеличится в γ раз, на 20 0С ― в γ2 раз, на 30 0С ― в γ3 раз и т.д.

Цельюработыявляетсяизучениезависимостискоростиреакцииот температуры и оценка величины γ для данной реакции.

Дляэтого,кромереактивов,перечисленныхвопыте2,потребуется термометр, источник горячей воды и два химических стакана, один из которыхбудетиспользоватьсявкачестветермостата,авторой―длядоливаниягорячейилихолоднойводывпроцессерегулированиятемпературы.

Проделайте первый опыт, как описано в предыдущей работе, или используйте его результаты, если он уже проделан. Проделайте второй опыт, взяв вновь 4 капли тиосульфата натрия, 8 капель воды и одну ― серной кислоты, однако пробирку при этом поместите в термостат ― стакан с водой, температура которой на 10 0С превышает комнатную, а затем третий опыт, с теми же количествами реагентов, но в термостате, температура которого на 200С превышаеткомнатную.Результатыопытов внесите в таблицу2 .

*) Объём тиосульфата натрия 4 кап, воды 8 кап, серной кислоты 1 кап, общий объём ― 13 кап.

РассчитайтеVпракт длявторогоитретьегослучаев,какописанов предыдущем опыте. Три разарассчитайтепоуравнениюВант-Гоффа величину γ: γ1 ― из результатов 1-го и 2-го опытов, γ2 ― из результатов 2-го и 3-го опытов, γ3 ― из результатов 1-го и 3-го опытов.

Вычислите среднюю величинуγ,исопоставьтееесэкспериментально найденной для этой реакции величиной γ = 1,8.

Опыт 4. Влияние поверхности раздела реагирующих веществ на скорость реакции в гетерогенной системе.

15

Влияниеповерхностиразделареагирующихвеществнаскорость реакциивгетерогеннойсистемеизучаетсянапримеререакциикарбоната кальция с соляной кислотой.

Приготовьтедванебольшихприблизительноодинаковыхкусочка мела.Одинизнихразотритепестикомналистебумагиипересыпьтев коническую пробирку, второй поместите в другую пробирку. В обе пробирки одновременно добавьте по 15-20 капель 20%-ной соляной кислоты.

Напишитеуравнениереакции.Отметьтенаблюдаемыеявленияи объясните их.

Опыт 5. Гомогенный катализ.

Гомогенныйкатализизучаетсянапримерекаталитическогоускоренияреакцииокисления.Окислениесоединениймарганца(II)домарганца(VII)врастворелегконаблюдать,таккакионМn2+ практически бесцветный, а ион МnО4― окрашен в фиолетово-красный цвет.

Внеситевдвепробиркипо3-4каплисульфатаМnSО4 илинитрата Мn(NО3)2 марганца (нонеМnСl2, так как ионыхлорамешаютпроведению реакции) и подкислитетакимжеобъемом2н.раствораазотной кислоты. В одну из пробирок добавьте одну каплю раствора нитрата серебра АgNО3 и в обе пробирки по одному микрошпателю пероксодисульфата аммония (NН4)2S2О8.

Поместите обе пробирки вводянуюбаню.Вкакойпробиркебыстрее изменилась окраска? Реакция протекала по уравнению:

2МnSО4 + 5(NН4)2S2О8 + 8Н2О → 2НМnО4 + (NН4)2SО4 + 7Н2SО4 .

Азотная кислота в реакции не расходовалась, а добавлялась для создания определенной кислотности среды в начале реакции. В качестве промежуточных быстро протекающих процессов происходило восстановлениеионовсеребрамарганцем(II)иобратноеокислениесеребрапероксодисульфатомаммония.Какойионявляется,катализатором в данном процессе?

Опыт6.Гетерогенныйкатализ.Гетерогенныйкатализизучается напримерекаталитическогоускоренияреакцииразложенияпероксида водорода диоксидами свинца или марганца.

Налейте в пробирку5-8капель30%-ного(помассе)растворапе- роксида водородаН2О2. С помощью тлеющейлучиныубедитесьвотсутствии кислорода. Внесите в раствор на кончике микрошпателя ди-

17

Вариант 4.(Г) 1.Всистемеобъемом5лсодержится0,2мольвещества А и 0,5 моль вещества В Найти значение константы скорости реакции А + В → АВ, если при заданной температуре и приведенных концентрациях веществ А и В скорость реакции равна 4·10―4

моль/(л·сек).

2.Для реакции:Fе2О3(ТВ) + 3СО(Г) 2Fе(ТВ) +3СО2(Г) запишитевыражение кинетического уравнения (закона действующих масс).

3.Как изменится скорость реакции2NО(Г) + О2(Г) →2NО2(Г), если при постоянной температуре уменьшить объём системы в 2 раза?

4.Чему равен температурный коэффициент γ, если при понижении температуры на 30 0С скорость реакции падает в 15,6 раза?

Вариант 5.(Д) 1. Дана реакция: А + 2В → АВ2. Начальные концентрации:[А]0 =0,03моль/л,[В]0 =0,05моль/л.Найтиначальнуюскоростьреакции,есликонстантаскоростипризаданнойтемпературеи условиях равна 0,4 л2/(моль)2·сек.

2.Дляреакции:2С(ТВ)+О2(Г) 2СО(Г) запишитевыражениекинетического уравнения (закона действующих масс).

3.Как изменится скорость реакции 2SО2(Г) + О2(Г) = 2SО3, если объем

замкнутой системы при ТКОНСТ уменьшить в 3 раза?

4. При 1500С некоторая реакция заканчивается за 16 мин. При температурным коэффициенте скорости реакции равным2,5,рассчитать,

через какое время закончится эта реакция, если проводить ее при

800С.

Вариант 6.(Е) 1. Реакция междувеществамиАиВвыражаетсяуравнениемА+2В→АВ2.Начальныеконцентрациисоставляют:[А]0 = 0,03 моль/л, [В]0 = 0,05 моль/л. Константа скорости при заданной температуреиусловияхравна0,4л2/моль2·сек.Найтискоростьреакции через некоторое временя, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,01 моль/л.

2.Для реакции: ТiО2(ТВ) + 2Н2(Г) Тi(ТВ) + 2Н2О(Г) запишите выражение кинетического уравнения (закона действующих масс).

3.Как изменится скорость реакции 2СО(Г) + О2(Г) → 2СО2(Г), если при постоянной температуре давление повысить в два раза?

4.Как изменится скорость химической реакции при увеличении температуры на 40 0С, если температурный коэффициент γ = 2?

18

Вариант 7.(Ж) 1. В системе объемом 3 л вещества А и В реагируют по уравнению: А + 2В → АВ2. Вещества А содержится в системе 0,03 моль, вещества В 0,06 моль. Константа скорости при заданной температуре и условиях равна 0,4 л2/(моль)2·сек. Найти начальную скорость реакции.

2.Для реакции: SiО2(ТВ) + 2СО(Г) Si(ТВ) + 2СО2(Г) запишите выражение кинетического уравнения (закона действующих масс).

3.КакизменитсяскоростьреакцииН2(Г) +Сl2(Г) →2НСl(Г),еслидавление фазе при постоянной температуре повысить в два раза?

4.Как изменится скорость реакции при уменьшении температуры на

20 0С, если температурный коэффициент скорости γ = 3? Вариант 8.(З) 1. Реакция междувеществамиА и В выражается уравнением А + 2В → АВ2.Объемсистемы3л.ВеществаАсодержится в системе 0,06 моль, веществаВ 0,09 моль. Константа скорости при заданной температуре равна 0,5 л2/(моль)2·сек. Найти начальную скорость реакции.

2.Дляреакции:2Аl(ТВ)+3Сl2(Г) 2АlСl3 запишитевыражениекинетического уравнения (закона действующих масс).

3.КакизменитсяскоростьреакцииNН3(Г) +НСl(Г) →NН4Сl,еслипри постоянной температуре давление повысить в два раза?

4.Как изменится скорость химической реакции при повышении температуры на 40 0С, если температурный коэффициент γ = 3,2?

Вариант 9(И). 1. В системе объёмом 3 л протекает реакция: А + 2В → АВ2. Вещества А содержится в системе 0,03 моль, вещества В 0,06 моль. Найти константу скорости реакции при заданной темпе-

ратуре и условиях, если начальная скорость реакции составляет

4·10―7 моль/(л·сек).

2. Для реакции: Тi(ТВ) + 2Сl2(Г) ТiСl4(ТВ) запишите выражение кинетического уравнения (закона действующих масс).

3. Во сколько раз надоувеличить давление, чтобы скорость образования NО2 по реакции 2NО(Г) + О2(Г) → 2NО2, возросла в 1000 раз? 4. При повышении температуры на 500 скорость реакции возросла в 1200 раз. Вычислить температурный коэффициент скорости.

Вариант 10(К). 1. Реакция между веществами А и В выражается уравнениемА+2В→С.Начальныеконцентрациисоставляют[А]0 =0,03моль/л,[В]0 =0,05моль/л.Найтиконстантускоростиреакции

19

при заданной температуре, если начальная скорость реакции V0 = 3·10―5 моль/(л·сек)

2.Восколькоразследуетувеличитьконцентрациюкислородавсистеме 2Н2(Г) + О2(Г) 2Н2О, чтобы при уменьшении концентрации водорода в 4 раза скорость прямой реакции не изменилась?

3.Как изменится скорость реакции2NО(Г) + Сl2(Г) →2NОСl, если при постоянной температуре объем системы повысить в два раза ?

4.Как изменится скорость реакции при уменьшении температуры на 20 0С, если температурный коэффициент реакции равен 2,2?

Вариант 11. (Л)1. Реакция между веществами А и В выражается уравнением А + 2В → С. Начальные концентрации: [А]0 =0,04 моль/л,[В]0 =0,05моль/л.Константаскоростиреакциипризаданной температуреравна0,4л2/(моль)2·сек.Найтискоростьреакциипоистечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,01 моль/л.

2.Для реакции: 2Аl(ТВ) + 3Н2О(Г) Аl2О3(ТВ) + 6Н2(Г) напишите выражение кинетического уравнения (закона действующих масс).

3.Как изменится скорость реакции2NО(Г) + Сl2(Г) →2NОСl, если при постоянной температуре объем системы уменьшить в два раза?

4.При 1500С реакция заканчивается в 16 мин. Температурный коэффициент γ = 2,2. Как скоро закончится эта реакция при 800С

Вариант 12 (М). 1. Реакция А + 2В → С протекает при постоянной температуре.Начальныеконцентрации:[А]0 =0,03моль/л,[В]0 =0,05 моль/л. Скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшилась на 0,01 моль/л., составила 7,2·10―6 моль/(л·сек).Найтиконстантускоростиреакцииприданной температуре.

2.Дляреакции:Fе(ТВ)+Н2О(Г) FеО(ТВ) +Н2(Г) напишитевыражение кинетического уравнения (закона действующих масс).

3.Какизменитсяскоростьреакции2NО(Г) +О2(Г) →2NО2,еслиобъем системы при постоянной температуре уменьшить в 3 раза?

4.При 500С реакция заканчивается в 2ч. 15 мин. Температурный ко-

эффициент γ = 3,0. Как скоро закончится эта реакция при 1000С. Вариант 13.(Н) 1. Реакция А + В → АВ протекает при постоянной температуре. СА = 0,04 моль/л и СВ = 0,02 моль/л, скорость реакции

20

V = 2·10―5моль/(л·сек). Найти константу скорости k. при данной температуре.

2.Дляреакции:Тi(ТВ)+2Н2О(Г) ТiО2(ТВ) +4Н2(Г) записатьвыражение кинетического уравнения (закона действующих масс).

3.Как изменится скорость реакции2NО(Г) + О2(Г) →2NО2(Г), если при постоянной температуре увеличить давление в системе в 4 раза?

4.У двух реакций при 250С V1 = V2. Температурный коэффициент γ1

= 2,0, а γ2 = 2,5. Найти отношение V2 /V1 при 85 0С.

Вариант 14.(О) 1. Реакция А + 2В → АВ2 протекает при постоянной температуре. СА = 0,02 моль/л и СВ = 0,01 моль/л, скорость V = 5·10―7 моль/(л·сек). Найти константускорости k. при этой температуре.

2.Для реакции: ТiО2(ТВ) + 2Н2(Г) Тi(ТВ) + 2Н2О(Г) запишите выражение кинетического уравнения (закона действующих масс).

3.Какизменитсяскоростьреакции:2А(Г)+В(ТВ)+D(Г) 2ЕприТКОНСТ при уменьшении объема замкнутой системы в 4 раза?

4.При500С реакциязаканчиваетсяза26мин.Притемпературномко-

эффициенте скорости γ = 2 как скоро закончится эта реакция, если проводить ее при 120 0С?

Вариант15.(П)1.Всистемеобъемом20лсодержится0,1мольвещества А и 0,3 моль В. Реакция А + В → АВ протекает при постоянной температуре. Найти константу скорости при этой температуре, если скорость реакции равна 5·10―5 моль/(л·сек).

2.Дляреакции:4Р(ТВ)+3О2(Г) 2Р2О3(ТВ) запишитевыражениекинетического уравнения (закона действующих масс).

3.Как изменится скорость реакции2NО(Г) + О2(Г) →2NО2(Г), если при постоянной температуре уменьшить объём системы в 3,5 раза?

4.При увеличении температуры с 20 до 60 0С скорость реакции воз-

росла в 81 раз. Найти температурный коэффициент скорости γ. Вариант16.(Р)1.Всистемеобъемом10лесть0,2мольвеществаАи 0,5 моль В. Реакция 2А + В → А2В протекает при постоянной температуре. Найти константу скорости при этой температуре, если скорость реакции равна 4·10―6 моль/(л·сек).

2. Дляреакции:S(ТВ)+О2(Г) SО2 запишитевыражениекинетического уравнения (закона действующих масс).