Лекция 7. Химическая кинетика и равновесие (2 часа)

План лекции.

1. Цели и задачи химической кинетики.

2. Скорость химической реакции.

3. Влияние концентрации на скорость химических реакций. Закон действия масс Гульдберга и Вааге.

4. Влияние температуры на скорость химической реакции. Правило Вант-Гоффа.

5. Влияние катализатора на скорость химической реакции. Гомогенный и гетерогенный катализ.

6. Химическое равновесие. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье.

 

 

7. 1 Цели и задачи химической кинетики.

Кинетика изучает скорости химических реакций и факторы, которые влияют на скорость.

На скорость химических реакций влияет концентрация реагирующих веществ, температура, агрегатное состояние вещества, катализаторы.

7.2 Скорость химической реакции.

Скорость химической реакции измеряется изменением концентраций реагирующих веществ в единицу времени: средняя скорость реакции определяется

V = ∆C/∆t, где ∆C –изменение концентрации вещества, которое произошло за промежуток времени ∆t.

Истинная скорость Vист. = ± lim ∆С/∆t, когда ∆t стремится к нулю, т.е. Vист. = dC/dt. Измеряется в моль/ лּвремя. Скорость всегда величина положительная.

7.3 Влияние концентрации на скорость химических реакций. Закон действия масс.

Влияние концентрации на скорость химической реакции было сформулировано в 1867 году Гульдбергом и Вааге.

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в кинетическом уравнении простой одностадийной реакции. Для гетерогенного процесса концентрация твердого вещества теряет смысл и не входит в выражение для скорости:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

V = k C³_CO – скорость прямой реакции, где k - конcтанта скорости химической реакции (величина постоянная для этой реакции при постоянной температуре), C³_CO – концентрация монооксида углерода в кубе. Концентрация оксида железа(III) (Fe₂O₃ – твердое вещество) не входит в математическое выражение закона действия масс.

 

7. 4 Влияние температуры на скорость химических реакций. Правило Вант-Гоффа.

При увеличении температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2-4 раза:

V_{t +10}/V_t = γ = 2-4,

где γ – температурный коэффициент скорости химической реакции. Это полуэмпирическое правило Вант-Гоффа.

7. 5 Влияние катализатора на скорость химической реакции. Гомогенный и гетерогенный катализ.

Катализаторы это вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, сами при этом формально в ней не участвуют и остаются неизменными в количественном и качественном отношении.

Катализ это явление увеличения скорости реакции под действием катализатора. Различают катализ гомогенный и гетерогенный.

Гомогенный катализ – реагирующие вещества и катализатор имеют одно и тоже агрегатное состояние, а гетерогенный – разное агрегатное состояние. Примером гомогенного катализа может служить получение серной кислоты нитрозным способом, а гетерогенного катализа – контактным.

7.6 Химическое равновесие. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье.

Очень часто химические реакции не доходят до конца, т.е. являются обратимыми.

Химическое равновесие наступает, когда скорость прямой реакции становится равной скорости обратной реакции. Критерием установления равновесия служит неизменное во времени постоянство концентраций всех участников равновесия. Эти концентрации получили название равновесных концентраций, обозначается квадратными скобками.

Количественно равновесие характеризуется константой равновесия (K). Это величина постоянная для данного химического равновесия, зависит от температуры, но не зависит от концентрации участников равновесия. Она показывант полноту превращения исходных веществ в продукты реакции.

Так для гетерогенного равновесия Fe₂O₃ + 3CO ↔ 2Fe + 3CO₂ константа равна: K = [CO₂]³/[CO]³.

Константа равновесия равна частному от деления произведения концентрации продуктов реакции на произведение концентраций исходных веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

В математическое выражение константы равновесия не входит концентрация твердого вещества, если в системе есть твердые вещества и газы, а также концентрация жидких веществ, если есть жидкости и газы.

Прицип Ле Шателье.

Химическое равновесие может существовать сколько угодно долго при неизменных внешних условиях (температуре, давлении, концентрациях).

Если же изменить одно из условий, то в системе потекут процессы, которые будут нейтрализовать внешнее воздействие, сводить его к минимуму. Это и есть принцип Ле Шателье.

Влияние концентрации на химическое равновесие: увеличение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону продуктов реакции и наоборот.

Влияние температуры: при увеличении температуры в системе потекут эндотермические реакции, а при понижении – экзотермические.

Влияние давления: давление будет влиять, если в системе есть газы и количество объемов газов до и после реакции не равны. При повышении давления равновесие смещается в сторону меньших объемов и наоборот.