Кинетика химических реакций

Пример1. Составьте выражение для константы равновесия каждой из следующих реакций:

a)N₂(г) + 3H₂(г)<=>2NH₃(г)

б) 2 NH₃ (г) <=> N₂ (г) + 3Н₂ (г)

в)2НI(г)<=>Н₂(г) + I₂(г)

Решение.

а) Как показывает формула (7), выражение для константы рав­новесия имеет вид дроби. В числителе этой дроби стоит произведе­ние концентраций продуктов, причем каждая из концентраций воз­ведена в степень, равную стехиометрическому коэффициенту при соответствующем веществе в полном уравнении реакции.

    Знаменатель дроби получают аналогичным образом из концен­траций реагентов:

K=[NH₃]²/[N₂][H₂]³

б) Данная реакция является обратной по отношению к реак­ции а). Меняя местами, реагенты и продукты, находим

K=[N₂][H₂]³/[NH₃]²

  Отметим, что полученное выражение представляет собой вели­чину, обратную выражению для константы равновесия реакции а). Здесь мы столкнулись с общим правилом, согласно которому выра­жение для константы равновесия прямой реакции обратно выраже­нию для константы, равновесия обратной реакции. Точно так же и численное значение константы равновесия для реакции в одном на­правлении обратно значению константы равновесия для реакции в обратном направлении.

в)К = [Н₂][I₂]/[НI]²

Пример 2. Реакцию N₂ с O₂, в результате которой образуется NO, можно рассматривать как способ «фиксации» азота. Она проте­кает по уравнению

N₂(г) + 0₂(г) <=> 2NO(г)

Значение константы равновесия данной реакции при 25 °С рав­но Кс = I ∙ IO^-30. Оцените применимость этой реакции для фиксации азота.

 

Решение- Поскольку К_с имеет очень низкое значение, при 25 ⁰С должно образовываться очень небольшое количество NO. В этом случае равновесие сильно сдвинуто влево, в сторону реагентов. Следовательно, данная реакция мало подходит для фиксации азота, но крайней мере, при 25 °С.

Пример 3. В одном из экспериментов Габер и его сотрудники вводили в реакционный сосуд смесь водорода и азота, а затем жда­ли, пока в системе не установится равновесие при 427 °С. После анализа в равновесной смеси газов было обнаружено 0,1207 M H₂, 0,0402 М N₂ и 0,00272 М NH₃.

Вычислите по этим данным константу равновесия К_с реакции

N₂(г) + 3H₂(г) <=> 2NH₃(г)

Решение

К_с = [NH₃]²/ [N₂][H₂]³ = 0,00272²/0,0402(0,1207)³ =0,105.

Пример 4, Как изменится скорость реакции между сернистым ангидридом и кислородом

2S0₂ + 0₂ à 2SO₃,

если уменьшить объем смеси в три раза?

Решение. Пусть концентрации сернистого ангидрида и кисло­рода до изменения объема: [S0₂] = а; [0₂] = b. При этих условиях скорость реакции

V = k∙a² ∙b.

Вследствие уменьшения объема в три раза, концентрации сер­нистого ангидрида и кислорода во столько же раз увеличились, то есть: [S0₂] = 3a, [O₂] = 3b. При новых концентрациях скорость реакции увеличилась в 27 раз.

Пример 5. Обратимая реакция выражается уравнением

А + 2В = С.

При установившемся равновесии концентрации участвующих в реакции веществ соответственно равнялись: [А]= 0,6 моль/л; [В] = 1,2 моль/л; [С]= 2,12 моль/л.

Вычислить константу равновесия и исходные концентрации веществ, А и В.

Решение. Для данной реакции константа равновесия выражает­ся уравнением

К=[С]/([А] [В])².

Подставляя в это уравнение указанные величины концентраций, получим:

K = 2,16/0,6 (1,2)² = 2,5.

Чтобы определить исходные концентрации веществ А и В, нуж­но учесть, что согласно уравнению реакции из одного моля вещест­ва А и двух молей вещества В образуется один моль вещества С. Отсюда следует, что на образование каждых 2,16 моль вещества С пошло 2,16 моль вещества А, тогда 2,16 • 2 = 4,32 моль вещества В. Таким образом, исходные концентрации веществ А и В (то есть чис­ло молей веществ А и В на каждый литр смеси до начала реакции) равнялись:

[А]= 0,6 + 2,16 = 2,76 моль/л, [В]= 1,2 + 4,32 = 5,54 моль/л.

Контрольные вопросы

72. От чего зависит скорость химической реакции?

73. Объясните влияние температуры на скорость химической реакции.

74. Каким законом описывается влияние концентрации реаги­рующих веществ на скорость химической реакции?

75. Объясните роль катализатора в увеличении скорости хими­ческой реакции.

76. Каким принципом объясняется смещение химического рав­новесия?

77. Укажите, какие из нижеприведенных систем являются гомо­генными, а какие гетерогенными:

а) ВаС1₂ (ж) + Na₂S0₄ (ж) = 2NaCI (ж) + BaS0₄ (т)

б)N₂(г) + 0₂(r) =2NO(г)

в) СО (г) + Н₂0 (г) = СO₂ (г) + Н₂ (г)

г) FeO (тв) + СО (г) = Fe (к) + СO₂ (г)

д) СаСОз (тв) = СаО (тв) + СO₂ (г)

78. Газовая смесь состоит из водорода и хлора. Реакция идет по уравнению

Н₂ + Сl₂ = 2 HCI

Как изменится скорость реакции, если увеличить давление в три раза?

79. Взаимодействие между оксидом углерода и хлором идет по уравнению

СО + С1₂ = СОС1₂

Концентрация оксида углерода 0,3 моль/л, а хлора - 0,2 моль/л.

Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить концент­рацию хлора до 0,6 моль/л, а концентрацию оксида углерода до 1,2 моль/л?

80. Как изменится скорость реакции

2NO + O₂ →2NO₂

протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в четыре раза?

81. При нагревании двуокиси азота в закрытом сосуде до некоторой температуры равновесие реакции установилось при следующих условиях:

2N0₂ = 2NO + O₂

[NO₂] = 0,06 моль/л; [NO] = 0,24 моль/л.

Найдите константу равновесия для этой температуры и исход­ную концентрацию двуокиси азота.

82. Почему при изменении давления смещается равновесие реакции

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

и не смещается равновесие реакции

N₂ + O₂ = 2NO

83. В какую сторону сместятся равновесия реакций:

a) 2H₂S = 2Н₂ + S₂ - 9,6 ккал

б) N₂O₄ = 2NO₂- 15,92 ккал

в) СО + Н₂O (пар) = С0₂ + Н₂ - 9,8 ккал

1) при понижении температуры; 2) при повышении давления?

84. Как отразится повышение давления на следующих равнове­сиях:

2Н₂(г) + O₂(г)=2Н₂0(пар)

СO₂ + С (тв) = 2СО (г)

СаСОз (тв) = СаО (тв) + С0₂ (г)

85. Реакция восстановления двуокиси углерода углем выража­ется уравнением

СO₂ (г) + С (тв) = 2СО (г) - 41,2 ккал

В какую сторону сместится равновесие при повышении темпе­ратуры? Нарушится ли равновесие системы при увеличении давле­ния?

86. Как повлияет повышение давления при неизменной темпе­ратуре на равновесие следующих систем:

а) 2НВr = Н₂ + Вr₂ - 17,3 ккал

б) 2СО + O₂ = 2СO₂ + 135,2 ккал

в) N₂ + O₂ = 2NO + 43,2 ккал

В какую сторону сместятся равновесия при повышении темпе­ратуры? Нарушится ли равновесие системы при увеличении давления?

87. Как повлияет увеличение давления в следующих системах:

a)SO₂(г) + Cl₂(г) = SO₂Cl₂(г)

б)Н₂(г) + Вг₂(г) = 2НВг(г)

88. Как повлияет уменьшение температуры на равновесие в следующих системах:

а)А+В = 2С, ∆H =50кДж

б) 2D + Е= 2F, ∆Н = - 80 кДж.

89. Как надо изменить температуру и давление (увеличить или уменьшить), чтобы равновесие в реакции разложения карбоната кальция

СаСОз (к) ↔ СаО (к) + СO₂ (г) ∆ Н - 178 кДж

сместить в сторону продуктов разложения? Ответ поясните.

90. При определенных условиях реакция хлороводорода с кис­лородом является обратимой

4НС1 (г) + O₂ (г) ↔ 2С1₂ (г) + 2Н₂O (г) ∆Н = - 116,4 кДж

Какое влияние на равновесное состояние системы окажут:

а) увеличение давления; б) повышение температуры; в) введение катализатора?

91. Является ли реакция распада пероксида водорода обрати­мой?

92. Почему железная окалина при нагревании в непрерывном токе водорода восстанавливается в металлическое железо полно­стью, хотя восстановление водородом железной окалины относится к обратимым реакциям?

93. При сжигании угля образуется углекислый газ и при этом наблюдается обратимая реакция

С + 0₂ ↔ 2СО + Q

При каких условиях образуется минимальное количество угар­ного газа?

94. Изменится ли состояние равновесия,

Н₂ + С1₂ ↔ 2HCI

если смесь газов сжать?

 95. Изменится ли давление в замкнутой системе, если при нор­мальных условиях смешать равные объемы хлора и водорода и об­лучать ультрафиолетовыми лучами? Ответ поясните.

96. Почему железные опилки при нагревании в непрерывном потоке водяного пара до конца окисляются в железную окалину, хотя окисление железа водяным паром относится к обратимым ре­акциям?

97. В какую сторону сместится равновесие системы

2O₃ ↔ 3O₂ +Q

а) при повышении температуры; б) повышении давления?

98. Как повлияет на равновесие следующей системы:

2СО + 0₂ ↔ 2СO₂ +Q

а) повышение давления;

б) повышение температуры;

в) увеличение концентрации кислорода.

99. Какова относительная скорость прямой реакции по сравне­нию с обратной в состоянии равновесия для следующих процессов:

а) 2N0₂  ↔ N₂0₄

б) С1₂ + Н₂O ↔ НСlO + НС1

100. Что получится при действии гидроксида натрия на смесь равных объемов оксида азота (II) и оксида азота (III), реагирующих согласно уравнению

NO + N0₂ ↔ N₂ О₃