Скорость химических реакций. Химическое равновесие. Скорость гомогенных и гетерогенных химических реакций. Правило Вант-Гоффа

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ.Скорость гомогенных и гетерогенных химических реакций. Правило Вант-Гоффа.

1. В сосуде емкостью 5 л смешали 1,4 г этилена и 5,475 г хлороводорода. Через 25 секунд в сосуде образовалось 1,29 г хлороэтана. Определите молярные концентрации веществ в этот момент и среднюю скорость реакции в этом интервале времени.

Решение:

1) Определяем количества исходных веществ и количество образовавшегося продукта:

n (С₂Н₄) = 1,4 / 28 = 0,05 моль;

n (НСl) = 5,475 / 36,5 = 0,15 моль;

n (С₂Н₅Сl) = 1,29 / 64,5 = 0,02 моль.

2) Записываем уравнение реакции, указывая количества реагирующих и образующихся веществ:

              Было:   0,05    0,15

                            СН₂=СН₂ + НСl     ®   СН₃–СН₂Сl + (СН₂=СН₂) + (НСl)

Прореагировало: 0,02    0,02  стало:     0,02             0,03      0,13

3) Определяем молярные концентрации веществ через 25 секунд после начала реакции:

c (СН₂=СН₂) = 0,03 / 5 = 0,006 моль/л. c (НСl) = 0,13 / 5 = 0,026 моль/л.

c (СН₃–СН₂Сl) = 0,02 / 5 = 0,004 моль/л.

4) Согласно уравнению реакции:

D n (С₂Н₄) = D n (НСl) = n (образовавшегося С₂Н₅Сl) = 0,02 моль.

5) Эта реакция гомогенная, так как оба реагирующие вещества газы:

u = D n / (V ∙ D t) = 0,02 / (5 ּ 25) = 0,00016 = 1,6∙10^–4 моль/(л^.с).

Ответ: u = 1,6∙10^–4 моль/(л^.с); c (СН₂=СН₂) = 0,006 моль/л, c (НСl) = 0,026 моль/л, c (СН₃–СН₂Сl) = 0,004 моль/л.

2. В сосуд кубической формы емкостью 1 литр поместили 500 мл раствора серной кислоты и сверху налили толстый слой жидкого жира, содержащего остатки только олеиновой кислоты. Через четыре часа концентрация глицерина в водном слое достигла 0,004 моль/л. Определите среднюю скорость реакции гидролиза жира и среднюю скорость образования олеиновой кислоты в этом интервале времени. (Изменением объема водного слоя пренебречь).

Решение:

1) Записываем уравнение реакции:

 

2) Эта реакция гетерогенная, так как жир не растворим в воде, и реакция происходит на границе раздела между слоем жира и раствора серной кислоты. Определяем изменение количества вещества жира и площадь соприкосновения слоев:

D n (жира) = n (образовавшегося глицерина) = c ∙ V = 0,004 ∙ 0,5 = 0,002 моль.

Длина ребра куба объемом 1 л = 10 см = 0,1 м. Площадь поперечного сечения куба равна квадрату его ребра:

S = 0,1 ∙ 0,1 = 0,01 м².

3) Определяем скорость реакции гидролиза жира:

u = D n / (S ∙ D t) = 0,002 / (0,01 ∙ 4) = 0,05 моль/(м^2.час).

Скорость образования олеиновой кислоты будет в три раза больше: 0,05 ∙ 3 = 0,15 моль/(м^2.час)

Ответ: u (гидролиза глицерина) = 0,05 моль/(м²∙час); u (образования олеиновой кислоты) = 0,15 моль/(м^2.час).

3. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры с 30^оС до 80^оС, если температурный коэффициент скорости для данной реакции равен двум?

Решение:

                                

(t ₂ – t ₁) / 10 = (80 – 30) / 10 = 5; u_{t 2} / u_{t 1} = g ⁵ = 2 ⁵ = 32

Ответ: Скорость увеличится в 32 раза.

Задачи для самостоятельного решения

4. Скорость реакции этерификации в растворе в толуоле, в котором массовая доля уксусной кислоты составляет 13,3 %, а массовая доля метанола 7,11 %, при 70^оС равна 0,144 моль/(л^.мин). Плотность раствора 0,9 г/мл. Скорость реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ. Определите коэффициент пропорциональности (константу скорости) в уравнении для скорости реакции при 40^оС, если известно, что температурный коэффициент скорости реакции равен трем. Ответ: k = 0,00133 л/(моль^.мин).

5. 1 л водного раствора ацетальдегида с массовой долей растворенного вещества 8,8 % и плотностью 1г/мл смешали с 1 л аммиачного раствора оксида серебра. Через 20 минут из раствора выпало 21,6 г осадка. Определите молярные концентрации органических веществ в этом растворе и среднюю скорость реакции, измеренную по ацетальдегиду в этом интервале времени. Ответ: u = 0,0025 моль/(л^.мин); c (СН₃СОН) = 0,95 моль/л, c (СН₃СООNН₄) = 0,05 моль/л.

6. * Метилацетат смешали с некоторым количеством воды и получили раствор с плотностью 0,92 г/мл. 1 мл этого раствора отобрали и обработали избытком натрия, в результате чего выделилось 112 мл газа. В остальной раствор добавили каплю серной кислоты и выдерживали его при 50^оС. Через 30 минут отобрали еще 1 мл раствора и также обработали избытком натрия, при этом выделилось 134,4 мл газа. Определите время, за которое при 70^оС прогидролизуется 25% исходного метилацетата, если температурный коэффициент скорости этой реакции равен 2,5. Зависимостью скорости от концентраций пренебречь. Ответ: t = 6 мин.

7*. В сосуд прямоугольной формы с площадью поперечного сечения 200 см² при 40 ^оС поместили раствор серной кислоты с массовой долей кислоты 4,75 % (плотность 1,032 г/мл) и сверху налили слой жидкого жира, содержащего остатки только линолевой кислоты. Через 25 часов в водном слое появилось 2,3 г глицерина. Определите массу линолевой кислоты, образующейся при выдерживании слоя такого же жира при 60 ^оС в цилиндрическом сосуде диаметром 20 см в течение 10 часов в контакте с раствором серной кислоты с массовой долей кислоты 20,9 % и плотностью 1,17 г/мл, учитывая, что скорость данной реакции прямопропорциональна концентрации катализатора, температурный коэффициент реакции равен 2,5 и что гидролиз молекулы жира сразу проходит до конца. Изменениями объема водного слоя пренебречь.

Химическое равновесие

8. Оксид азота(IV) нагревали при некоторой температуре, при этом часть его разложилась на оксид азота(II) и кислород и установилось химическое равновесие. Определите объемные доли веществ в равновесной смеси, если ее плотность по воздуху равна 1,269.

Решение:

1) Определяем среднюю молярную массу равновесной газовой смеси:

М _ср.(равновесной смеси) = 1,269 ∙ 29 = 36,8 г/моль.

2) Пусть исходное количество оксида азота(IV) равнялось 1 моль и к моменту достижения равновесия образовалось х моль оксида азота(II), тогда в равновесии останется (1 – х) моль NO₂ и образуется 0,5 х моль О₂.

                   Было:   1

                                 2NO₂       ⇄    2NO + O₂ + (NO₂)

Прореагировало:     х      стало: х   0,5 х (1 – х)

Общее количество веществ в равновесной смеси равно х + 0,5 х + (1 – х) = 1 + 0,5 х.

3) Составляем уравнение с использованием средней молярной массы, учитывая, что масса газовой смеси не изменяется во время установления равновесия, и находим х:

36,8 ∙ (1 + 0,5 х) = 46;       18,4 х = 9,2;          х = 0,5.

4) Находим молярные доли веществ в равновесной смеси, которые равны соответствующим объемным долям.

c (NO₂) = (1 – х) / (1 + 0,5 х) = 0,5 / 1,25 = 0,4;

c (NO) = х / (1 + 0,5 х) = 0,5 / 1,25 = 0,4;

c(О₂) = 0,5 х / (1 + 0,5 х) = 0,25 / 1,25 = 0,2.

Ответ: j (NO₂) = 40%; j (NO) = 40%; j (О₂) = 20%.

9. 3,2 г серы сожгли в избытке кислорода. Образовавшуюся смесь оксида серы(IV) с остатком кислорода нагревали в присутствии катализатора (V₂O₅) до установления химического равновесия. Равновесную смесь быстро охладили и обработали избытком раствора гидроксида натрия, в результате чего масса раствора увеличилась на 7,6 г, а объем не растворившегося газа составил 1,12 л (н.у.). Определите объем взятого для сжигания серы кислорода (н.у.),.

Решение:

1) Определяем количество вещества серы и записываем все уравнения химических реакций (количество вещества исходного кислорода обозначим через х моль и количество вещества образовавшегося при установлении равновесия SO₃ – через у моль):

n (S) = 3,2 / 32 = 0,1 моль.

                Было: 0,1 х

                                 S + O₂   ®   SO₂  + (О₂)                                                               (1)

Прореагировало: 0,1 0,1 стало: 0,1 х – 0,1

                Было:   0,1 (х – 0,1)

                                 2SO₂ + O₂     ⇄    2SO₃ + (SO₂)  +  (O₂)                            (2)

Прореагировало:     у   0,5 у стало: у   (0,1 – у)  ( х – 0,1 – 0,5у)

                Было: 0,1 – у

                                 SO₂ + 2NaOH ® Na₂SO₃ + H₂O                                                        (3)

Прореагировало: 0,1 – у

                Было:   у

                                 SO₃ + 2NaOH ® Na₂SO₄ + H₂O                                                     (4)

Прореагировало:   у

2) При пропускании равновесной газовой смеси через раствор гидроксида натрия оба оксида серы растворились, и остался лишь не прореагировавший кислород. Изменение массы раствора равно сумме масс оксидов серы:

m (SO₂ равн.) + m (SO₃ равн.) = 7,6 г.

(0,1 – у) ∙ 64 + у ∙ 80 = 7,6;       16 у = 1,2; у = 0,075 моль.

3) Определяем количество не прореагировавшего кислорода и затем находим исходный объем кислорода:

n (О₂ оставшегося) = 1,12 / 22,4 = 0,05 моль.

х – 0,1 – 0,5 у = 0,05;       х = 0,05 + 0,1 + (0,5 ∙ 0,075) = 0,1875 моль.

V (исходного кислорода) = 0,1875 ∙ 22,4 = 4,2 л.

Ответ: V (исходного кислорода) = 4,2 л.

10. В замкнутый сосуд поместили некоторое количество йода и заполнили его водородом, затем сосуд нагревали при некоторой температуре до установления химического равновесия. Равновесные концентрации H₂, I₂ и HI оказались равны, соответственно,: 0,15; 0,15 и 0,3 моль/л. Вычислите значение константы равновесия I_2(г) + H_2(г) ⇄ 2HI_(г), и исходную концентрацию H₂.

Решение:

1)

2) n (Н₂ исходное) = n (Н₂ равновесное) + n (Н₂ превратившегося в HI);

n (Н₂ превратившегося в HI) = 0,5 ∙ n (НI равновесное);

n (Н₂ исходное) = n (Н₂ равновесное) + 0,5 ∙ n (НI равновесное).

Поскольку объем сосуда постоянен,

c (Н₂ исходное) = c (Н₂ равновесное) + 0,5 ∙ c (НI равновесное) = 0,15 + 0,5 ∙ 0,3 = 0,3 моль/л.

Ответ: K = 4; c (Н₂ исходное) = 0,3 моль/л.

Задачи для самостоятельного решения

11. В газовой смеси, состоящей из оксида серы(IV) и кислорода с относительной плотностью по воздуху, равной 1,7655, часть оксида серы(IV) прореагировала и образовалась равновесная газовая смесь с относительной плотностью на 25% больше, чем плотность исходной смеси, измеренной при тех же условиях. Рассчитайте состав равновесной смеси в объемных процентах. Ответ: j (SO₃) = 50%, j (SO₂) = 25%, j (O₂) = 25%.

12. Замкнутый сосуд под давлением заполнили смесью хлороводорода с кислородом, затем сосуд нагревали при некоторой температуре до установления химического равновесия: 4HCl_(г) + O_2(г) ⇄ 2H₂O_(г) + 2Cl_2(г), Вычислите константу равновесия и исходные концентрации О₂ и НCl, если известно, что равновесные концентрации H₂O, Cl₂, HCl и O₂ в этих условиях составляли 0,2; 0,2; 0,4 и 0,6 моль/л соответственно. Ответ: K = 0,104; c (HCl) = 0,8 моль/л, c (O₂) = 0,7 моль/л.

13*. 17,1 г смеси азота, водорода и аммиака с плотностью по водороду 9,5 нагрели в присутствии железного катализатора до установления равновесия, затем равновесную смесь быстро охладили и пропустили через избыток фосфорной кислоты, причем образовалось 34,5 г соли. Определите состав исходной и равновесной газовых смесей в % по объему, если известно, что плотность исходной газовой смеси на 22,2 % больше плотности равновесной (н.у.). Ответ: Равновесная смесь: j (Н₂) = j (N₂) = 36,36%; j (NH₃) = 27,27%; исходная смесь: j (Н₂) = 11,11%; j (N₂) = 33,33%; j (NH₃) = 55,56%

14* Некоторое количество медного колчедана (CuFeS₂) прокалили в избытке кислорода и образовавшуюся газовую смесь нагревали в присутствии оксида ванадия(V) до установления химического равновесия. Равновесную смесь быстро охладили и пропустили через 50 мл раствора серной кислоты с массовой долей кислоты 96% и плотностью 1,8 г/мл, в результате чего образовался олеум с массовой долей оксида серы(VI) 7,02%, и осталось 8,96 л газовой смеси с плотностью 1,786 г/л (н.у.). Определите массу взятого медного колчедана и объем израсходованного кислорода. Растворимостью оксида серы(IV) в олеуме пренебречь.Ответ: V (О₂) = 24,64 л. m (CuFeS₂) = 36,8 г.

15* В сосуд емкостью 5,6 л, заполненный кислородом при н.у., поместили 4,8 г серы и катализатор (V₂O₅). Сосуд нагревали при температуре 500 ^оС до установления химического равновесия, причем равновесная концентрация кислорода в этих условиях составила 0,00893 моль/л. Затем сосуд нагрели до 550 ^оС, и опять наступило состояние химического равновесия. Определите молярные концентрации веществ в этой равновесной смеси, если известно, что скорость прямой реакции прямо пропорциональна концентрации оксида серы(IV) и не зависит от концентрации кислорода и ее температурный коэффициент равен 2,2, а скорость обратной реакции прямо пропорциональна концентрации оксида серы(VI), а ее температурный коэффициент равен 2,4. Ответ: c (SO₂) = 0,0117 моль/л; c (SO₃) = 0,0151 моль/л; c (О₂) = 0,0103 моль/л.