Hastighet for kjemiske reaksjoner Den grenen av kjemi som studerer hastigheten og mekanismen for kjemiske reaksjoner kalles kjemisk kinetikk. Hastigheten til en kjemisk reaksjon er antall elementære interaksjonshandlinger per tidsenhet i en enhet av reaksjonsrom. Denne definisjonen er gyldig for både homogene og heterogene prosesser. I det første tilfellet er reaksjonsrommet volumet til reaksjonsbeholderen, og i det andre er overflaten som reaksjonen skjer på. Siden interaksjonen endrer konsentrasjonene av reagenser eller reaksjonsprodukter per tidsenhet. I dette tilfellet er det ikke nødvendig å overvåke endringer i konsentrasjonen av alle stoffer som deltar i reaksjonen, siden dens støkiometriske ligning fastslår forholdet mellom konsentrasjonene av reaktantene. Konsentrasjonen av reaktanter uttrykkes oftest som antall mol i 1 liter (mol/L). Hastigheten til en kjemisk reaksjon avhenger av arten av de reagerende stoffene, konsentrasjon, temperatur, størrelsen på kontaktflaten til stoffene, tilstedeværelsen av katalysatorer og andre. , og snakk om en monomolekylær reaksjon; når en kollisjon av to forskjellige molekyler skjer i en elementær handling, har avhengigheten følgende form: u - k[A][B], og de snakker om en bimolekylær reaksjon; når en kollisjon av tre molekyler skjer i en elementær handling, er hastighetens avhengighet av konsentrasjon sann: v - k [A] [B] [C], og de snakker om en trimolekylær reaksjon. I alle analyserte avhengigheter: v - reaksjonshastighet; [A], [B], [C] - konsentrasjoner av reagerende stoffer; k - proporsjonalitetskoeffisient; kalt reaksjonshastighetskonstanten. v = k, når konsentrasjonene av reaktanter eller deres produkt er lik enhet. Hastighetskonstanten avhenger av reaktantenes natur og av temperaturen. Avhengigheten av hastigheten til enkle reaksjoner (dvs. reaksjoner som skjer gjennom en elementær handling) av konsentrasjon er beskrevet av massevirkningsloven etablert av K. Guldberg og P. Waage i 1867: hastigheten på en kjemisk reaksjon er direkte proporsjonal med produktet av konsentrasjonen av de reagerende stoffene hevet til makten deres støkiometriske koeffisienter. For eksempel, for reaksjonen 2NO + 02 = 2N02; v - k2 og vil øke tre ganger Finn: Løsning: 1) Skriv reaksjonsligningen: 2СО + 02 = 2С02. I henhold til loven om masseaksjon v - k[C0]2. 2) La oss betegne [CO] = a; = b, da: v = k a2 b. 3) Når konsentrasjonen av utgangsstoffene øker med 3 ganger får vi: [CO] = 3a, a = 3b. 4) Beregn reaksjonshastigheten u1: - k9a23b - k27a% a if k27 D2b 27 v k a2b Svar: 27 ganger. Eksempel 3 Hvor mange ganger vil hastigheten på en kjemisk reaksjon øke når temperaturen øker med 40 °C hvis temperaturkoeffisienten til reaksjonshastigheten er 3? Gitt: Ved = 40 °C Y - 3 Finn: 2 Løsning: 1) Etter Van't Hoffs regel: h-U vt2 = vh y 10, 40 og, - vt > 3 10 - vt -81. 2 1 1 Svar: 81 ganger. a Eksempel 4 Reaksjonen mellom stoffene A og B foregår i henhold til skjemaet 2A + B * "C. Konsentrasjonen av stoff A er 10 mol/l, og stoff B er 6 mol/l. Reaksjonshastighetskonstanten er 0,8 l2 4 mol"2 sek"1. Beregn hastigheten på den kjemiske reaksjonen i det første øyeblikket, samt i det øyeblikket når 60 % av stoffet B er igjen i reaksjonsblandingen. Gitt: k - 0,8 l2 mol"2 sek"1 [A] = 10 mol/l [B] = 6 mol/l Finn: "start! ^ Løsning: 1) Finn reaksjonshastigheten i startøyeblikket: v - k[A]2 [B], r> = 0,8 102 b - 480 mol - l sek. "1. begynnelse 2) Etter en tid vil 60 % av stoff B forbli i reaksjonsblandingen Deretter: Derfor ble [B] redusert med: 6 - 3,6 = 2,4 mol/l. 3) Fra reaksjonsligningen følger det at stoffene A og B vekselvirker med hverandre i forholdet 2:1, derfor sank [A] med 4,8 mol/l og ble lik: [A] = 10 - 4,8 = 5,2 mol /l. 4) Regn ut hvis: d) = 0,8 * 5,22 3,6 = 77,9 mol l "1 * sek"1. Svar: g>begynn ~ 480 mol l sek"1, g/ = 77,9 mol l-1 sek"1. Eksempel 5 Reaksjonen ved en temperatur på 30 °C fortsetter i løpet av 2 minutter. Hvor lang tid vil det ta før denne reaksjonen fullføres ved en temperatur på 60 °C, hvis temperaturkoeffisienten for reaksjonshastigheten i dette temperaturområdet er 2? Gitt: t1 = 30 °C t2 = 60 °C 7 = 2 t = 2 min = 120 sek Finn: h Løsning: 1) I samsvar med van't Hoff-regelen: vt - = y 1 vt - = 23 = 8 Vt 2) Reaksjonshastigheten er omvendt proporsjonal med reaksjonstiden, derfor: Svar: t = 15 sek. Spørsmål og oppgaver for selvstendig løsning 1. Definer reaksjonshastighet. Gi eksempler på reaksjoner som skjer med ulik hastighet. 2. Uttrykket for den sanne hastigheten til en kjemisk reaksjon som skjer ved et konstant volum av systemet skrives som følger: dC v = ±--. d t Angi i hvilke tilfeller et positivt og i hvilket negativt fortegn er nødvendig på høyre side av uttrykket. 3. Hvilke faktorer avhenger hastigheten på en kjemisk reaksjon? 4. Hva kalles aktiveringsenergi? Hvilken faktor påvirker hastigheten på en kjemisk reaksjon karakteriserer den? 5. Hva forklarer den sterke økningen i reaksjonshastighet med økende temperatur? 6. Definer grunnloven for kjemisk kinetikk - loven om massevirkning. Hvem og når ble det formulert? 7. Hva kalles hastighetskonstanten til en kjemisk reaksjon og hvilke faktorer er den avhengig av? 8. Hva er en katalysator og hvordan påvirker den hastigheten på en kjemisk reaksjon? 9. Gi eksempler på prosesser hvor det brukes inhibitorer. 10. Hva er promotere og hvor brukes de? 11. Hvilke stoffer kalles "katalytiske giftstoffer"? Gi eksempler på slike stoffer. 12. Hva er homogen og heterogen katalyse? Gi eksempler på prosesser som bruker deres katalytiske prosesser. 13. Hvordan vil reaksjonshastigheten 2С0 + 02 = 2С02 endres hvis volumet av gassblandingen reduseres med 2 ganger? 14. Hvor mange ganger vil hastigheten på en kjemisk reaksjon øke når temperaturen øker fra 10 °C til 40 °C, hvis man vet at med en temperaturøkning med 10 °C vil reaksjonshastigheten øke med 2 ganger? 15. Reaksjonshastigheten A + B = C øker tre ganger for hver 10 °C økning i temperaturen. Hvor mange ganger vil reaksjonshastigheten øke når temperaturen øker med 50 °C? 16. Hvor mange ganger vil reaksjonshastigheten mellom hydrogen og brom øke hvis konsentrasjonene av utgangsstoffene økes med 4 ganger? 17. Hvor mange ganger vil reaksjonshastigheten øke når temperaturen øker med 40 °C (y = 2)? 18. Hvordan vil hastigheten på reaksjonen 2NO + 02 ^ 2N02 endres hvis trykket i systemet dobles? 19. Hvor mange ganger bør konsentrasjonen av hydrogen i systemet N2 + 3H2^2NH3 økes slik at reaksjonshastigheten øker med 125 ganger? 20. Reaksjonen mellom nitrogenoksid (II) og klor forløper i henhold til ligningen 2NO + C12 2NOC1; Hvordan vil reaksjonshastigheten endre seg når: a) konsentrasjonen av nitrogenoksid dobles; b) klorkonsentrasjon doblet; c) konsentrasjonene av begge stoffene dobles? . 21. Ved 150 °C slutter en del reaksjon på 16 minutter. Ved å ta temperaturkoeffisienten lik 2,5, beregne tidsperioden som den samme reaksjonen slutter ved 80 °C. 22. Hvor mange grader må temperaturen økes for at reaksjonshastigheten skal øke 32 ganger? Temperaturkoeffisienten for reaksjonshastigheten er 2. 23. Ved 30 °C skjer reaksjonen på 3 minutter. Hvor lang tid vil det ta før den samme reaksjonen skjer ved 50 °C hvis temperaturkoeffisienten for reaksjonshastigheten er 3. 24. Ved en temperatur på 40 °C fortsetter reaksjonen på 36 minutter, og ved 60 °C på 4 minutter . Beregn temperaturkoeffisienten til reaksjonshastigheten. 25. Reaksjonshastigheten ved 10 °C er 2 mol/l. Beregn hastigheten på denne reaksjonen ved 50 °C hvis temperaturkoeffisienten for reaksjonshastigheten er 2.
Oppgave 325.
Finn verdien av hastighetskonstanten for reaksjonen A + B ⇒ AB, hvis ved konsentrasjoner av stoffene A og B lik henholdsvis 0,05 og 0,01 mol/l, er reaksjonshastigheten 5 .
10-5 mol/(l. min).
Løsning:
Hastighet kjemisk reaksjon uttrykkes ved ligningen:
v- ,k- reaksjonshastighetskonstant
Svar: 0,1/mol. min.
Oppgave 326.
Hvor mange ganger vil reaksjonshastigheten 2A + B ⇒ A 2 B endres hvis konsentrasjonen av stoff A økes med 2 ganger, og konsentrasjonen av stoff B reduseres med 2 ganger?
Løsning:
v- ,k- reaksjonshastighetskonstant, [A] og [B] – konsentrasjoner av utgangsstoffer.
På grunn av en økning i konsentrasjonen av stoff A med 2 ganger og en reduksjon i konsentrasjonen av stoff B med 2 ganger, vil reaksjonshastigheten uttrykkes ved ligningen:
Ved å sammenligne uttrykkene for v og v" finner vi at reaksjonshastigheten har økt med 2 ganger.
Svar:økt med 2 ganger.
Oppgave 327.
Hvor mange ganger bør konsentrasjonen av stoff B 2 i systemet økes?
2A 2(g) + B 2(g) = 2A 2 B, slik at når konsentrasjonen av stoff A synker med 4 ganger, endres ikke hastigheten på den direkte reaksjonen?
Løsning:
Konsentrasjonen av substans A ble redusert med 4 ganger. Vi betegner endringen i konsentrasjonen av stoff B med x. Deretter, før konsentrasjonen av stoff A endres, kan reaksjonshastigheten uttrykkes ved ligningen:
v- ,k- reaksjonshastighetskonstant, [A] og [B] – konsentrasjoner av utgangsstoffer.
Etter å ha endret konsentrasjonen av stoff A 2, vil reaksjonshastigheten uttrykkes ved ligningen:
I henhold til betingelsene for problemet, v = v" eller
Dermed er det nødvendig å øke konsentrasjonen av stoff B 2 i systemet 2A 2 (g) + B 2 (g) = 2A 2 B med 16 ganger, slik at når konsentrasjonen av stoff A 2 synker med 4 ganger, hastigheten på den direkte reaksjonen endres ikke.
Svar: 16 ganger.
Oppgave 328.
To kar med samme kapasitet innføres: i den første - 1 mol gass A og 2 mol gass B, i den andre - 2 mol gass A og 1 mol gass B. Temperaturen i begge karene er den samme. Vil reaksjonshastigheten mellom gass A og B i disse karene avvike dersom reaksjonshastigheten uttrykkes ved: a) ligning b) ligning
Løsning:
a) Hvis reaksjonshastigheten er uttrykt med ligningen, vil vi, under hensyntagen til konsentrasjonene av stoffene A og B i karene, skrive ned uttrykkene for reaksjonshastighetene for karene:
Dermed,
b) Hvis reaksjonshastigheten er uttrykt ved ligningen, så, med tanke på konsentrasjonene av stoffene A og B i karene, skriver vi ned uttrykkene for reaksjonshastighetene for karene:
Dermed, 
Svar: a) nei, b) ja.
Oppgave 329.
En tid etter starten av reaksjonen 3A+B ⇒ 2C+D-konsentrasjoner av stoffer var: [A] = 0,03 mol/l; [B] = 0,01 mol/l; [C] = 0,008 mol/l. Hva er startkonsentrasjonene av stoffene A og B?
Løsning:
For å finne konsentrasjonene av stoff A og B tar vi i betraktning at det ifølge reaksjonsligningen dannes fra 3 mol stoff A og 1 mol stoff B, 1 mol stoff C. Siden det i henhold til forholdene til problemet, 0,008 mol stoff C ble dannet i hver liter av systemet, deretter ble det konsumert 0,012 mol stoff A (3/2) .
0,008 = 0,012) og 0,004 mol av substans B (1/2) .
0,008 = 0,004). Dermed vil startkonsentrasjonene av stoffene A og B være like:
[A] 0 = 0,03 + 0,012 = 0,042 mol/l;
[B] 0 = 0,01 + 0,004 = 0,014 mol/l.
Svar:[A] 0 = 0,042 mol/l; [B] 0 = 0,014 mol/l.
Oppgave 330.
I systemet CO + C1 2 = COC1 2 ble konsentrasjonen økt fra 0,03 til 0,12 mol/l, og klorkonsentrasjonen fra 0,02 til 0,06 mol/l. Hvor mange ganger økte hastigheten på fremreaksjonen?
Løsning:
Før konsentrasjonen endres, kan reaksjonshastigheten uttrykkes ved ligningen:
v er reaksjonshastigheten, k er reaksjonshastighetskonstanten, [CO] og er konsentrasjonene av utgangsstoffene.
Etter å ha økt konsentrasjonen av reaktanter, er reaksjonshastigheten:
La oss beregne hvor mange ganger reaksjonshastigheten har økt:
Svar: 12 ganger.
Eksempel 1. Reaksjonen mellom stoffene A og B foregår i henhold til ligningen 2A + B = C, konsentrasjonene av stoffer (mol/l) er lik [A] = 6, [B] = 5. Reaksjonshastighetskonstanten er 0,5 l 2 x mol -2 x s-1. Beregn hastigheten på den kjemiske reaksjonen i det første øyeblikket og i det øyeblikket når 45 % av substans B er igjen i reaksjonsblandingen.
Løsning. I følge loven om massevirkning er hastigheten på en kjemisk reaksjon direkte proporsjonal med produktet av konsentrasjonene av de reagerende stoffene i potenser lik de støkiometriske koeffisientene i reaksjonsligningen. Derfor, for reaksjon 2A + B C
V = k C A 2 C B.
Hastigheten av den kjemiske reaksjonen i det første øyeblikket er:
V1 = 0,5 6 2 5 = 90 mol s-1 1-1.
Hvis konsentrasjonen av minst ett av de reagerende stoffene endres, vil konsentrasjonen av alle andre stoffer endres:
Etter en tid gjenstår 45 % av substans B i reaksjonsblandingen, dvs. [B] = 5 · 0,45 = 2,25 mol/l. Dette betyr at konsentrasjonen av stoff B gikk ned med 5,0 − 2,25 = 2,75 mol/l. Siden stoff A og B interagerer med hverandre i forholdet 2:1, sank konsentrasjonen av stoff A med 5,5 mol (2,752) og ble lik 0,5 mol/l (6,0 - 5,5). Derfor,
V 2= 0,5 ∙ (0,5) 2 2,25 = 0,28 mol s-1 1-1.
Eksempel 2. Bestem hvordan hastigheten på fremreaksjonen vil endre seg
2CO (g) + O 2 (g) = 2CO 2 (g), dersom totaltrykket i systemet økes med 4 ganger.
Løsning. En økning i trykket i systemet med 4 ganger vil føre til en reduksjon i volumet av systemet med 4 ganger, og konsentrasjonene av reagerende stoffer vil øke med 4 ganger. I henhold til loven om massehandling er den innledende reaksjonshastigheten
Etter å ha økt trykket
Derfor, etter å ha økt trykket med 4 ganger, økte reaksjonshastigheten 64 ganger.
Merk. Loven om massevirkning i sin klassiske form (uttrykt i form av konsentrasjon) er gyldig for ikke-elektrolytter og fortynnede løsninger av svake elektrolytter (dvs. for gasser og løsninger). Faste stoffer er ikke inkludert i uttrykket for reaksjonshastigheten, siden begrepet konsentrasjon er uakseptabelt for dem; reaksjonshastigheten i den faste fasen avhenger av overflatearealet til det faste stoffet, dvs. graden av sliping.
Så for reaksjonen C (t) + CO 2 (g) = 2CO (g), er hastigheten på den direkte reaksjonen omvendt.
En endring i trykk forskyver likevekten hvis antall mol av de opprinnelige og resulterende gassformige stoffene ikke er det samme. For reaksjonen 2CO + O 2 = 2CO 2 hastigheten på foroverreaksjonen, revers.
Eksempel 3. I systemet A (g) + 2B (g) = C (g) er likevektskonsentrasjonene: [A] = 0,06 mol/l; [B] = 0,12 mol/l; [C] = 0,216 mol/l. Finn likevektskonstanten for reaksjonen og startkonsentrasjonene av stoffene A og B.
Løsning. I følge loven om massehandling uttrykkes likevektskonstanten for en gitt reaksjon ved ligningen
Ved å erstatte disse oppgavene i den får vi:
I henhold til reaksjonsligningen dannes det fra 1 mol A og 2 mol B 1 mol C. Siden det i henhold til forholdene for problemet ble dannet 0,216 mol stoff C i hver liter av systemet, så 0,216 mol A og 0,216 2 = 0,432 mol B ble forbrukt. Dermed er de nødvendige startkonsentrasjonene:
[A] = 0,06 + 0,116 = 0,276 mol/l;
[B] = 0,12 + 0,432 = 0,552 mol/l.
Eksempel 4. Reaksjonen fortsetter i henhold til ligningen A + B = 2C. Bestem likevektskonsentrasjonene til de reagerende stoffene hvis startkonsentrasjonene av stoffene A og B er henholdsvis 0,5 og 0,7 mol/l, og likevektskonstanten for reaksjonen er TIL p = 50.
Løsning. Ved likevektstid vil konsentrasjonene av utgangsstoffene A og B synke, og konsentrasjonen av reaksjonsproduktet C vil øke. For hver mol stoff A og B dannes det 2 mol stoff C; derfor, hvis reduksjonen i konsentrasjonen av stoffene A og B er betegnet med X mol, da vil økningen i konsentrasjonen av stoff C være lik 2 X muldvarp.
Likevektskonsentrasjonene til reaktantene vil være:
[A] = (0,5 – X) mol/l; [V] = (0,7 – X) mol/l; [C] = 2 X mol/l.
46x 2 – 60x+ 17,5=0.
Ved å løse ligningen får vi: x 1 = 0,86; x 2= 0,44. I henhold til betingelsene for problemet er verdien gyldig x 2. Derfor er likevektskonsentrasjonene til de reagerende stoffene like: [A] = 0,5 – 0,44 = 0,06 mol/l; [B] = 0,7 – 0,44 = = 0,26 mol/l; [C] = 0,44 2 = 0,88 mol/l.
Eksempel 5. Regn ut hvor mange ganger hastigheten på en kjemisk reaksjon vil øke når temperaturen øker med 40°C hvis temperaturkoeffisienten for denne reaksjonen er 3.
Løsning. Avhengigheten av hastigheten til en kjemisk reaksjon på temperaturen er uttrykt av den empiriske Van't Hoff-regelen.
I dette eksemplet økte temperaturen med 40°C,
Følgelig økte reaksjonshastigheten med 3 4 = 81 ganger.
Spørsmål til selvstudium
1. Formuler masseaksjonens lov, van’t Hoffs lov, Le Chateliers prinsipp.
2. Nevn faktorene som påvirker reaksjonshastigheten.
3. Hva kalles likevektskonstanten, hva er den avhengig av og hva kjennetegner den?
4. Reaksjonen følger ligningen 4HCI (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g) + 2CI 2 (g). Hvordan vil reaksjonshastigheten endres hvis trykket i systemet økes med 3 ganger?
5. Hvor mange ganger bør hydrogenkonsentrasjonen økes slik at reaksjonshastigheten N 2(g) + 3H 2(g) ®2NH 3(g) øker 1000 ganger? Hvordan bør trykket endres for å oppnå samme akselerasjon av reaksjonen?
6. I hvilken retning skifter likevekten: a) med økende temperatur; b) med økende trykk:
2H 2 (g) + O 2 (g) ⇆2H 2 O (damp) + 249,9 kJ
2SO 2 (g) + O 2 (g) ⇆2SO 3 (g) + 198,4 kJ
7. Likevekten til systemet 2NO (g) + O 2 (g) ® 2NO 2 (g) ble etablert ved følgende konsentrasjoner av stoffer: = 0,08 mol/l; = 0,03 mol/l; = 0,01 mol/l. Beregn likevektskonstanten og startkonsentrasjonene av NO og O 2 hvis startkonsentrasjonen av NO 2 er null.
1. Hvordan vil hastigheten på den direkte reaksjonen A (g) + 2B (g) →AB 2 endres hvis trykket i systemet økes med 4 ganger?
a) hastigheten reduseres med 10 ganger;
b) hastigheten vil ikke endres;
c) hastigheten vil øke 16 ganger;
d) hastigheten vil øke med 64 ganger.
2. Temperaturkoeffisienten for hastigheten til en eller annen reaksjon er 2,0. Hvordan vil hastigheten på denne reaksjonen endres hvis den reduseres med 40 grader?
a) vil øke 8 ganger;
b) vil reduseres med 8;
c) vil reduseres med 16 ganger;
d) vil øke 16 ganger.
3. I et homogent system A + B = 2C, likevektskonsentrasjonene til de reagerende gassene (mol/l): [A] = 0,06; [V] = 0,2; [C] = 0,8. Regn ut likevektskonstanten til systemet.
4. For reaksjonen NO(g) + O 2 (g) = NO 2 (g) ved 25°C Kr= 0,1. Hva er ∆G for reaksjonen?
a) 23,5 kJ/mol;
b) -5,7 J/mol;
c) -44,8 kJ/mol;
d) 22,44 kJ/mol.
5. I hvilken retning vil likevekten skifte når temperaturen synker i reaksjonen:
C 2 H 4 (g) + 3O 2 (g) = 2CO 2 (g) + 2H 2 O (g) (∆H o = -1323 kJ ) ?
a) skifte til høyre;
b) vil bevege seg til venstre;
c) likevekten vil ikke endre seg.
Test spørsmål og oppgaver
1. Hastigheten til kjemiske reaksjoner, forskjellen mellom gjennomsnittshastighet og øyeblikkelig hastighet.
2. Skriv ned det matematiske uttrykket for loven om massevirkning for kjemiske reaksjoner:
2A + B = A 2 V
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3
3. Avhengighet av hastigheten til en kjemisk reaksjon på arten av de reagerende stoffene og av temperatur. Van't Hoffs lov, Arrhenius-ligningen. Homogen og heterogen katalyse. Eksempler. Virkningsmekanismen til katalysatoren. Aktiveringsenergi av en kjemisk reaksjon.
4. Hastighetskonstanten for reaksjonen A + 2B = AB 2 er lik 2 10 -3 l/(mol s). Beregn hastigheten i det første øyeblikket, når C A = C B = 0,4 mol/l og etter en tid. På dette tidspunktet var konsentrasjonen av substans AB 2 0,1 mol/l.
5. forbrenning av metan i oksygen hvis oksygenkonsentrasjonen økes 5 ganger?
6. Den kjemiske reaksjonen fortsetter i henhold til ligningen A + B = C. I det innledende tidspunktet er C A = 2,7 mol/l, C B = 2,5 mol/l. Etter 0,5 timer sank konsentrasjonen av stoff A og ble lik CA = 2,5 mol/l. Beregn konsentrasjonen av stoffene B og C i dette øyeblikket og gjennomsnittshastigheten i den angitte tidsperioden.
7. Hvor mange ganger bør trykket økes slik at hastigheten på den kjemiske reaksjonen 2NO 2 + O 2 = 2NO 2 øker 1000 ganger?
8. Hvor mange ganger vil hastigheten på en kjemisk reaksjon endres når temperaturen synker fra 70 til 30 0 C hvis temperaturkoeffisienten er 3?
9. Hvor mange grader må temperaturen økes for å øke hastigheten på en kjemisk reaksjon med 81 ganger? Temperaturkoeffisienten til reaksjonshastigheten er 3?
10. Beregn temperaturkoeffisienten for en viss kjemisk reaksjon hvis, med en temperaturøkning fra 10 til 50 0 C, hastigheten på den kjemiske reaksjonen økte 16 ganger.
Eksempler på å fullføre oppgaver
Eksempel 1. Skriv et matematisk uttrykk for massevirkningsloven for følgende kjemiske reaksjoner:
Svar. For reaksjon (1) avhenger hastigheten kun av konsentrasjonen av SO 2, for reaksjon (2) - kun av konsentrasjonen av H 2.
Eksempel 2. Hvordan vil hastigheten på en kjemisk reaksjon endres?
4Al(k) + 3O 2 (g) = 2Al 2 O 3 (k),
hvis oksygenkonsentrasjonen økes med 3 ganger?
Løsning
1. Vi skriver ned uttrykket for avhengigheten av hastigheten til en kjemisk reaksjon av konsentrasjonen av reaktanter: V 1 = k 3 .
2. Når oksygenkonsentrasjonen øker med 3 ganger, øker hastigheten på den kjemiske reaksjonen: V 2 = k 3.
V 2 / V 1 = ¾¾¾¾¾¾¾¾ = 27
Svar. Når oksygenkonsentrasjonen øker med 3 ganger, øker hastigheten på den kjemiske reaksjonen med 27 ganger.
Eksempel 3. Hvordan vil hastigheten på en kjemisk reaksjon endres?
2Al(k) + 3Cl2 (g) = 2AlCl3 (k)
når trykket dobles?
Løsning.
1. Vi skriver ned uttrykket for avhengigheten av hastigheten til en kjemisk reaksjon av konsentrasjonen av reaktanter: V 1 = k 3 .
2. Når trykket dobles, dobles også klorkonsentrasjonen. Derfor er V 2 = k 3.
3. Endringen i hastigheten på en kjemisk reaksjon er
V 2 / V 1 = ¾¾¾¾¾¾¾ = 8
Svar. Når trykket dobles, øker hastigheten på denne kjemiske reaksjonen 8 ganger.
Eksempel 4. Temperaturkoeffisienten for hastigheten til en kjemisk reaksjon er 2,5. Hvordan vil hastigheten endre seg a) når temperaturen på reaksjonsblandingen øker fra 60 til 100 o C; b) når temperaturen synker fra 50 til 30 o C.
Løsning
1. Avhengigheten av hastigheten til en kjemisk reaksjon på temperaturen bestemmes av Van't Hoff-regelen. Dens matematiske uttrykk er:
V 2 = V 1 γ (t2 - t1) / 10.
Derfor, a) V 2 / V 1 = 2,5 (100-60) / 10 = 2,5 4 = 39,06;
b) V 2 / V 1 = 2,5 (30-50) / 10 = 2,5 -2 = 1/ 6,25 = 0,16.
Svar. Når temperaturen øker med 40 o, øker hastigheten på denne reaksjonen med 39,06 ganger; når temperaturen synker med 20 o, synker hastigheten på den kjemiske reaksjonen med 6,25 ganger og er bare 0,16 av hastigheten til den kjemiske reaksjonen ved en temperatur på 50 oC.
Emne. Kjemisk likevekt
Test spørsmål og oppgaver
1. Reversible og irreversible kjemiske reaksjoner. Gi eksempler. De viktigste tegnene på irreversibilitet av reaksjoner. Falsk kjemisk likevekt.
2. Lov om massevirkning for reversible kjemiske reaksjoner. Fysisk betydning av den kjemiske likevektskonstanten.
3. Skriv ned uttrykket for den kjemiske likevektskonstanten for følgende kjemiske reaksjoner:
3Fe(k) + 4H 2 O(g) Fe 3 O 4 (k) + 4H 2 (g)
CaO(k) + CO 2 (g) CaCO 3 (k)
Ca(k) + C(k) +3/2O 2 (g) CaCO 3 (k)
4. Le Chateliers prinsipp. Gi eksempler.
5. Hvordan påvirker en trykkøkning skiftet i kjemisk likevekt i følgende reaksjoner:
H 2 (g) + J 2 (g) 2 HJ (g)
CO(g) + Cl 2 (g) COCl 2 (g)
2NO(g) + O 2 (g) 2NO 2 (g)
C(k) + CO 2 (g) 2CO(g)
6. Den kjemiske likevekten i følgende reaksjoner vil skifte i retning av forover- eller bakoverreaksjonen når temperaturen synker:
2H 2 S(g) + 3O 2 (g) 2SO 2(g) + 2H 2 O(g) DH< 0
2N 2 (g) + O 2 (g) 2N 2 O (g) DH > 0
2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) + 192,74 kJ
N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) - 54,47 kJ
7. Hvilke faktorer kan forskyve den kjemiske likevekten mot en direkte reaksjon:
C(k) + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) - 129,89 kJ
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) DH< 0
8. Kjemisk likevekt i reaksjonen 2SO 2 (g) + O 2 (g) = 2SO 3 (g) ble etablert ved følgende konsentrasjoner av reaktanter: = 0,2 mol/l, = 0,05 mol/l, = 0,09 mol/l . Hvordan vil hastigheten på foroverreaksjonen og hastigheten på den omvendte reaksjonen endres hvis volumet av gassblandingen reduseres med 3 ganger?
9. Regn ut likevektskonsentrasjonen av hydrogen og klor i den kjemiske reaksjonen: H 2 (g) + Cl 2 (g) = 2HCl (g), hvis startkonsentrasjonene C (H 2) = 0,5 mol/l, C (Cl) 2) = 1,5 mol/l, og likevektskonsentrasjonen av hydrogenklorid = 0,8 mol/l. Beregn den kjemiske likevektskonstanten.
10. Ved en viss temperatur er sammensetningen av likevektsblandingen som følger: m(CO) = 11,2 g, m(Cl 2) = 14,2 g, m(COCl 2) = 19,8 g, volumet er 10 liter. Beregn likevektskonstanten til den kjemiske reaksjonen CO(g) + Cl 2 (g) COCl 2 (g)
Eksempler på å fullføre oppgaver
Eksempel 1. Skriv et matematisk uttrykk for den kjemiske likevektskonstanten til reaksjonen Ca 3 N 2 (k) + 6H 2 O (g) = 3Ca(OH) 2 (k) + 2NH 3 (g).
Løsning. Det matematiske uttrykket for den kjemiske likevektskonstanten (loven om massevirkning for reversible reaksjoner) tar ikke hensyn til stoffers deltagelse i fast og flytende fase. Derfor,
Svar. Likevektskonstanten bestemmes av forholdet mellom likevektskonsentrasjonene av ammoniakk og vann i gassfasen.
Eksempel 2. For reaksjonen CoO(k) + CO(g) = Co(k) + CO 2 (g), beregn den kjemiske likevektskonstanten hvis 80 % av CO har reagert ved likevektstidspunktet, startkonsentrasjonen av CO er 1,88 mol /l.
Løsning
1. Matematisk uttrykk for den kjemiske likevektskonstanten Kc = /.
2. Likevektskonsentrasjoner av CO og CO 2. Likevektskonsentrasjonen av CO vil være mindre enn den opprinnelige (en del av stoffet - 80% - har gått inn i en kjemisk reaksjon:
[CO] = C (CO)ref. – C (CO) reagerer. = 1,88 – (1,88 80)/ 100 =
0,376 mol/l.
Likevektskonsentrasjonen av CO 2 er lik:
[CO 2 ] = C (CO) reaksjon = (1,88 80)/ 100 = 1,504 mol/l.
3. I det matematiske uttrykket for den kjemiske likevektskonstanten, erstatter vi verdiene av likevektskonsentrasjonene av CO og CO 2:
Kc = 1,504/0,376 = 4.
Svar. Den kjemiske likevektskonstanten for denne reaksjonen er 4; som indikerer at på dette tidspunktet er hastigheten på foroverreaksjonen 4 ganger høyere enn hastigheten på den omvendte reaksjonen.
Eksempel 3. I hvilken retning vil den kjemiske likevekten til reaksjonen 2NiO(k) + CO 2 (g) + H 2 O(g) = (NiOH) 2 CO 3 (k) DH o forskyves?< 0
a) med økende trykk, b) med økende temperatur? Foreslå den optimale endringen i de termodynamiske parameterne T og P for å øke utbyttet av reaksjonsproduktet.
Løsning
1. I samsvar med Le Chateliers prinsipp forskyver en økning i trykk likevekten til en kjemisk reaksjon i en retning som er ledsaget av en reduksjon i volumet av reaksjonssystemet. Når trykket øker, skifter likevekten til denne reaksjonen til høyre (hastigheten på foroverreaksjonen er høyere enn den omvendte reaksjonen).
2. I henhold til Le Chateliers prinsipp forskyver en økning i temperatur den kjemiske likevekten mot en endoterm reaksjon. Følgelig, når temperaturen øker, skifter likevekten til denne reaksjonen til venstre (hastigheten på den omvendte reaksjonen er høyere enn den fremre reaksjonen).
3. For å øke utbyttet av produktet fra den kjemiske reaksjonen av dannelsen av nikkel (II) hydroksykarbonat, bør trykket økes og temperaturen reduseres.
Eksempel 4. Skriv et uttrykk for den kjemiske likevektskonstanten for reaksjonen:
MgO(k) + H2(g) = Mg(k) + H20(l).
Påvirker økende trykk skiftet i kjemisk likevekt?
Løsning. For heterogene reaksjoner i uttrykket for rate.
LEKSJON 10 10. klasse(første studieår)
Grunnleggende om kjemisk kinetikk. Plan for kjemisk likevekt
1. Kjemisk kinetikk og studiefeltet.
2. Hastighet av homogene og heterogene reaksjoner.
3. Reaksjonshastighetens avhengighet av ulike faktorer: reaktantenes natur, konsentrasjonen av reagensene (lov om massevirkning), temperatur (van't Hoff-regelen), katalysator.
4. Reversible og irreversible kjemiske reaksjoner.
5. Kjemisk likevekt og betingelser for forskyvning. Le Chateliers prinsipp.
Den grenen av kjemi som studerer hastigheter og mekanismer for kjemiske reaksjoner kalles kjemisk kinetikk. Et av hovedbegrepene i denne delen er konseptet med hastigheten på en kjemisk reaksjon. Noen kjemiske reaksjoner skjer nesten umiddelbart (for eksempel en nøytraliseringsreaksjon i løsning), andre tar tusenvis av år (for eksempel transformasjon av grafitt til leire under forvitring av bergarter).
Hastigheten til en homogen reaksjon er mengden av et stoff som reagerer eller dannes som et resultat av en reaksjon per tidsenhet per volumenhet av systemet:
Med andre ord er hastigheten på en homogen reaksjon lik endringen i molkonsentrasjonen til en hvilken som helst av reaktantene per tidsenhet. Reaksjonshastigheten er en positiv mengde, derfor, når den uttrykkes gjennom en endring i konsentrasjonen av reaksjonsproduktet, gis et "+"-tegn, og når reagenskonsentrasjonen endres, gis et "-"-tegn.
Hastigheten til en heterogen reaksjon er mengden stoff som reagerer eller dannes som et resultat av en reaksjon per tidsenhet per overflateareal av fasen:
De viktigste faktorene som påvirker hastigheten på en kjemisk reaksjon er arten og konsentrasjonen av reagensene, temperaturen og tilstedeværelsen av en katalysator.
Innflytelse naturen til reagensene manifesterer seg i det faktum at forskjellige stoffer under samme forhold interagerer med hverandre i forskjellige hastigheter, for eksempel:
Ved økning reagenskonsentrasjoner antall kollisjoner mellom partikler øker, noe som fører til en økning i reaksjonshastigheten. Reaksjonshastighetens kvantitative avhengighet av konsentrasjonen av reagensene er uttrykt av loven om effektiv masse (K.M. Guldberg og P. Waage, 1867; N.I. Beketov, 1865). Hastigheten til en homogen kjemisk reaksjon ved konstant temperatur er direkte proporsjonal med produktet av konsentrasjonen av de reagerende stoffene i potenser lik deres støkiometriske koeffisienter (konsentrasjoner av faste stoffer tas ikke i betraktning), for eksempel:
hvor A og B er gasser eller væsker, k – reaksjonshastighetskonstant lik reaksjonshastigheten ved en reaktantkonsentrasjon på 1 mol/l. Konstant k avhenger av egenskapene til de reagerende stoffene og temperatur, men er ikke avhengig av konsentrasjonen av stoffene.
Avhengighet av reaksjonshastighet på temperatur er beskrevet av den eksperimentelle regelen til Van t-Goff (1884). Når temperaturen øker med 10°, øker hastigheten på de fleste kjemiske reaksjoner med 2–4 ganger:
hvor er temperaturkoeffisienten.
Katalysator er et stoff som endrer hastigheten på en kjemisk reaksjon, men som ikke forbrukes som følge av denne reaksjonen. Det er positive katalysatorer (spesifikke og universelle), negative (hemmere) og biologiske (enzymer eller enzymer). Endringen i reaksjonshastigheten i nærvær av katalysatorer kalles katalyse. Det er homogen og heterogen katalyse. Hvis reaktantene og katalysatoren er i samme aggregeringstilstand, er katalysen homogen; i forskjellige – heterogene.
Homogen katalyse:
heterogen katalyse:
Virkningsmekanismen til katalysatorer er veldig kompleks og ikke fullt ut forstått. Det er en hypotese om dannelsen av mellomliggende forbindelser mellom reagenset og katalysatoren:
A + katt. ,
B AB + kat.
Promotorer brukes til å forbedre virkningen av katalysatorer; Det er også katalytiske giftstoffer som svekker effekten av katalysatorer.
Hastigheten på en heterogen reaksjon påvirkes av grensesnittområdet(graden av oppmaling av stoffet) og hastigheten på tilførsel av reagenser og fjerning av reaksjonsprodukter fra fasegrensesnittet.
Alle kjemiske reaksjoner er delt inn i to typer: reversible og irreversible.
Kjemiske reaksjoner som bare går i én retning kalles irreversible., dvs. produktene av disse reaksjonene interagerer ikke med hverandre for å danne utgangsmaterialene. Betingelser for irreversibiliteten til en reaksjon er dannelsen av et bunnfall, gass eller svak elektrolytt. For eksempel:
BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2 HCl,
K2S + 2HCl = 2KCl + H2S,
HCl + NaOH = NaCl + H 2 O.
Reversible reaksjoner er de som skjer samtidig i forover- og bakoverretningen., For eksempel:
Når en reversibel kjemisk reaksjon oppstår, har hastigheten på den direkte reaksjonen i utgangspunktet en maksimal verdi, og avtar deretter på grunn av en reduksjon i konsentrasjonen av utgangsstoffene. Den omvendte reaksjonen, tvert imot, i det første øyeblikket har en minimumshastighet, som gradvis øker. Dermed kommer det på et visst tidspunkt tilstand av kjemisk likevekt, hvor hastigheten på foroverreaksjonen er lik hastigheten til den motsatte reaksjonen. Tilstanden for kjemisk likevekt er dynamisk - både forover- og bakreaksjoner fortsetter å forekomme, men siden deres hastigheter er like, endres ikke konsentrasjonene av alle stoffene i reaksjonssystemet. Disse konsentrasjonene kalles likevekt.
Forholdet mellom hastighetskonstantene for forover- og reversreaksjoner er en konstant verdi og kalles likevektskonstanten ( TIL R ) . Faststoffkonsentrasjoner er ikke inkludert i likevektskonstanten-uttrykket. Reaksjonens likevektskonstant avhenger av temperatur og trykk, men er ikke avhengig av konsentrasjonen av reaktantene og tilstedeværelsen av en katalysator, som akselererer fremdriften av både forover- og bakreaksjoner. Jo mer TIL p, jo høyere er det praktiske utbyttet av reaksjonsprodukter. Hvis TIL p > 1, da dominerer reaksjonsproduktene i systemet; Hvis TIL R< 1, в системе преобладают реагенты.
Kjemisk likevekt er mobil, dvs. når ytre forhold endres, kan hastigheten på reaksjonen fremover eller bakover øke. Retningen til likevektsskiftet bestemmes av prinsippet formulert av den franske vitenskapsmannen Le Chatelier i 1884. Hvis en ytre påvirkning utøves på et likevektssystem, så skifter likevekten mot reaksjonen som motvirker denne påvirkningen. Likevektsskifter påvirkes av endringer i reaktantkonsentrasjoner, temperatur og trykk.
En økning i konsentrasjonen av reagenser og fjerning av produkter fører til et skifte i likevekt mot den direkte reaksjonen.
Når systemet varmes opp, skifter likevekten mot den endoterme reaksjonen, og når den avkjøles, mot den eksoterme reaksjonen.
For reaksjoner som involverer gassformige stoffer, forskyver en trykkøkning likevekten mot en reaksjon som skjer med en reduksjon i antall gassmolekyler. Hvis reaksjonen fortsetter uten å endre antall molekyler av gassformige stoffer, så påvirker ikke endringen i trykk på noen måte skiftet i likevekt.