Кинематика химических реакций. Лекция: Кинематика химических реакций
Ответы к самостоятельной работе: Кинетика реакций
Вариант 1
1.Состояние химического обратимого процесса. При котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называют химическим равновесием.
Обратимыми называют химические реакции, которые протекают одновременно в двух противоположных направлениях – прямом и обратном. Примеры: 1. Реакция синтеза оксида азота(2), который нужен для получения азотной кислоты.2. В органической химии – реакции гидратации, дегидрирование.
Химическое равновесие динамично, его можно сместить. Принцип Ле-Шателье: Если изменить одно из условий – температуру, давление или концентрацию веществ, - при которых данная система находится в состоянии химического равновесия, то равновесие сместится в направлении, которое ослабляет изменение.
Изменение Равновесных концентраций
Изменение давления
Изменение температуры
Катализатор на смещение равновесия не влияет
2.а) Прямая реакция является реакцией замещения, происходит горение метана
б) Прямая реакция идет с выделением теплоты и относится к экзотермическим реакциям, обратная эндотермическая, протекает с поглощением теплоты
в)для смещения равновесия влево, нужно увеличить концентрации углекислого газа и воды и уменьшить концентрацию метана или кислорода, т.е. вывести из сферы реакции и увеличить температуру
3.Дано: V=2 л Решение: V р = -
n 1 (H 2 )=3 моль С 1 = 3/2 =1,5 моль/л С 2 = 0,5/2 = 0,25 моль/л
t=20 мин; n 2 (H 2 ) =3 /6=0,5 моль V р = | 0 ,25 – 1,5 | / 20 мин = 0,0625 моль/ л мин
Найти: V р =?
4.По правилу Вант – Гоффа V 2 = V 1 * t2-t1 /10 , если температурный коэффициент 2
V 2 / V 1 = t2-t1 /10 V 2 / V 1 =2 3 = 8
5.а) вправо
б)вправо в) не изменится
Вариант 2
1.Скорость химической реакции – это изменение концентрации одного из реагирующих веществ или одного из продуктов реакции в единицу времени.
V р = - - , где С 2 – конечная молярная концентрация концентрация реагирующего вещества
С 1 – начальная молярная концентрация этого вещества. t – время реакции
С= n / V V – объем сосуда, n – количество вещества
Скорость зависит от: а) природы реагирующих веществ(магний с кислотой реагирует быстрее цинка, т.к. он более активный металл)
б) концентрации реагирующих веществ (чем больше концентрация реагирующих веществ в единице объёма, тем больше скорость реакции)
в) площади соприкосновения реагирующих веществ чем больше площадь, тем больше скорость (для увеличения площади вещества измельчают)
г) присутствия некоторых веществ (катализатор увеличивает скорость, ингибитор – уменьшает)
2.а) Прямая реакция разложения, значит обратная соединения.
б) Прямая реакция протекает с выделением теплоты, поэтому относится к экзотермическим, обратная – эндотермическая и протекает с поглощением теплоты.
В) Для смещения равновесия вправо нужно уменьшить концентрацию ацетилена или водорода, т.е. вывести из сферы реакции и уменьшить температуру .
3.Дано: V= 10л Решение: V р = -
n 1 ( О 2 )= 5 моль С 1 = 5/10 =0,5 моль/л С 2 = 0,25/10 = 0,025 моль/л
t= 3 0 мин n 2 ( О 2 ) = 5/20=0,25 моль
Найти V р =? V р = | 0 ,25 – 5 | / 30 мин = 0,16моль/ л*мин
4.По правилу Вант – Гоффа V 2 = V 1 * t2-t1 /10 , если температурный коэффициент 3
V 2 / V 1 = t2-t1 /10 V 2 / V 1 =3 3 = 27
А) влево б) вправо в) не изменится
Программа , методические указания по темам «Химическая термодинамика»,
«Кинематика химических реакций», «Растворы» для дистанционного изучения.
Группы 942 – 947 ЭФ кафедра Химии и Естествознания.
Программа темы, вопросы для изучения | Что должен знать и уметь студент | Учебники |
||
Основы химической термодинамики | 1) Понятия: системы; фаза; гомогенные и гетерогенные системы; процессы и их классификация; параметры и функции состояния системы. 2) Тепловые эффекты процессов. Внутренняя энергия и энтальпия их определения и единиц измерения. Закон Гесса и следствия из него. Энтальпия образования веществ, фазовых переходов и хим. реакций. 3) Энтропия. Понятия и единицы измерения направленность хим. реакций в изолированных системах. 4) Энергия Гиббса. Направленность хим. процессов в неизолированных системах. | Определения термодинамических понятий. Факторы, влияющие на величину внутренней энергии (), энтальпии ( Уметь рассчитывать тепловые балансы реакций, изменение энтропии Произвести расчеты и сделать вывод о возможности (невозможности) | 1) Коровин Н.В. Общая химия. 2005 г. (с 115 – 142) 2) Глинка Н.Л. Общая химия 2006 г. (с 170 – 185) 3) Глинка Н. Л – задачи и упражнения по общей химии 2006 г. «№ 283, 293, 295, 299 – табл 5. с 223 – 225; № 303, 304, 310, 311.» |
|
Кинематика хим. реакций | 1) Понятие скорости реакций. 2) Влияние (Как? Почему?) На скорость хим. реакций природы веществ, концентрации, t°, давления, поверхности реагирующих веществ, катализатора. | Объяснить, как и почему изменяется скорость хим реакций при изменении концентрации, давления, t°, катализатора. Уметь записывать математическое выражение | ||
3) Равновесие системы. Химическое равновесие. Константа равновесия. Принцип Ле Шателье. | Закона действующих масс (ЗДМ) для любой хим. системы. Уметь определить, в сторону какой реакции произойдёт смещение хим. равновесия при изменении концентрации, давления, t°, веществ системы. | 1) 166- 201, 148 – 152 2) 186 – 200 3) «№ 325, 326, 330, 332, 336, 358, 363, 365, 383». |
||
Растворы | 1) Способы выражения концентрации растворов. 2) Энергетические явления при растворении. 3) Изменения давления насыщенного пара раствора, его температур кристаллизации и кипения. Законы Рауля. Осмотическое давление растворов. Закон Вант – Гоффа. 4) Электролитическая диссоциация. Сильные и слабые электролиты. 5) Особенности применения законов Рауля и Вант – Гоффа к растворам электролитов. Изотонический коэффициент. 6) Гидролиз солей 7) Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель. | Знать формулы, выражающие массовые доли растворённого вещества, молярную, моляльную и эквивалентную (нормальную) концентрации растворов, уметь производить соответствующие расчёты. Уметь написать уравнения реакций гидролиза различных типов солей и указать среду их раствора. | 1) 204 – 243 2) 216 – 259 3) «№ 392, 414, 415, 428, 437.» 3) 464, 466, 474, 478, 480, 483 3) 603, 607. |
|
Дисперсные системы | 1) Понятие дисперсных систем, их классификация по размеру частиц дисперсной фазы, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды, взаимодействию частей дисперсной системы, по структурно – механическим свойствам. Получение дисперсных систем. 2) Свойства лиофобных золей: молекулярно – кинетических, оптические, электрокинетические. Устойчивость дисперсных систем. Седиментация и коагуляция. 3) Лиофильные коллоидные растворы. Поверхностно – активные вещества. 4) Характеристика суспензий, эмульсий, пен, аэрозолей, порошков | Уметь классифицировать дисперсные системы по степени дисперсности. Уметь написать формулу мицеллы коллоидного раствора. Определить коагулирующий ион в смеси электролитов. Знать определение и строение суспензий, эмульсий, аэрозолей, пен, области их применения. Объяснить свойства дисперсных систем. |
Кинематика химических реакцийСкорость химических реакций.Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ: V = ± ((С2 - С1) / (t2 - t1)) = ± (DС / Dt) где С1 и С2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t1 и t2 соответственно (знак (+) - если скорость определяется по продукту реакции, знак (-) - по исходному веществу). Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул. Факторы, влияющие на скорость химических реакций.1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно. Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании. Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует. 2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает. Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.).Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. aA + bB + . . . ® . . . V = k [A]a [B]b . . . Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов. Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ. Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит. 3. Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t1 до t2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле. Кинематика химических реакций Скорость химических реакций. Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ: V = ± ((С2 - С1) / (t2 - t1)) = ± (DС / Dt) где С1 и С2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t1 и t2 соответственно (знак (+) - если скорость определяется по продукту реакции, знак (-) - по исходному веществу). Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул. Факторы, влияющие на скорость химических реакций. 1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно. Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании. Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует. 2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает. Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.). Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. aA + bB + . . . ® . . . V = k [A]a [B]b . . . Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов. Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ. Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит. 3. Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t1 до t2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле: (где Vt2 и Vt1 - скорости реакции при температурах t2 и t1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции). Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса: k = A e -Ea/RT A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ; R - универсальная газовая постоянная ; Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению. Энергетическая диаграмма химической реакции. А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты. Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры. 4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения. 5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа"). Скорость химических реакций. Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ: V = ± ((С2 - С1) / (t2 - t1)) = ± (DС / Dt) где С1 и С2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t1 и t2 соответственно (знак (+) - если скорость определяется по продукту реакции, знак (-) - по исходному веществу). Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул. Факторы, влияющие на скорость химических реакций. 1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно. Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании. Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует. 2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает. Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.). Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. aA + bB +… ®… . V = k [A]a [B]b … . Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов. Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ. Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит. 3. Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t1 до t2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле: (t2 - t1) / 10 Vt2 / Vt1 = g (где Vt2 и Vt1 - скорости реакции при температурах t2 и t1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции). Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса: k = A e -Ea/RT A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ; R - универсальная газовая постоянная ; Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению. Энергетическая диаграмма химической реакции. А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты. Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры. 4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения. 5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление «отрицательного катализа»). Химическое равновесие. Обратимые реакции - химические реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях. Химическое равновесие - состояние системы, в котором скорость прямой реакции (V1) равна скорости обратной реакции (V2). При химическом равновесии концентрации веществ остаются неизменными. Химическое равновесие имеет динамический характер: прямая и обратная реакции при равновесии не прекращаются. Состояние химического равновесия количественно характеризуется константой равновесия, представляющей собой отношение констант прямой (K1) и обратной (K2) реакций. Для реакции mA + nB pC + dD константа равновесия равна K = K1 / K2 = ([C]p [D]d) / ([A]m [B]n) Константа равновесия зависит от температуры и природы реагирующих веществ. Чем больше константа равновесия, тем больше равновесие сдвинуто в сторону образования продуктов прямой реакции. Способы смещения равновесия. Принцип Ле-Шателье. Если на систему, находящуюся в равновесии, производится внешнее воздействие (изменяются концентрация, температура, давление), то оно благоприятствует протеканию той из двух противоположных реакций, которая ослабляет это воздействие V1 A + Б В V2 1. Давление. Увеличение давления (для газов) смещает равновесие в сторону реакции, ведущей к уменьшению объема (т.е. к образованию меньшего числа молекул). V1 A + Б В; увеличение P приводит к V1 > V2 V2 2 1 2. Увеличение температуры смещает положение равновесия в сторону эндотермической реакции (т.е. в сторону реакции, протекающей с поглощением теплоты) V1 В + Q, то увеличение t°C приводит к V2 > V1 A + Б V2 V1 В - Q, то увеличение t°C приводит к V1 > V2 A + Б V2 3. Увеличение концентрации исходных веществ и удаление продуктов из сферы реакции смещает равновесие в сторону прямой реакции. Увеличение концентраций исходных веществ [A] или [Б] или [А] и [Б]: V1 > V2. 4. Катализаторы не влияют на положение равновесия. |