Скорость реакции при увеличении давления в 2 раза

Влияние давления на скорость реакции

Скорость реакции при увеличении давления в 2 раза

При записи кинетического уравнения реакции для газообразных систем вместо концентрации (С) пишут давление (Р) реагентов, так как изменение давления в системе аналогично изменению концентрации.

Увеличение давления в системе вызывает уменьшение объема системы во столько же раз, при этом концентрация реагентов в единице объема увеличивается так же.

При уменьшении давления происходит увеличение объема системы, при этом концентрации в единице объема уменьшится соответственно.

Примеры и решения задач.

Пример 1.

Скорость какой реакции больше, если за единицу времени в единице объема образовалось в результате первой реакции 9г водяного пара, в результате второй реакции – 3,65г хлористого водорода?

Скорость реакции измеряется количеством молей вещества, которое образуется в единице объема за единицу времени. Молярная масса воды молярная масса хлористого водорода тогда скорость первой реакции,

моль/л×с,

а скорость второй реакции

будет моль/л.

Скорость образования водяных паров больше, так как число молей образования водяного пара больше, чем число молей образования хлористого водорода.

Пример 2.

Реакция между веществами А и В выражается уравнением: А+2В®С. Начальная концентрация вещества А равна 0,3 моль/л, а вещества В–0,5 моль/л. Константа скорости равна 0,4. Определить скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшается на 0,1 моль/л.

Концентрация вещества А уменьшилась на 0,1 моль/л. Следовательно, исходя из уравнения реакции, концентрация вещества В уменьшилась на 0,2 моль/л, так как перед веществом В стоит коэффициент 2. Тогда концентрация вещества А через некоторое время станет равной 0,3-0,1=0,2 моль/л, а концентрация В – 0,5-0,2=0,3 моль/л.

Определяем скорость реакции:

моль/л×с

Пример 3.

Как изменится скорость реакции: если увеличить концентрацию NO в 3 раза? Согласно закону действующих масс запишем выражение для скорости реакции:

.

При увеличении концентрации NO в 3 раза скорость реакции будет:

Скорость реакции увеличится в 9 раз.

Пример 4.

Определите, как изменится скорость реакции, если увеличить давление в системе в 2 раза.

Увеличение давления в системе в 2 раза вызовет уменьшение объема системы в 2 раза, при этом концентрации реагирующих веществ возрастут в 2 раза.

Согласно закону действующих масс запишем начальную скорость реакции и при увеличении давления в 2 раза:

Тогда

, .

Скорость реакции увеличится в 8 раз.

Пример 5.

Рассчитайте исходные концентрации веществ А и В в системе А+3В=2С, если равновесные концентрации веществ А равна 0,1 моль/л, веществ В равна 0,2 моль/л, вещества С–0,7 моль/л.

Находим концентрацию вещества А, израсходованную на реакцию, составляя пропорцию по уравнению реакции:

2 моль/л С получено из 1 моль/л А,

0,7 моль/л С ®х моль /л × А.

моль/л А.

Следовательно, исходная концентрация вещества А равна:

= 0,1 + 0,35 = 0,45 моль/л.

Находим концентрацию вещества В, израсходованную на реакцию.

Составляем пропорцию по уравнению реакции:

2 моль/л С получено из 3 моль/л В

0,7 моль/л С ® х моль/л В

х= моль/л А.

Тогда исходная концентрация вещества В равна:

моль/л.

Пример 6.

При температуре 400 С образовалось 0,5 моль/л вещества А. Сколько моль/л А образуется, если повысить температуру до 800 С? Температурный коэффициент реакции равен 2.

По правилу Вант-Гоффа запишем выражение скорости реакции при 800 С:

.

Подставив в уравнение данные задачи, получим:

При 800 С образуется 8 моль/л вещества А.

Пример 7.

Рассчитайте изменение константы скорости реакции, имеющей энергию активации 191 кДж/моль, при увеличении температуры от 330 до 400 К.

Запишем уравнение Аррениуса для условия задачи:

где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,32 Дж/к(К×моль).

откуда изменение константы скорости будет:

.

Контрольные задания

61. Скорость химической реакции

2NO(г) + O2(г) = 2NO2(г)

при концентрациях реагирующих веществ [NO]=0,3 моль/л и [O2]=0,15 моль/л составила 1,2·10-3 моль/(л·с). Найдите значение константы скорости реакции.

62. На сколько градусов следует повысить температуру системы, чтобы скорость протекания в ней реакции возросла в 30 раз (=2,5)?

63.Во сколько раз следует увеличить концентрацию оксида углерода в системе

2СО = СО2+ С,

чтобы скорость реакции увеличилась в 4 раза?

64.Во сколько раз следует увеличить давление, чтобы скорость реакции образования NО2по реакции

2NO + O2= 2NO2

возросла в 1000 раз?

65. Реакция идет согласно уравнению

2NO(г) + Cl2(г) = 2NOCl(г).

Концентрации исходных веществ до начала реакции составляли: [NO]=0,4 моль/л; [Cl2]=0,3 моль/л. Во сколько раз изменится скорость реакции по сравнению с первоначальной в тот момент, когда успеет прореагировать половина оксида азота?

66.Во сколько раз увеличится константа скорости химической реакции при повышении температуры на 40, если =3,2?

67.Напишите выражение для скорости химической реакции, протекающей в гомогенной системе по уравнению

А+2В=АВ2

и определите, во сколько раз увеличится скорость этой реакции, если :

а) концентрация А уменьшится в 2 раза;

б) концентрация А увеличится в 2 раза;

в) концентрация В увеличится в 2 раза;

г) концентрация обоих веществ увеличится в 2 раза.

68.Во сколько раз следует увеличить концентрацию водорода в системе

N2 + 3H2= 2NН3,

чтобы скорость реакции возросла в 100 раз?

69.Вычислите температурный коэффициент скорости реакции, если константа скорости ее при 100 С составляет 0,0006, а при 150 С 0,072.

70.Реакция между оксидом азота (II) и хлором протекает по уравнению

2NO + Cl2= 2NOCl.

Как изменится скорость реакции при увеличении:

а) концентрации оксида азота в 2 раза;

б) концентрации хлора в 2 раза;

в) концентрации обоих веществ в 2 раза?

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Примеры решения задач

Химическим равновесием называется такое состояние системы, при котором скорости прямой и обратной химических реакций равны, и концентрации реагирующих веществ не изменяются с течением времени.

Количественной характеристикой химического равновесия является константа равновесия. Константа равновесия при постоянной температуре равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, взятых в степенях их стехиометрических коэффициентов, и является величиной постоянной.

В общем случае для гомогенной реакции mA+ nB« pC+qD

константа равновесия равна:

.

Это уравнение выражаем законом действующих масс для обратимой реакции.

При изменении внешних условий происходит смещение химического равновесия, выражающееся в изменении равновесных концентраций исходных веществ и продуктов реакции. Направление смещения равновесия определяется принципом Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет внешнее воздействие.

Химическое равновесие можно сместить влиянием изменения концентрации реагирующих веществ, температуры, давления.

При увеличении концентрации исходных веществ равновесие сместится в соответствии с принципом Ле-Шателье в сторону продуктов реакции, а при увеличении концентраций продуктов – в сторону исходных веществ.

При изменении температуры (ее увеличении) равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (D H > 0), идущей с поглощением тепла, т.е.

увеличивается скорость прямой реакции, и равновесие смещается в сторону продуктов реакции.

В случае экзотермической реакции (D H > 0), при увеличении температуры увеличится скорость обратной реакции, которая будет обеспечивать поглощение тепла, и равновесие сместится в сторону исходных веществ.

Если в реакции участвуют вещества в газообразном состоянии, то химическое равновесие можно сместить изменением давления. Увеличение давления равносильно увеличено концентрации реагирующих веществ.

При увеличении давления равновесие смещается в сторону реакции с меньшим числом молей газообразных веществ, а при уменьшении давления – в сторону реакции с большим числом молей газообразных веществ.

Пример 1.

Рассчитайте исходные концентрации вещества А и В в гомогенной системе А+3В«2С, если равновесные концентрации А=0,1 моль/л, В=0,2 моль/л, С= 0,7 моль/л.

Известно, что исходная концентрация вещества равна сумме равновесной и концентрации, ушедшей на реакцию, т.е. прореагировавшей:

Чтобы найти надо знать, сколько вещества А прореагировало.

Рассчитываем , составляя пропорцию по уравнению реакций:

2моль/л С получено из 1 моль/л А

0,7 моль/л С ––––––––х моль/л А,

х= (0,7×1)/2= 0,35 моль/л

Тогда:

Рассчитываем исходную концентрацию вещества В:

Для нахождения составим пропорцию:

2 моль/л С получено из 3моль/л В

0,7 моль/л С –––––––––––––х моль/л В

х = (0,7×3)/2 = 1,05 моль/л

Тогда исходная концентрация В равна:

Пример 2.

Рассчитайте равновесные концентрации веществ в системе А+В «С+Д при условии, что исходные концентрации веществ: А=1 моль/л, В= 5 моль/л. Константа равновесия равна 1.

Предположим, что к моменту равновесия вещества А прореагировало х молей. Исходя из уравнения реакции, равновесные концентрации будут:

;

; ; ,

так как по уравнению реакции вещества В ушло на реакции столько же, сколько прореагировало вещества А.

Подставляем значения равновесных концентраций в константу равновесия и находим х.

Тогда:

Пример 3.

В системе установилось равновесие: 2АВ+В2 «2АВ; D H > 0.

В каком направлении сместится равновесие при уменьшении температуры?

Данная прямая реакция является эндотермической, т.е. идет с поглощением тепла, поэтому при уменьшении температуры в системе, равновесие в соответствии с принципом Ле-Шателье сместится влево, в сторону обратной реакции, которая является экзотермической.

Пример 4.

Равновесие системы А + В « АВ установилось при следующих концентрациях веществ: С(А)=С(В)=C(АВ)=0,01моль/л. Рассчитайте константу равновесия и исходные концентрации веществ.

Константа равновесия равна:

.

Рассчитываем исходные концентрации веществ:

.

По уравнению реакции:

= 0,01 моль/л,

= 0,01моль/л.

Тогда:

0,02 моль/л

0,02 моль/л.

Контрольные задания

71. Константа равновесия гомогенной системы

N2+ 3H2 2NH3

при температуре 400 С равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 моль/л и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и начальную концентрации азота.

72. Исходные концентрации оксида азота (II) и хлора в системе

2NO + Cl2 2NOCl

составляют соответственно 0,5 моль/л и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20 оксида азота (II).

73.При некоторой температуре равновесные концентрации реагентов обратимой химической реакции

2А(г)+В(г) 2С(г)

составили [А]=0,04 моль/л, [В]=0,06 моль/л, [C]=0,02 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные концентрации веществ А и В .

74.При некоторой температуре равновесные концентрации в системе

2SO2+ O2 2SO3

составляли соответственно: [SO2] = 0,04 моль/л, [O2] = 0,06 моль/л,

[SO3]=0,02 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные кон-

центрации оксида серы (IV) и кислорода.

75.При состоянии равновесия системы

N2+ 3H2 2NH3,

концентрации участвующих веществ были: [N2] = 0,3 моль/л; [H2] = =0,9 моль/л; [NH3] = 0,4 моль/л. Рассчитайте, как изменятся скорости прямой и обратной реакции, если давление увеличится в 5 раз. В каком направлении сместится равновесие?

76. Вычислите константу равновесия обратимой реакции

2SO2(г) + O2(г) 2SO3(г),

если равновесная концентрация [SO3]=0,04 моль/л, а исходные концен-трации веществ [SO2]=1 моль/л, [O2]=0,8 моль/л.

77.Равновесие системы

CO + Cl2 COCl2,

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [СО] = =[Сl2] = [COCl2] = 0,001 моль/л. Определите константу равновесия и исходные концентрации окиси углерода и хлора.

78. Исходные концентрации оксида углерода (II) и паров воды равны и составляют 0,03 моль/л. Вычислите равновесные концентрации СО, Н2О и Н2в системе

CO + H2O CO2+ H2,

если равновесная концентрация СО2оказалась равной 0,01 моль/л. Вычислите константу равновесия.

79.Определите равновесную концентрацию водорода в системе

2HJ H2+ J2,

если исходная концентрация HJ составляла 0,05 моль/л, а константа равновесия К=0,02.

80.Константа равновесия системы

СО + Н2О СО2+ Н2

при некоторой температуре равна 1. Вычислите процентный состав смеси в состоянии равновесия, если начальные концентрации СО и Н2О составляют по 1 моль/л.

Источник: https://megaobuchalka.ru/4/43208.html

Скорость химической реакции

Скорость реакции при увеличении давления в 2 раза

Скорость химической реакции – основное понятие химической кинетики, выражающее отношения количества прореагировавшего вещества (в молях) к отрезку времени, за которое произошло взаимодействие.

Скорость реакции отражает изменение концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Единицы измерения для гомогенной реакции: моль/л * сек. Физический смысл в том, что каждую секунду какое-то количество одного вещества превращается в другое в единице объема.

Мне встречались задачи, где была дана молярная концентрация вещества до реакции и после, время и объем. Требовалось посчитать скорость реакции. Давайте решим подобное несложное задание для примера:

Молярная концентрация вещества до реакции составляла 1.5 моль/л по итогу реакции – 3 моль/л. Объем смеси 10 литров, реакция заняла 20 секунд. Рассчитайте скорость реакции.

Влияние природы реагирующих веществ

При изучении агрегатных состояний веществ возникает вопрос: где же быстрее всего идут реакции: между газами, растворами или твердыми веществами?

Запомните, что самая высокая скорость реакции между растворами, в жидкостях. В газах она несколько ниже.

Если реакция гетерогенная: жидкость + твердое вещество, газ + твердое вещество, жидкость + газ, то большую роль играет площадь соприкосновения реагирующих веществ.

Очевидно, что большой кусок железа, положенный в соляную кислоту, будет гораздо дольше реагировать с ней, нежели чем измельченное железо – железная стружка.

Химическая активность также играет важную роль. Например, отвечая на вопрос: какой из металлов Li или K быстрее прореагирует с водой? Мы отдадим предпочтение литию, так как в ряду активности металлов он стоит левее калия, а значит литий активнее калия.

Иногда для верного ответа на вопрос о скорости реакции требуется знание активности кислот. Мы подробнее обсудим эту тему в гидролизе, однако сейчас я замечу: чем сильнее (активнее) кислота, тем быстрее идет реакция.

Например, реакцию магния с серной кислотой протекает гораздо быстрее реакции магния с уксусной кислотой. Причиной этому служит то, что серная кислота относится к сильным (активным) кислотам, а активность уксусной кислоты меньше, она является слабой кислотой.

Как я уже упомянул, слабые и сильные кислоты и основания изучаются в теме гидролиз.

Влияние изменения концентрации

Влияние концентрации “прямо пропорционально” скорости реакции: при увлечении концентрации реагирующего вещества скорость реакции повышается, при уменьшении – понижается.

Замечу деталь, которая может оказаться важной, если в реакции участвуют газы: при увеличении давления концентрация вещества на единицу объема возрастает (представьте, как газ сжимается). Поэтому увеличение давление, если среди исходных веществ есть газ, увеличивает скорость реакции.

Закон действующих масс устанавливает соотношение между концентрациями реагирующих веществ и их продуктами. Скорость простой реакции aA + bB → cC определяют по уравнению:

υ = k × СaA × СbB

Физический смысл константы скорости – k – в том, что она численно равна скорости реакции при том условии, что концентрации реагирующих веществ равны 1. Обратите внимание, что стехиометрические коэффициенты уравнения переносятся в степени – a и b.

Записанное выше следствие закона действующих масс нужно не только “зазубрить”, но и понять. Поэтому мы решим пару задач, где потребуется написать подобную формулу.

Окисление диоксида серы протекает по уравнению: 2SO2(г) + O2 = 2SO3(г). Как изменится скорость этой реакции, если объемы системы уменьшить в три раза?

По итогу решения становится ясно, что скорость реакции в таком случае возрастет в 27 раз.

Решим еще одну задачу. Дана реакция синтеза аммиака: N2 + ЗН2 = 2NH3. Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если уменьшить концентрацию водорода в два раза?

В результате решения мы видим, что при уменьшении концентрации водорода в два раза скорость реакции замедлится в 8 раз.

Влияние изменения температуры на скорость реакции

Постулат, который рекомендую временно взять на вооружение: “Увеличение температуры увеличивает скорость абсолютно любой химической реакции: как экзотермической, так и эндотермической. Исключений нет”.

Очень часто в заданиях следующей темы – химическом равновесии, вас будут пытаться запутать и ввести в заблуждении, но вы не поддавайтесь и помните про постулат!

Итак, влияние температуры на скорость реакции “прямо пропорционально”: чем выше температура, тем выше скорость реакции – чем ниже температура, тем меньше и скорость реакции. Однако, как и в случае с концентрацией, это больше чем простая “пропорция”.

Правило Вант-Гоффа, голландского химика, позволяет точно оценить влияние температуры на скорость химической реакции. Оно звучит так: “При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два — четыре раза”

В формуле, написанной выше, используются следующие обозначение:

  • υ1 – скорость реакции при температуре t1
  • υ2 – скорость реакции при температуре t2
  • γ – температурный коэффициент, который может быть равен 2-4

Если по итогам решения задач у вас получится температурный коэффициент меньше 2 или больше 4, то, скорее всего, где-то вы допустили ошибку. Используйте этот факт для самопроверки.

Для тренировки решим пару задач, в которых потребуется использование правило Вант-Гоффа.

Как изменится скорость гомогенной реакции при повышении температуры от 27°C до 57°C при температурном коэффициенте, равном трем?

Иногда в задачах требуется рассчитать температурный коэффициент, как, например, здесь: “Рассчитайте, чему равен температурный коэффициент скорости, если известно, что при понижении температуры от 250°C до 220°C скорость реакции уменьшилась в 8 раз”.

Катализаторы и ингибиторы

Катализатор (греч. katalysis — разрушение) – вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не участвующее в ней. Катализатор не расходуется в химической реакции.

Многие химические реакции в нашем организме протекают с участием катализаторов – белковых молекул, ферментов. Без катализаторов подобные реакции шли бы сотни лет, а с катализаторами идут одну долю секунды.

Катализом называют явление ускорения химической реакции под действием катализатора, а химические реакции, идущие с участием катализатора – каталитическими.

Ингибитор (лат. inhibere – задерживать) – вещество, замедляющее или предотвращающее протекание какой-либо химической реакции.

Ингибиторы применяют для замедления коррозии металла, окисления топлива, старения полимеров. Многие лекарственные вещества являются ингибиторами.

Так при лечении гастрита – воспаления желудка (греч. gaster – желудок) или язв часто назначаются ингибиторы протонной помпы – химические вещества, которые блокирует выработку HCl слизистой желудке. В результате этого соляная кислота прекращает воздействие на поврежденную стенку желудка, воспаление стихает.

Источник: https://studarium.ru/article/155

Расчеты изменения скорости реакции

Скорость реакции при увеличении давления в 2 раза

Задача 331. 
Реакция между веществами А и В выражается уравнением: А + 2В → С. Начальные концентрации составляют: [А]0 = 0,03 моль/л, [В]0 = 0,05 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4.

Найти начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,01 моль/л.

Решение:
До изменения концентрации скорость реакции можно выразить уравнением:

v – скорость реакции, k – константа скорости реакции, [А] и [В] – концентрации исходных веществ.

Тогда 

Для нахождения скорости реакции по истечении некоторого времени учтём, что на образование 1 моля вещества С затрачивается 1 моль вещества А и 2 моля вещества В, поэтому при уменьшении концентрации вещества А на 0,01 моль/л, концентрация вещества В уменьшится соответственно на 0,0 2 моль/л (2 . 0.01 = 0,02). Тогда оставшиеся концентрации веществ будут равны [A]ост. = 0.03 – 0,01 = 0,02 моль/л, [B]ост. = 0,05 – 0,02 = 0,03моль/л. Тогда скорость реакции по истечении некоторого времени будет составлять:

Ответ: v1 = 3 . 10-5; v2 = 7,2 . 10-6.   

Задача 332. 
Как изменится скорость реакции 2NO (г.) + O2 (г.) → 2NO2 (г.), если: а) увеличить давление в системе в 3 раза; б) уменьшить объем системы в 3 раза; в) повысить концентрацию в 3 раза?
Решение:
До изменения объёма, давления и концентрации скорость реакции можно выразить уравнением:

v – скорость реакции, k – константа скорости реакции, [NO] и [O2] – концентрации исходных веществ.

а) Вследствие увеличения давления в системе в 3 раза, соответственно концентрация каждого из реагирующих веществ возрастёт в 3 раза. Следовательно, теперь скорость реакции будет равна:

Тогда, сравнивая  выражения v  и vа) , находим, что скорость реакции возрастает в 27 раз 

б) при уменьшении объёма в 3 раза в системе концентрация каждого из реагирующих веществ возрастёт в 3 раза. Следовательно, теперь скорость реакции будет равна:

Тогда, сравнивая  выражения v  и  vб), находим, что скорость реакции возрастает в 27 раз   

в) При увеличении концентрации NO в 3 раза скорость реакции будет равна:

Cравнивая выражения v  и  vв), находим, что скорость реакции возрастает в 9 раз     

Ответ: а) возрастёт в 27 раз; б) возрастёт в 27 раз; в) возрастёт в 9 раз.

Задача 333. 
Две реакции протекают при 25°С с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости первой реакции равен 2,0, а второй 2,5. Найти отношение скоростей этих реакций при 95°С.
Решение:
Зависимость скорости реакции (или константы скорости реакции) от температуры может быть выражена уравнением:

Здесь vt и kt – скорость и константа скорости реакции при температуре t°С; v(t + 10)  и k(t + 10)  те же величины при температуре (t + 100C);  – температурный коэффициент скорости реакции, значение которого для большинства реакций лежит в пределах 2 – 4 (правило Вант-Гоффа). В общем случае, если температура изменилась на  °С, последнее уравнение преобразуется к виду:   

Поскольку t = 700С (95 – 25 = 75), то, скорость реакции равна: 

Скорость второй реакции равна:

Найдём отношение этих скоростей:

Ответ:

 Задача 334. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 30 градусов скорость реакции возрастает в 15,6 раза?

Решение:

Согласно правилу Вант Гоффа зависимость скорости от температуры выражается уравнением:

vt  и kt – скорость и константа скорости реакции при температуре t°С; v(t + 10)  и k(t + 10) те же величины при температуре (t + 100C); – температурный коэффициент скорости реакции, значение которого для большинства реакций лежит в пределах 2 – 4. Поскольку t = 300С, то, подставив в уравнение Вант-Гоффа значения по условию задачи, рассчитаем температурный коэффициент скорости реакции:

Ответ: 2,5.

Задача 335. 
Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен 2,3. Во сколько раз увеличится скорость этой реакции, если повысить температуру на 25 градусов?
Решение:
Согласно правилу Вант Гоффа зависимость скорости от температуры выражается уравнением:

vt и kt – скорость и константа скорости реакции при температуре t°С; v(t + 10)  и k(t + 10) те же величины при температуре (t + 100C);  – температурный коэффициент скорости реакции, значение которого для большинства реакций лежит в пределах 2 – 4. Поскольку t = 250С, то, обозначив скорость начальной реакции и скорость реакции при повышении температуры системы на 25 градусов соответственно через v  и  v', можем записать:

Ответ: в 8 раз.                     

Источник: http://buzani.ru/zadachi/khimiya-glinka/1138

Задачи к разделу Химическая кинетика и равновесие химической реакции

Скорость реакции при увеличении давления в 2 раза

Задачи к разделу Химическая кинетика и равновесие химической реакции.

Задача 1. Дайте определение понятию скорость химической реакции. Опишите количественно (где это можно), как влия­ют на скорость реакции внешние условия (концентрация, тем­пература, давление). Рассчитайте, во сколько раз изменится скорость реакции Н2+С12 = 2НС1 при увеличении давления в 2 раза;

Показать решение »

Решение.

Скоростью химической реакции u называют число элементарных актов взаимодействия, в единицу времени, в единице объема для гомогенных реакций или на единице поверхности раздела фаз для гетерогенных реакций.

Среднюю скорость химической реакции выражают изменением количества вещества n израсходованного или полученного вещества в единице объема V за единицу времени t.

Концентрацию выражают в моль/л, а время в минутах, секундах или часах.

υ = ± dC/dt,

где C – концентрация, моль/л

Единица измерения скорости реакции моль/л·с

Если в некоторые моменты времени t1 и t2 концентрации одного из исходных веществ равна с1 и с2, то за промежуток времени Δt = t2 – t1 , Δc = c2 – c1

Если вещество расходуется, то ставим знак «-», если накапливается – «+»

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, присутствия катализаторов, давления (с участием газов), среды (в растворах), интенсивности света (фотохимические реакции).

Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ. Каждому химическому процессу присуще определенное значение энергии активации Еа. Причем, скорость реакции. тем больше, чем меньше энергия активации.

Скорость зависит от прочности химических связей в исходных веществах. Если эти связи прочные, то Еа велика, например N2 + 3H2 = 2NH3, то скорость взаимодействия мала. Если Еа равна нулю, то реакция протекает практически мгновенно, например:

HCl (раствор) + NaOH (раствор) = NaCl (раствор) + H2O.

Закон действующих масс. Скорость элементарной гомогенной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагентов, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

Для реакции                                                                   аА + bB = cC + dD

υ = k·[A]a·[B]b,

где [A] и [B] – концентрации веществ А и В в моль/л,

k – константа скорости реакции.

Концентрации твердых веществ, в случае гетерогенной реакции в кинетическое уравнение не включают.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется законом действующих масс:

υ = k·[A]a·[B]b

Очевидно, что с увеличением концентраций реагирующих веществ, скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается число соударений между участвующими в реакции веществами.

Причем, важно учитывать порядок реакции: если реакция имеет первый порядок по некоторому реагенту, то ее скорость прямо пропорциональна концентрации этого вещества.

Если реакция имеет второй порядок по какому-либо реагенту, то удвоение его концентрации приведет к росту скорости реакции в 22 = 4 раза, а увеличение концентрации в 3 раза ускорит реакцию в 32 = 9 раз.

Зависимость скорости от температуры. Правило Вант-Гоффа: Скорость большинства химических реакций при повышении температуры на 10° увеличивается от 2 до 4 раз.

υТ2 – скорость реакции при температуре t2, υТ1 – скорость реакции при температуре t1, γ — температурный коэффициент (γ = 2¸4).

Влияние катализаторов. Катализаторы увеличивают скорость реакции (положительный катализ). Скорость реакции растет, так как уменьшается энергия активации реакции в присутствии катализатора.

Уменьшение энергии активации обусловлено тем, что в присутствии катализатора реакция протекает в несколько стадий с образованием промежуточных продуктов, и эти стадии характеризуются малыми значениями энергии активации.

Ингибиторы замедляют скорость реакции (отрицательный катализ).

В реакции:

H2 + Cl2 = 2HCl

υпрям = k×[H2] ×[Cl2];

υобр = k×[HCl]2

При увеличении давления в 2 раза концентрация веществ увеличится тоже в 2 раза и скорость реакции станет равна:

υпрям2= k×[2H2] ×[2Cl2]

υпрям2/ υпрям1= k×[2H2] ×[2Cl2]/k×[H2] ×[Cl2] = 4,

υпрям возрастает в 4 раза.

Задача 2. При установлении равновесия Fe2O3 (т) + 3CO (г) = 2Fe (т) + 3CO2 (г) концентрация [CO] = 1 моль/л и [CO2] = 2 моль/л. Вычислите исходную концентрацию [CO]исх, если начальная концентрация CO2 равна нулю.

Показать решение »

Решение.

Fe2O3 (т) + 3CO (г) = 2Fe (т) + 3CO2 (г)

3 моля СО2 образуется, если в реакцию вступают 3 моля СО,

2 молей СО2                               —                                                             х

х = 2 моль,   ⇒ исходная концентрация  [CO]исх = [CO]pавн + 2 моль = 1 + 2 = 3 моль.

Задача 3.Температурный коэффициент реакции равен 2,5. Как изменится ее скорость при охлаждении реакционной смеси от изменения температуры от 50 °С до 30 °С?

Показать решение »

Решение.

Воспользуемся правилом Вант-Гоффа

Скорость реакции  уменьшится в 6,25 раз

Задача 4. Рассчитайте скорость реакции между растворами хлорида калия и нитрата серебра, концентрации которых составляют соответственно 0,2 и 0,3 моль/л, а k=1,5∙10-3л∙моль-1∙с-1

Показать решение »

Решение.

AgNO3 + KCl = AgCl↓ + K NO3

Скорость прямой реакции равна:

v = k·[AgNO3]·[KCl]

v = 1,5∙10-3 · 0,2 · 0,3 = 9·10-5  моль/л·с

Таким образом скорость реакции равна v = 9·10-5  моль/л·с

Задача 5. Как следует изменить концентрацию кислорода, чтобы скорость гомогенной элементарной реакции:   2 NО(г) +O2(г) → 2 NО2(г) не изменилась при уменьшении концентрации оксида азота (II) в 2 раза?

Показать решение »

Решение.

2 NО(г) +O2(г) → 2 NО2(г)

Скорость прямой реакции равна:

υ1 = k·[NO]2·[O2]

При уменьшении концентрации NО в 2 раза скорость прямой реакции станет равной:

υ2 = k·[1/2NO]2·[O2] = 1/4·k·[NO]2·[O2]

т.е. скорость реакции уменьшится в 4 раза:

υ2 /υ1= 1/4·k·[NO]2·[O2] / k·[NO]2·[O2] = 4

Чтобы скорость реакции не изменилась концентрацию кислорода надо увеличить в 4 раза.

При условии, что υ1= υ2

1/4·k·[NO]2 ·х[O2] = k·[NO]2·[O2]

х = 4

Задача 6. При увеличении температуры с 30 до 45оС скорость гомогенной реакции повысилась в 20 раз. Чему равна энергия активации реакции?
Решение.
Применяя уравнение Аррениуса, получим:
ln 20 = Ea/8,31 · (1/303 – 1/318),
отсюда

Ea = 160250 Дж = 160,25 кДж

Задача 7. Константа скорости реакции омыления уксусноэтилового эфира: СН3СООС2Н5(р-р) + КОН(р-р)→СН3СООК (р-р) +С2Н5ОН(р-р) равна 0,1 л/моль∙мин. Начальная концентрация уксусноэтилового эфира была равна 0,01 моль/л, а щелочи – 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и в тот момент, когда концентрация эфира станет равной 0,008 моль/л.

Показать решение »

Решение.

СН3СООС2Н5(р-р) + КОН(р-р)→СН3СООК (р-р) +С2Н5ОН(р-р)

Скорость прямой реакции равна:

υнач = k·[СН3СООС2Н5]·[КОН]

υнач = 0,1·0,01·0,05 = 5·10-5 моль/л·мин

В тот момент, когда концентрация эфира станет равной 0,008 моль/л, его расход составит

[СН3СООС2Н5]расход = 0,01 – 0,008 = 0,002 моль/л

Значит, в этот момент щелочи также израсходовалось [КОН]расход = 0,002 моль/л и ее концентрация станет равной

[КОН]кон = 0,05 – 0,002 = 0,048 моль/л

Вычислим скорость реакции в тот момент, когда концентрация эфира станет равной 0,008 моль/л, а щелочи 0,048 моль/л

υкон = 0,1·0,008·0,048 = 3,84·10-5 моль/л·мин

Задача 8. Как следует изменить объем реакционной смеси системы:
8NH3(г) + 3Br2(ж)→6NH4Br(к) + N2(г), чтобы скорость реакции уменьшилась в 60 раз?

Показать решение »

Решение.

Чтобы уменьшить скорость реакции необходимо увеличить объем системы, т.е. уменьшить давление и, тем самым, уменьшить концентрацию газообразного компонента — NH3. Концентрация  Br2 при этом останется постоянной.

Начальная скорость прямой реакции была равна:

υ1= k·[NH3]8·[Br2]

при увеличении концентрации аммиака скорость прямой реакции стала равной:

υ2= k·[x·NH3]8·[Br2] = k·x8·[NH3]8·[Br2]

υ2/ υ1 = k·x8·[NH3]8·[Br2]/k·[NH3]8·[Br2] = 60

После сокращения всех постоянных, получаем

x8 = 60

x = 1,66

Таким образом, чтобы уменьшить скорость реакции в 60 раз, надо увеличить объем в 1,66 раз.

Задача 9. Как повлияет на выход хлора в системе:
4HCl(г) +O2(г) ↔2Cl2(г) + 2H2О(ж); ΔНо298 =−202,4кДж
а) повышение температуры; b) уменьшение общего объема смеси; c) уменьшение концентрации кислорода; d) введение катализатора?

Показать решение »

Решение.

4HCl(г) +O2(г) ↔2Cl2(г) + 2H2О(ж); ΔНо298 =−202,4кДж

  1. ΔНо298 ˂ 0, следовательно, реакция экзотермическая, поэтому, согласно принципу Ле-Шателье, при повышении температуры равновесие сместится в сторону образования исходных веществ (влево), т.е. выход хлора уменьшится.
  2. При уменьшении давления, равновесие смещается в сторону реакции, идущей с увеличением числа молекул газообразных веществ. В данном случае в равновесие смещается сторону образования исходных веществ (влево), т.е. выход хлора также уменьшится.
  3. Уменьшение концентрации кислорода также будет способствовать смещению равновесия влево и уменьшению выхода хлора.
  4. Внесение катализатора в систему приводит к увеличению скорости как прямой, так и обратной реакций. При этом, изменяется скорость достижения состояния равновесия, но при этом константа равновесия не меняется и смещения равновесия не происходит. Выход хлора останется неизменным.

Задача 10. В системе: PCl5 ↔ PCl3 + Cl2
равновесие при 500 оС установилось, когда исходная концентрация PCl5, равная 1 моль/л, уменьшилась до 0,46 моль/л. Найдите значение константы равновесия при указанной температуре.

Показать решение »

Решение.

PCl5 ↔ PCl3 + Cl2

Запишем выражение для константы равновесия:

К = [PCl3]·[Cl2] ̸ [PCl5]

Найдем количество  PCl5, которое расходуется на образование PCl3 и Cl2 и их равновесные концентрации.

[PCl5]расход = 1 – 0,46 = 0,54 моль/л

Из уравнения реакции:

Из 1 моль PCl5 образуется 1 моль PCl3

Из 0,54 моль PCl5 образуется x моль PCl3

x = 0,54 моль

Аналогично, из 1 моль PCl5 образуется 1 моль Cl2

из 0,54 моль PCl5 образуется у моль Cl2

у = 0,54 моль

К = 0,54·0,54/0,46 = 0,63.

Задача 11. Константа равновесия  реакции: СОСl2(г) ↔ СО(г)+С12(г) равна 0,02. Исходная концентрация СОCl2 составила 1,3 моль/л. Рассчитайте равновесную концентрацию Сl2. Какую исходную концентрацию СОCl2 следует взять, чтобы увеличить выход хлора в 3 раза?

Показать решение »

Решение.

СОСl2(г) ↔ СО(г)+С12(г)

Запишем выражение для константы равновесия:

К = [СО]·[Cl2] ̸ [СОСl2]

Пусть [СО]равн  = [Cl2]равн = х, тогда

[СОСl2]равн = 1,3 – х

Подставим значения в выражение для константы равновесия

0,02 = х·х/(1,3 — х)

Преобразим выражение в квадратное уравнение

х2 + 0,02х – 0,026 = 0

Решая уравнение, находим

х = 0,15

Значит, [СО]равн  = [Cl2]равн = 0,15 моль/л

Увеличив выход хлора в 3 раза получим:

[Cl2]равн = 3·0,15 = 0,45 моль/л

Исходная концентрация [СОСl2]исх2 при этом значении Cl2 равна:

[СОСl2]равн2 = 0,45·0,45/0,02 = 10,125 моль/л

[СОСl2]исх2 = 10,125 + 0,45 = 10,575 моль/л

Таким образом, чтобы увеличить выход хлора в 3 раза, исходная концентрация СОCl2 должна быть равна [СОСl2]исх2 = 10,575 моль/л

Задача 12. Равновесие в системе H2(г)+ I2(г)↔ 2HI(г) установилось при следующих концентрациях участников реакции: HI – 0,05 моль/л, водорода и иода – по 0,01 моль/л. Как изменятся концентрации водорода и иода при повышении концентрации HI до 0,08 моль/л?

Показать решение »

Решение.

H2(г)+ I2(г)↔ 2HI(г)

Найдем значение константы равновесия данной реакции:

К = [HI]2  ̸ [H2] ·[I2]

К = 0,05 2  ̸ 0,01 · 0,01 = 25

При увеличении концентрации HI до 0,08 моль/л, равновесие сместится в сторону образования исходных веществ.

Из уравнения реакции видно, что образуется 2 моль HI, 1 моль H2 и 1 моль I2.

Обозначим новые равновесные концентрации через неизвестную х.

[HI]равн2 = 0,08 — 2х [H2]равн2 = [I2]равн2 = 0,01 + х

Найдем х с помощью выражения для константы равновесия:

К = (0,08 — 2х) 2  ̸ [(0,01 + х) · (0,01 + х)] = 25

Решая уравнения находим:

х = 0,004

[H2]равн2 = [I2]равн2 = 0,01 + 0,004 = 0,0014 моль/л

Задача 13. Для реакции: FeO(к) + CO(г)↔Fe(к) + CO2(г) константа равновесия при 1000оС равна 0,5. Начальные концентрации СО и СО2 были соответственно равны 0,05 и 0,01 моль/л. Найдите их равновесные концентрации.

Показать решение »

Решение.

FeO(к) + CO(г)↔Fe(к) + CO2(г)

Запишем выражение для константы равновесия:

К = [СО2] ̸ [СО]

Пусть равновесные концентрации равны:

[СО]равн = (0,05 – х) моль/л [СО2]равн = (0,01 + х) моль/л

Подставим значения в выражение для константы равновесия:

К = (0,01 + х)/(0,05 – х) = 0,5

Решая уравнение, найдем х:

х = 0,01

[СО]равн = 0,05 – 0,01 = 0,04 моль/л [СО2]равн = 0,01 + 0,01 = 0,02 моль/л

Источник: http://zadachi-po-khimii.ru/obshaya-himiya/zadachi-2.html

Ваше Давление
Добавить комментарий