неорганика. Методические указания содержат теоретические сведения по основным разделам курсов Общая и неорганическая химия

• Название: Методические указания содержат теоретические сведения по основным разделам курсов Общая и неорганическая химия
• Анкор: неорганика
• Дата: 12.09.2020
• Размер: 0.73 Mb.
• Имя файла: неорганика.doc
• Тип: Методические указания; #137692
• страница: 3 из 8

Закон действующих масс может быть записан ,

где W – скорость химической реакции; k – константа скорости; и – концентрации реагирующих веществ. Данное уравнение называется кинетическим.

Реакции в гетерогенной системе осуществляются на поверхности раздела фаз. Поэтому скорость гетерогенных реакций при постоянной температуре зависит не только от концентрации веществ, но и от площади поверхности раздела. Так, для реакции
C_(к) + O_2(г) → CO_{2 (г)}

закон действующих масс имеет вид

где W – скорость химической реакции; k – константа скорости; – концентрация кислорода;
S – площадь поверхности раздела между фазами.

Зависимость скорости от температуры выражается правилом Вант-Гоффа

где и - скорости реакции при температурах Т₂ и Т₁; γ – температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на каждые 10 С.

Одним из способов ускорения химической реакции является катализ, который осуществляется при помощи веществ – катализаторов – увеличивающих скорость реакции, но не расходующихся в результате ее протекания.

Механизм действия катализаторов сводится к уменьшению величины энергии активации реакции, т.е. к уменьшению разности между средней энергией активных молекул (активного комплекса) и средней энергией активных молекул исходных веществ. Скорость химической реакции при этом увеличивается.
Задачи

130. (Р.308) В начальный момент протекания реакции

N₂ + 3H₂  2NH₃

концентрации были равны (моль/л): С(N₂) = 1,5; С(Н₂) = 2,5; C(NH₃) = 0. Каковы концентрации азота и водорода при концентрации аммиака 0,5 моль/л?

Ответ: 1,25; 1,75 моль/л.

131. (Р.309) Начальные концентрации веществ в реакции

СО + Н₂О  СО₂ + Н₂

были равны (моль/л): С(СО) = 0,05; С(Н₂О (г)) = 0,06; С(СО₂) = 0,4; С(Н₂) = 0,2. Вычислите концентрации всех участвующих в реакции веществ после того, как прореагировало 60 % Н₂О.

Ответ: 0,24; 0,14; 0,76; 0,56 моль/л.

132. (Р.310) Константа скорости реакции

А + 2В  ЗС

равна 0,6 л² × моль^–2 × с^–1. Начальные концентрации: С(А) = 2,0 и С(В) = 2,5 моль/л. В результате реакции концентрация вещества В оказалась равной 0,5 моль/л. Вычислите, какова концентрация вещества А и скорость прямой реакции.

Ответ: 1,0 моль/л; 0,15.

133. (Р.311) Реакция идет по уравнению

4NH₃ + 5O₂  4NO + 6H₂O

Как изменится скорость реакции, если увеличить давление в 2 раза?

Ответ: Возрастет в 512 раз.

134. (Р.312) Реакция между веществами А и В выражается уравнением

2А + В  2C.

Начальная концентрация вещества А равна 0,3 моль/л, а вещества В – 0,5 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,8 л² × моль^–2 × мин^–1. Рассчитайте начальную скорость прямой реакции и скорость по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшается на 0,1 моль.

Ответ: 0,036; 0,0144 моль × л^–1 × мин^–1.

135. (Р.313) Разложение N₂O на поверхности золота при высоких температурах протекает по уравнению

2N₂О = 2N₂ + О₂

Константа скорости данной реакции равна 5 × 10^–4 л × моль^–1 × мин^–1 при 1173 К. Начальная концентрация N₂O – 3,2 моль/л. Определите скорость реакции при заданной температуре в начальный момент и в тот момент, когда разложится 25 % N₂O.

Ответ: 51,2 × 10^–4, 22,8 × 10^–4 моль × л^–1 × мин^–1.

136. (Р.314) Реакция идет по уравнению

2NO + О₂  2NO₂

Начальные концентрации реагирующих веществ были (моль/л): С(NO) = 0,8; С(О₂) = 0,6. Как изменится скорость реакции, если концентрацию кислорода увеличить до 0,9 моль/л, а концентрацию оксида азота до 1,2 моль/л?

Ответ: Возрастет в 3,4 раза.

137. (Р.315) Реакция протекает по уравнению

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄+H₂SO₃ + S

Как изменится скорость реакции после разбавления реагирующей смеси в 4 раза?

Ответ: Уменьшится в 16 раз.

138. (Р.316) Реакция выражается уравнением

4НС1 + О₂  2Н₂О + 2С1₂

Через некоторое время после начала реакции концентрации участвующих в ней веществ стали (моль/л): C(НС1) = 0,85; С(О₂) = 0,44; C(С1₂) = 0,30. Какими были концентрации НС1 и О₂ в начале реакции?

Ответ: 1,45; 0,59 моль/л.

139. (Р.319) Рассчитайте константу скорости реакции первого порядка, учитывая, что за 25 мин реакция проходит на 25 %, т. е. прореагировала четвертая часть веществ.

Ответ: 0,0115 моль^–1.

140. (Р.320) Константа скорости реакции первого порядка равна 2,5 × 10^–5 с^–1. Какое количество останется непрореагировавшим через 10 ч после начала реакции? Начальная концентрация равна 1 моль/л.

Ответ: 0,407 моль/л.

141. (Г.362) Во сколько раз следует увеличить концентрацию оксида углерода в системе

2СО = СО₂ + С,

чтобы скорость реакции увеличилась в четыре раза?

Ответ: В 2 раза.

142. (Г.363) Во сколько раз следует увеличить концентрацию водорода в системе

N₂ + ЗН₂  2NH₃,

чтобы скорость реакции возросла в 100 раз?

Ответ: В 10 раз.

143. (Г.364) Во сколько раз следует увеличить давление, чтобы скорость образования NO₂ по реакции

2NO + О₂  2NO₂

возросла в 1000 раз?

Ответ: В 10 раз.

144. (Г.365) Напишите уравнение скорости реакции

С + О₂ = = СО₂

и определите, во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении концентрации кислорода в три раза.

Ответ: В 3 раза.

145. (Г.366) Реакция между оксидом азота(II) и хлором протекает по уравнению

2NO + С1₂  2NOC1.

Как изменится скорость реакции при увеличении: а) концентрации оксида азота в два раза; б) концентрации хлора в два раза: в) концентрации обоих веществ в два раза?

Ответ: В 4 раза, в 2 раза, в 8 раз.

146. (Г.367) Во сколько раз увеличится константа скорости химической реакции при повышении температуры на 40, если  = 3,2?

Ответ: В 105 раз.

147. (Г.368) На сколько градусов следует повысить температуру системы, чтобы скорость протекающей в ней реакции возросла в 30 раз ( = 2,5)?

Ответ: На 37.

148. (Г.369) При повышении температуры на 50 скорость реакции возросла в 1200 раз. Вычислите .

Ответ: 4,13.

149. (Г.370) Вычислите реакции, если константа скорости ее при 120 °С составляет
5,88 × 10^–4, а при 170 °С равна 6,7 × 10^–2.

Ответ: 2,6.

Химическое равновесие
Теоретические сведения

Понятие «химическое равновесие» применимо только к обратимым реакциям. Химическим равновесием называют такое состояние реагирующей системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции . Равенство является кинетическим условием химического равновесия.

Химическое равновесие характеризуется постоянством величин энергии Гиббса системы G_T.Равенство ΔG_T = 0 является термодинамическим условием химического равновесия.

Химическое равновесие характеризуется постоянным для данных условий соотношением равновесных концентраций всех веществ, участвующих во взаимодействии.

Величина, равная отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных кон­центраций исходных веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам, называется константой равновесия. Для обратимой реакции

Н_2(г) + I_2(г)↔2HI_(г)
константа равновесия имеет вид
или ,
где К_С, К_Р – константы равновесия в случае отношения молярных концентраций и парциальных давлений соответственно; [HI], [H₂], [I₂] – равновесные молярные концентрации; , - парциальные давления.

Константа равновесия зависит от природы реагентов, температуры и не зависит от исходной концентрации веществ в сиcтеме. Показывает на сколько скорость прямой реакции больше скорости обратной; характеризует глубину протекания процесса.

Константа равновесия связана со стандартной энергией Гиббса данной реакции ( ) следующим соотношением
= – RTlnK_С
где R – универсальная газовая постоянная [8,31 Дж/(моль^.К)]; Т – абсолютная температура, К;
К_С — константа равновесия.

Если К_С > 1 (ΔG < 0), то в равновесной системе преобладают продукты реакции, а если
К_С < 1 (ΔG > 0), то в равновесной системе преобладают исходные вещества.

Химическое равновесие остается неизменным до тех пор, пока постоянны параметры (p,T,C_M), при которых оно установилось. При изменении условий равновесие нарушается. Через некоторое время в системе вновь наступает равновесие, характеризующееся новым равенством скоростей и новыми равновесными концентрациями всех веществ.

В общем случае, направление смещения равновесия определяется принципом
Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в сторону, противодействующую этому воздействию.

1. 
   При увеличении концентрации реагирующих веществ, равновесие сместится в сторону продуктов реакции, а при уменьшении концентрации исходных веществ – в сторону их образования.
   
2. 
   При увеличении общего давления в системе равновесие смещается в сторону меньшего числа моль газообразных веществ, а при уменьшении – в сторону большего числа моль газообразных веществ.
   
3. 
   Увеличение температуры в системе смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, а уменьшение – в сторону экзотермической реакции.
   

Задачи

150. (Р.351) Константа равновесия реакции

N₂ + ЗН₂  2NH₃,

K_С = 0,1 при 673 К. Равновесные концентрации (моль/л): С(Н₂) = 0,6 и С(NH₃) = 0,18. Вычислите начальную и равновесную концентрации азота.

Ответ: 1,50 моль/л, 1,59 моль/л.

151. (Р.352) Определите равновесную концентрацию водорода в реакции:

2HI  I₂ + Н₂,

если исходная концентрация HI составляет 0,55 моль/л, а константа равновесия K_С = 0,12.

Ответ: 0,11 моль/л.

152. (Р.353) При некоторой температуре константа равновесия термической диссоциации

N₂O₄  2NO₂,

K_С = 0,26. Равновесная концентрация NO₂ равна 0,28 моль/л. Вычислите равновесную и первоначальную концентрации N₂O₄. Какая массовая доля в % этого вещества продиссоциировала к моменту установления равновесия?

Ответ: 0,44 моль/л, 31,8 %.

153. (Р.354) При синтезе фосгена имеет место равновесие реакции

Cl₂ + CO  COCl₂.

Определите исходные концентрации хлора и оксида углерода, если равновесные концентрации равны (моль/л): С(Cl₂) = 2,5; С(CO) = 1,8; С(COCl₂) = 3,2.

Ответ: 5,0 моль/л, 5,7 моль/л.

154. (Р.356) В состоянии равновесия системы

CO₂ + H₂  CO + H₂O.

Реакционная смесь имела объемный состав: 22 % CO₂, 41 % H₂, 17 % CO, 20 % H₂O. Вычислите К_Р и К_С для этой реакции при 1900 К и давлении 98 501 Па.

Ответ: 0,38.

155. (Р.358) Реакция синтеза аммиака

N₂ + ЗН₂  2NH₃,

протекает при 723 К. Константа равновесия при этой температуре равна К_Р = 5,34 × 10^–8. Определите парциальное давление аммиака, если парциальное давление азота и водорода соответственно равно 65 717 и 20 380 Па.

Ответ: 1,75 × 10⁵ Па.

156. (Р.360) При 873 К константа равновесия К_С реакции

Cl₂ + CO  COCl₂

равна 12,12. Вычислите реакции при этой температуре.

Ответ: 1,67 × 10^-6 .

157. (Р.361) При нагревании протекает реакция

SO₂Cl₂  SO₂ + Cl₂.

При некоторой температуре из 1 моль SO₂Cl₂, находящегося в закрытом сосуде емкостью 20 л, разлагается 0,5 моль. Определите константу равновесия при этой температуре.

Ответ: 0,025.

158. (Р.364) образования NH₃ равна –16,64 кДж/моль. Вычислите К_Р реакции

N₂ + ЗН₂  2NH₃,

для данной температуры.

Ответ: 8,06 × 10^-8.

159. (Р.365) Определите, будет ли при 525 К протекать реакция

4HCl + O₂  2H₂O + 2Cl₂,

если К_Р = 4,84 × 10^–3, а парциальные давления реагирующих веществ следующие:
р(HCl) = р(O₂) = 10⁵ Па; р(H₂O) = р(Cl₂) = 10⁴ Па.

160. (Р.366) Вычислите К_Р реакции

2NO + Cl₂  2NOCl

при 298 К по следующим данным:

Вещество	NO	Cl2	NOCl
, кДж/моль	90,37	0,00	53,55
, Дж/(моль*К)	210,62	223,00	263,60

Ответ: 61,50.

161. (Р.367) Определите, может ли при 900 К протекать реакция

2SO₂ + O₂  2SO₃,

если К_Р = 2,043 × 10^–2, а исходные парциальные давления реагирующих веществ равны: р(SO₂) = 3 × 10^–4 Па; р(O₂) = 10^–4 Па; р(SO₃) = 1,5 × 10^–4 Па.

162. (Г.375) В каком направлении сместится равновесие системы

N₂ + ЗН₂  2NH₃, = –92 кДж/моль

при снижении температуры? Как объяснить, что на практике синтез аммиака ведут при повышенной температуре (не ниже 400 – 500 °С)?

163. (Г.376) В системе

N₂O₄  2NO₂

при 60 °С и стандартном давлении установилось равновесие. Во сколько раз следует уменьшить объем, чтобы давление возросло в два раза?

Ответ: В 2,17 раза.

164. (Г.377) В системе

N₂ + ЗН₂  2NH₃

при 200 °С и стандартном давлении установилось равновесие. Во сколько раз увеличится давление, если объем уменьшить в два раза?

Ответ: В 1,9 раза.

165. (Г.378) В системе

N₂ + ЗН₂  2NH₃

равновесие установилось при следующих концентрациях (в моль/л): С(H₂) = 3; С(N₂) = 2; С(NH₃) = 4. Рассчитайте равновесные концентрации после введения в 1 л смеси газов дополнительно 0,5 моль водорода.

Ответ: 3,17; 1,89; 4,22.