Решение типовых задач - Химическая кинетика. Методика решения задач

Название	Методика решения задач
Дата	13.11.2022
Размер	179 Kb.
Формат файла
Имя файла	Решение типовых задач - Химическая кинетика.doc
Тип	Документы #785079

Методика решения задач

При решении задач по химической кинетике необходимо различать следующие понятия:

С⁰ –начальная концентрация реагирующего вещества – это количество вещества, содержащееся в 1 л раствора или газа в момент начала реакции, моль/л;
С – текущая концентрация вещества – это количество вещества в 1 л реакционной системы в определенный момент времени;
С – изменение концентрации вещества – это количества вещества (в расчете на 1 л реакционной системы), которое израсходовалось (для исходных веществ) или образовалось (для продуктов) в ходе реакции к определенному моменту времени. По количеству одного из веществ, вступивших в реакцию, можно, пользуясь уравнением химической реакции, рассчитать количество других реагентов, вступивших в реакцию или образовавшихся в результате реакции.
[С] – равновесная концентрация вещества – это количество вещества в 1 л реакционной системы в момент наступления равновесия.

Для гомогенной реакции количество прореагировавших исходных веществ и количество образовавшихся продуктов реакции находится в пропорциональной зависимости друг от друга. Так для реакции:
aА + вВ = сС + dD

имеем

При протекании реакций в прямом направлении происходит уменьшение концентрации реагентов и увеличение концентраций продуктов реакции.
Пример №1. Реакция идет по уравнению
2H_{2 (г)} + O_{2 (г)} = 2H₂O _(г)
Начальные концентрации реагирующих веществ: С⁰ (H₂) = 4 моль/л; С⁰(О₂) = 2 моль/л.

1.1 Во сколько раз изменится скорость прямой реакции, когда прореагирует 50 % вещества H₂?

Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакций, если увеличить давление в 2раза?

Решение:

1. Количество водорода, вступившего в реакцию (∆Сн₂), (в расчете на 1 л газовой системы):
4 моль Н₂ составляет 100%

∆Сн₂составляет 50%;
∆Сн₂ =

= 2 моль/л.

Текущая концентрация водорода:

Сн₂ = С⁰н₂ ─ ∆Сн_{2 =}4 – 2 = 2 моль/л.

Количество кислорода, вступившего в реакцию согласно уравнению реакции:

;

, отсюда ∆С

=1моль/л.

Текущая концентрация кислорода:

Со₂ = С⁰о₂ ─ ∆Со_{2 =}2 – 1 = 1моль/л.

Начальная скорость прямой реакции. Из закона действующих масс следует:

V^O= K(C

)² ·(C

) = К 4

= 32К

Текущая скорость прямой реакции:

V= K(С

)² ·(С

) = К 2² ·1 = 4К.

Найдем, во сколько раз уменьшится скорость прямой реакции:

= 8.
Ответ: скорость прямой реакции изменится в 8 раз, когда прореагирует 50% водорода.

1.2. Если обозначить концентрации водорода, кислорода и воды соответственно через а, b и с, то выражения для скоростей реакций примет вид:

Увеличение давления в два раза увеличивает концентрацию каждого из газообразных реагирующих веществ в два раза, поэтому:
С

= 2а; С

= 2b; С

= 2с

= К (2а)²· (2b) = 8Ка²b

= К (2с)² = 4Кс²
Найдем, во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакций:

;

.
Ответ: при увеличении давления в 2 раза, скорость прямой реакции увеличится в 8 раз, а обратной реакции – в 4 раза.

Пример № 2. При температуре 20⁰С некоторое количество вещества вступает в реакцию за 10 минут. Рассчитать время, при котором это же количество вещества вступит в реакцию при температуре 70⁰С, если температурный коэффициент равен 2. Во сколько раз при этом изменится скорость реакции.
Решение:

Между скоростью протекания химической реакции и её продолжительностью существует обратно пропорциональная зависимость:

где

– время протекания реакции при температурах T₁ и T₂.

Правило Вант-Гоффа в данном случае можно записать в виде:

,

откуда

;

с

При температуре 70⁰С эта реакция заканчивается за 18,75 с.

Подставим в уравнение Вант-Гоффа исходные данные:

;

.
Следовательно, при повышении температуры с 20⁰С до 70⁰С скорость реакции возрастает в 32 раза.

Пример № 3. Вычислите начальные концентрации исходных веществ и константу равновесия реакции 2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃, если равновесные концентрации реагирующих веществ равны [SO₂] =2 моль/л; [O₂] = 3 моль/л и [SO₃] = 4 моль/л.

Решение:

Определяем константу равновесия реакции:

.
В соответствии со стехиометрией реакции имеем:

Найдем количество оксида серы (IV), вступившего в реакцию (∆C ), (в расчете на 1 л газовой системы):

моль/л.

Найдем исходную концентрацию оксида серы (IV):

моль/л.

Найдем количество кислорода, вступившего в реакцию ( ), (в расчете на 1 л газовой системы):

моль/л.

Найдем исходную концентрацию кислорода:

моль/л.
Ответ: К_С = 1,33;

.

Пример № 4. Для реакционной системы

начальные концентрации равны: С

= 2,0 моль/л; С

= 1,5 моль/л; С

= 1,0 моль/л. Определите концентрации всех веществ в момент равновесия, если константа равновесия равна 47.
Решение:

Предположим, что к моменту равновесия прореагировало Х моль (в расчете на 1 л газовой системы) водорода, т.е. = Х моль/л.

Согласно со стехиометрией реакции имеем:

Оформим решение в виде таблицы:

Вещество	Начальные концентрации	Изменение концентраций в ходе реакции		Равновесные концентрации
Вещество	Начальные концентрации	израсходовано исходных веществ	образовалось продуктов реакции	исходных веществ	продуктов реакции
Н₂	2	Х	-	2 – Х	-
I₂	1,5	Х	-	1,5 – Х	-
HI	1	-	2Х	-	1+2Х

;
отсюда 43х² – 168,5х + 140 = 0;

Х₁= 1,2; Х₂= 2,7;
Корень Х₂ не имеет смысла, так как Х₂>С⁰.

Следовательно, равновесные концентрации веществ: [H₂]=0,8моль/л; [I₂]=0,3моль/л; [HI]=3,4моль/л.

Пример № 5. Выразите через концентрации реагентов константу равновесия следующей реакции

.
Указать направление смещения этой реакции:

1) при увеличении температуры, если давление постоянно;

2) при повышении давления, если температура постоянна.
Решение:

Выразим константу равновесия реакции через равновесные концентрации реагирующих веществ:

Реакция синтеза аммиака экзотермическая (∆H
Повышение давления будет благоприятствовать реакции, ведущей к образованию меньшего числа молей газообразных веществ, т.е. в сторону образования аммиака (слева 4 моль газообразных веществ, справа – 2 моль). Это значит, что равновесие реакции сместится вправо.