Влияние температуры на скорость реакции

Скорость химических реакций в подавляющем большинстве случаев при повышении температуры возрастает, причем она очень чувствительна к изменению температуры.

Зависимость скорости реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры на каждые 10⁰ С скорость гомогенной реакции возрастает примерно в 2-4 раза.

Правило Вант-Гоффа можно выразить соотношением

,

где и ; и - соответственно скорости и константы скорости реакции до и после повышения температуры на 10⁰С, - температурный коэффициент скорости реакции. - это число, показывающее во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры системы на 10⁰С.

В общем случае, если температура изменилась на Δt ⁰С, предыдущее уравнение преобразуется к виду:

.

 

Задача 1. Дана система

N_2(г) + 3H_2(г) 2NH_3(г); ΔН<0.

Рассчитать изменение скорости прямой химической реакции, если обьем системы уменьшить в 2 раза.

Решение: В соответствии с законом действия масс запишем выражения скорости прямой реакции:

;

Система гомогенная, все вещества находятся в газообразном состоянии. При уменьшении обьема системы в 2 раза концентрация реагентов возрастает также в 2 раза. Запишем новые выражения скоростей реакции:

 

;

Следовательно скорость прямой реакции возрастет в

 

.

Задача 2.

В реакции С(т)+2H₂(г) CH₄(г) концентрацию водорода уменьшили в 3 раза. Как изменится скорость реакции?

Решение.

Согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна v_н=k×[H₂]². После уменьшения концентрации водорода в 3 раза скорость станет равна _.. После изменения концентрации водорода скорость изменится следующим образом: . Ответ: скорость реакции уменьшится в 9 раз.

Задача 3. Как изменится скорость реакции при повышении температуры от 20⁰С до 60⁰С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2?

Решение: Для решения применим правило Вант-Гоффа:

; .

Следовательно, скорость реакции при повышении температуры возрастет в 16 раз.

Задача 5. При температуре 50⁰С некоторая реакция заканчивается за 2 мин. 15 с. Принимая температурный коэффициент скорости реакции равным 2, рассчитать, через какое время закончится эта реакция, если проводить ее при 70⁰С?

Решение: По правилу Вант-Гоффа рассчитаем, во сколько раз изменится скорость реакции.

; з начит отношение: .

Скорость реакции обратно пропорциональна времени реакции. Следовательно, можно записать:

.

Отсюда находим: .

Реакция закончится за 15 секунд.

 

 

Контрольные вопросы

31. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 30⁰ С скорость реакции возрастет в 27 раз?

32. Во сколько раз следует увеличить концентрацию водорода в системе

N₂(г) + 3H₂(г) 2NH₃(г); ∆H⁰ < 0,

Чтобы скорость реакции возросла в 1000 раз?

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

2CO = CO₂ + C, чтобы скорость прямой реакции увеличилась в 4 раза?

34. Во сколько раз следует увеличить давление, чтобы скорость образования NO₂ по реакции 2NO + O₂ 2NO₂ возросла в 1000 раз?

35. Написать уравнение скорости реакции горения угля (C) в кислороде и определить, во сколько раз увеличится скорость реакции:

а) при увеличении концентрации кислорода в 3 раза;

б) при замене кислорода воздухом.

36. На сколько градусов следует повысить температуру системы, чтобы скорость протекающей в ней реакции возросла в 32 раз, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2?

37. Как изменится скорость прямой реакции в системе

2SO_2(г) + O_2(г) 2SO_3(г);, если концентрацию SO₂ увеличить в 2 раза, а концентрацию О₂ уменьшить в 2 раза?

38. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2. Как изменится скорость реакции при повышении температуры на 40⁰ С.

39. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:

а) S_(кр) + O_2(г) → SО₂(г) б) 2SО₂(г) + О₂(г) 2SО₃(г).

Как изменится скорость этих реакций, если объем каждой из систем уменьшить в 4 раза?

39. Вычислить, во сколько раз изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе,

3N₂О(г) + 2NН₃(г) 4N₂(г) + 3Н₂О, если

а) давление системы уменьшить в два раза;

б) увеличить концентрацию аммиака в 3 раза?

40. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры на 30⁰ С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

41. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции

СО(г) + Cl₂(г) СОCl₂(г), если концентрацию СО увеличить от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрацию Cl₂ уменьшить от 0,06 до 0,02 моль/л?

42. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 150 до 180⁰ С?

43. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции

СО_(г) + 2Н_2(г) СН₃ОН_(г), если

а) уменьшить концентрацию СО в 5 раз;

б) уменьшить объем системы в 3 раза?

44. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры от 170 до 140⁰ С? Температурный коэффициент скорости равен 3.

45. Реакция протекает по уравнению: NH_3(г) + CO_2(г) + H₂O_(пар) NH₄HCO_3(тв). Как изменится скорость прямой реакции, если

а) увеличить объем системы в 3 раза;

б) уменьшить концентрацию аммиака и паров воды в 2 раза?

46. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 40⁰ С?

47. Как изменится скорость прямой реакции

2CH_4(г) +O_2(г) +2H₂O_(г) 2 CO_2(г) + 6H_2(г), если

а) уменьшить концентрацию метана и кислорода в 3 раза;

б) уменьшить объем системы в 2 раза?

48. Чему равен температурный коэффициент реакции, если при повышении температуры на 20⁰С скорость реакции изменится в 4 раза?

49. Реакция идет по уравнению 2CH_4(г) +O_2(г) 4H_2(г) + 2 СО_(г).

Как изменится скорость обратной реакции, если

а) уменьшить объем системы в 4 раза;

б) увеличить концентрацию водорода в 2 раза?

50. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если скорость реакции, протекающей в газовой фазе, изменилась в 16 раз при понижении температуры на 20⁰С?

51. Реакция идет по уравнению:

Cl₂O_(г) + H₂O_(г) 2HClO_(ж).

Концентрация исходных веществ составляет [Cl₂O] = 0,35 моль/л и [H₂O] = 1,3 моль/л. Как изменится скорость прямой реакции, если изменить концентрации веществ до 0,4 моль/л и 0,9 моль/л соответственно?

52. Вычислить, во сколько раз изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 130 до 90⁰ С. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

53. Как изменится скорость обратной реакции, протекающей в газовой фазе по уравнению:

2N₂O₅ 4NO₂ + O₂, если

а) уменьшить концентрацию NO₂ в 2 раза;

б) уменьшить давление в системе в раза?

54. Во сколько раз изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если температуру повысить на 60⁰С? Температурный коэффициент скорости реакции γ = 2.

55. Константа скорости реакции разложения N₂0,протекающей по уравнению 2N₂0 = 2N₂ + 0₂, равна 5∙10^-4. Начальная концентрация N₂0 равна 6,0 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда разложится 50% N₂0.

56. Вычислить, во сколько раз изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру на 40⁰С? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

57. Реакция идет по уравнению:

4HCl(г) + О₂(г) 2H₂О(г) + 2Cl₂(г).

Как изменится скорость обратной реакции если

а) давление увеличить в 3 раза;

б) концентрацию HCl увеличить в 2 раза?

58. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при понижении температуры на 30⁰С скорость реакции, протекающей в газовой фазе, изменится в 81 раз?

59. Реакция идет по уравнению:

FeO(т) + СO(г) Fe(т) + CO₂(г).

Как изменится скорость обратной реакции если

а) давление увеличить в 3 раза;

б) концентрацию CO₂ увеличить в 7 раз?

60. Чему равен температурный коэффициент реакции, протекающей в газовой фазе, если при повышении температуры на 20⁰С, скорость реакции изменится в 4 раза?

 

Константа равновесия

 

Все химические реакции можно разделить на две группы: необратимые и обратимые реакции. Необратимые реакции протекают до конца – до полного израсходования одного из реагирующих веществ. Например, разложение нитрата аммония:

NH₄NO₃ ® 2H₂O + N₂O.

Обратимая реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Примером обратимой реакции может служить синтез иодоводорода:

H_2(г) + I_2(г) 2HI_(г).

В начале, при смешении исходных веществ, скорость прямой реакции велика, а обратной – равна нулю. Согласно закону действия масс выражение для скорости прямой реакции запишется следующим образом:

Исходные вещества в процессе реакции будут расходоваться, следовательно скорость прямой реакции будет уменьшаться. Одновременно появятся продукты реакции, их концентрация будет возрастать. Начнет идти обратная реакция, скорость которой будет увеличиваться:

 

Когда скорости прямой и обратной реакций станут одинаковыми, наступит химическое равновесие.

; = или

Отношение констант скоростей прямой и обратной реакции тоже представляет собой константу. Она называется константой равновесия данной реакции – K.

 

K = .

Отсюда окончательно:

Концентрации, приведенные в правой части этого выражения, называются равновесными концентрациями. Константа равновесия при постоянной температуре представляет собой постоянную величину.

Если записать обратимую реакцию в общем виде:

aA + bB cC + dD,

то константа равновесия выразится уравнением:

.

Если все компоненты реакции находятся в газообразном состоянии,то выражение константы равновесия можно записать через парциальные давления:

.

Уравнения константы равновесия показывают, что в данных условиях равновесия концентрации всех веществ, участвующих в реакции, связаны между собой. Изменение концентрации любого из этих веществ влечет за собой изменения концентраций всех остальных веществ; в итоге устанавливаются новые концентрации, но соотношение между ними вновь отвечает константе равновесия.

Разобранные примеры являются примерами гомогенного равновесия. В качестве примера гетерогенного равновесия рассмотрим реакцию разложения известняка:

CaCO_3(т) CaO_(т) + CO_2(г).

Простейшее выражение для константы равновесия этой реакции:

Концентрации чистых жидкостей и твердых веществ просто исключаются из выражений констант равновесия. (Однако они входят в нее неявным образом).

До тех пор пока твердые известняк и негашеная известь находятся в контакте с газом, их влияние на равновесие не изменится. Следовательно, члены CaCO₃ и CaO в выражении для константы равновесия остаются постоянными и могут быть включены в K. При этом получается новое выражение:

; .

Рассмотрим еще один пример – испарение воды:

H₂O_(ж) H₂O_(г).

Этот процесс может формально рассматриваться как химическая реакция. Запишем выражение константы равновесия:

.

Поскольку [ _(ж)] – постоянная величина (до тех пор пока в наличии имеется жидкая вода), можно включить ее в константу равновесия. Таким образом получается выражение:

; .

 

Принцип Ле-Шателье

 

Влияние изменения условий на положение равновесия определяется правилом, которое получило название принципа Ле Шателье.

Если на систему, находящуюся в истинном равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то из направлений процесса, которое ослабляет эффект этого воздействия, и положение равновесия сместится в том же направлении.

Система перейдет из одного состояния равновесия в другое, отвечающее новым условиям. Это происходит потому, что внешнее воздействие в разной степени изменяет скорость двух взаимнопротивоположных реакций.

Принцип Ле Шателье справедлив и для равновесных систем, не связанных с химическими превращениями (кипение, кристаллизация, равновесие и т.д.).