I. Тема: Химическая кинетика и равновесие.

МОДУЛЬ 1

Элементы количественного анализа. Способы выражения концентрации растворов. Химическая термодинамика и кинетика.

Занятие № 4

I. Тема: Химическая кинетика и равновесие.

II.Актуальность темы: Положения химической кинетики, которая изучает скорости и механизмы реакций, с успехом применяются для изучения биохимических процессов. Особенности течения биохимических процессов зависят от катализаторов; эффективность действия лекарственных веществ может быть связана со скоростью химических реакций, возникающих при этом в организме. Изучением кинетических закономерностей поступления, распределения и выведения из организма чужеродных химических соединений ксенобиотиков - занимаются специальные науки: фармако- и токсикокинетика. Следовательно, изучение кинетики и механизма химических реакций имеет большое теоретическое и практическое значение не только в химии, но и в биологии и медицине.

III. Цель: Сформировать системный подход к рассмотрению кинетики химических процессов и научиться производить расчеты скоростей химических реакций.

IV. Исходный уровень:

1. Понятие о скоростях химических реакций, факторы, от которых они зависят.

2. Обратимые и необратимые реакции.

3. Понятие о состоянии химического равновесия.

V.Учебно – целевые вопросы:

1. Обратимые и необратимые химические реакции.

2. Химическое равновесие и качественные характеристики состояния

химического равновесия.

3. Закон действующих масс (ЗДМ).

4. Константа химического равновесия и ее связь с энергией Гиббса.

5. Определения направления протекания реакции по константе равновесия.

6. Зависимость энергии Гиббса и константы равновесия от температуры.

7. Принцип ЛеШателье – Брауна.

VI. После изучения темы студент должен

знать:

- химическое равновесие, способы расчета констант равновесия

уметь:

- интерпретировать гомогенные и гетерогенные реакции, порядок и молекулярность реакций;

- рассчитывать скорость химических реакций на основании закона действующих масс и при изменении температуры;

- интерпретировать константу скорости реакции, ее физический смысл;

- интерпретировать понятие энергии активации, теорию активных столкновений, уравнение Аррениуса;

- трактовать константу равновесия на основании закона действующих масс для равновесной системы и направление смещения равновесия по принципу Ле – Шателье.

Литература:

1. Ю.А.Ершов, В.А.Попков, А.С. Берлянд. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Под ред. Ершова Ю.А. 10 –е изд. перераб. и доп. 2014 г.560 с.

2. Попков В. А. Общая химия: учебник/ В. А. Попков, С. А. Пузаков. -М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. -976 с.: ил.

3.Учебное пособие по общей и неорганической химии для самостоятельной работы студентов 1 курса фармацевтического факультета. Оренбург, 2009.- с. 74 – 84.

 

Эталоны решения задач

Пример 1:

Определить как изменится скорость реакции , если общее давление в системе уменьшить в 5 раз.

Решение:

Уменьшение давления в системе в 5 раз вызовет увеличение объема в 5 раз, а концентрация реагирующих веществ уменьшается в 5 раз. Начальная скорость реакции равна:

После уменьшения давления в 5 раз:

Скорость реакции уменьшится в 125 раз.

 

Пример 2. Во сколькораз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры от = 10⁰C до = 80⁰С, если температурный коэффициент скорости g равен 2?

Решение.

Из правила Вант-Гоффа:

Скорость реакции увеличится в 128 раз.

 

 

Пример 3. Реакция образования йодистого водорода протекает по уравнению:

H_2(газ) + I_2(газ) ⇄ 2HI_(газ).

В каком направлении сместится равновесие, если:

а) увеличить концентрацию I₂?

б) уменьшить концентрацию HI?

в) увеличить давление?

 

Решение.

Увеличение концентрации I₂ и уменьшение концентрации HI приведет к сдвигу равновесия в сторону прямой реакции. Увеличение давления не вызовет сдвига равновесия.

Пример 4. При определенных условиях реакция хлороводорода с кислородом является обратимой:

4HCl_(Г) + O_2(Г) ↔ 2Cl_2(Г) + 2H₂O_(Г) + 116,4 кДж.

Какое влияние на равновесие системы окажут: а) увеличение давления; б) повышение температуры; в) введение катализатора?

Решение. 1. Все вещества в системе – газы. В соответствии с принципом Ле-Шателье повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, приводящей к меньшему количеству вещества газов, т.е. в сторону образования Cl₂ и Н₂О.

2.Поскольку прямая реакция – экзотермическая, то повышение температуры будет способствовать протеканию процесса с поглощением температуры, т.е. равновесие сместится в сторону протекания эндотермической реакции – образования HCl и O₂.

3.Катализатор в одинаковой степени ускоряет прямую и обратную реакцию, поэтому в его присутствии равновесные количества веществ не изменятся.

Пример 4. Как повлияет увеличение давления на химическое равновесие в обратимой системе: Fe₂O3(К) + 3H2(Г) ↔ 2Fe(К) + 3H2 O_(Г)?

Решение. В гетерогенной равновесной системе повышение давления должно привести к смещению равновесия в сторону реакции, приводящей к образованию меньшего количества веществ газов. Так как количество веществ газов, образующихся при протекании прямой и обратной реакции одинаковы, то изменение давления не приведет к смещению равновесия.

Задачи для самостоятельного решения

Вариант № 1

1. На сколько градусов необходимо повысить температуру, чтобы скорость реакции увеличилась в 64 раза? Температурный коэффициент скорости реакции gравен 2.

2. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций, протекающих в газовой фазе и подчиняющихся уравнениям:

а) при увеличении давления в системе в 2 раза?

б) при увеличении объемов газов в 2 раза?

3. Определите в какую сторону сместится равновесие реакции

N_{2 (г)}+ O_2(г) = NO_(Г) - Q

при:

а)повышении температуры б) повышения давления

 

 

Вариант № 2

1. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры от 10 до 70⁰С, если температурный коэффициент скорости gравен 2?

2.Скорость реакции выражается уравнением: Во сколько раз изменится скорость реакции при увеличении концентрации исходных веществ в 3 раза?

3. Определите в какую сторону сместится равновесие реакции

SO_{2 (г)}+ O₂ (г)= SO_{3 (г)} + Q

при:

а)повышении температуры б) повышения давления

 

Вариант № 3

1.Скорость реакции A_(тв)+ 2B_(газ)=C_(тв) выражается уравнением: Как изменится скорость реакции, если концентрацию B увеличить в 2 раза?

2. Скорость некоторой реакции при повышении температуры с 40 до 70⁰С увеличилась в 8 раз. Определить величину g.

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

2 H₂(г) + O₂(г) = 2 H₂О(ж) + 572 кДж

 

Вариант № 4

1. Скорость реакции 3A+B=C выражается уравнением: Во сколько раз изменится скорость прямой реакции:

а) при увеличении концентрации вещества A в 2 раза?

б) при одновременном уменьшении концентрации исходных веществ в 2 раза?

2. Скорость некоторой реакции при повышении температуры с 40 до 70⁰С увеличилась в 8 раз. Определить величину g.

3. Как влияют на равновесие в системе

, (ΔН<0)

а) понижение давления;

б) повышение температуры;

в) увеличение концентрации исходных веществ?

 

Вариант № 5

1. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций, протекающих в газовой фазе и подчиняющихся уравнениям:

при изотермическом увеличении давления в 2 раза?

2. На сколько градусов надо увеличить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 9 раз, если температурный коэффициент скорости g равен 3?

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

SO_{2 (г)}+ O₂ (г)= SO_{3 (г)} + Q

 

Вариант № 6

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

2. Как изменится скорость прямой реакции при уменьшении объема реакционного сосуда в 3 раза для следующих систем:

2NO_(г) + Cl_{2 (г)®}2NOCl_(г)

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

NO_(г) + O₂ (г)= NO₂ (г)+Q

Вариант № 7

1.При увеличении температуры от 10 до 50⁰С скорость реакции увеличилась в 16 раз. Определить температурный коэффициент скорости g.

2. Как изменится скорость прямой реакции при уменьшении объема реакционного сосуда в 3 раза для следующей системы:

а) H_{2 (г)}+Cl_{2 (г)}® 2HCl_(г

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

CO_(г) + O₂ (г)= CO₂(г)+Q

Вариант № 8

1. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры от 30 до 60⁰С, если температурный коэффициент скорости g равен 3?

2. Скорость реакции A_(тв)+ 2B_(газ)=C_(тв) выражается уравнением: Как изменится скорость реакции, если концентрацию B увеличить в 2 раза?

3. Оределите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

H_2(г) + I_2(г) = HI _(г)-Q

Вариант № 9

1. Чему равен температурный коэффициент скорости химической реакции g, если при увеличении температуры на 30⁰С скорость возрастает в 27 раз?

2.Как изменится скорость реакции в системе А_(г)+ 2В_(г)®АВ_{2 (г)} если концентрацию вещества А уменьшить в 2 раза, а концентрацию вещества В увеличить в 4 раза?

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

CO_(г) + O₂ (г)= CO₂(г)+Q

Вариант № 10

1.Во сколько раз возрастет скорость данной реакции 2NO + O₂ = 2NO₂ при увеличении давления в смеси исходных газов в два раза?

2. При увеличении температуры системы от 10 до 50⁰С скорость химической реакции увеличилась в 16 раз. Определить температурный коэффициент скорости реакции g.

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

NO_(г) + O₂ (г)= NO₂ (г)+Q

Вариант № 11

1. Во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении температуры на 25⁰С, если γ = 3?

2. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакций в системе 2SO₂(г) + O₂ = 2SO₃(г), если объем газовой смеси уменьшить в 3 раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

NO_2(г) = N₂O_4(ж) +Q

 

Вариант № 12

1. Вычислите по правилу Вант-Гоффа, во сколько раз увеличится скорость химической реакции при увеличении температуры на 20⁰С, если γ = 2,8.

2. Запишите кинетическое уравнение для следующих уравнений реакций:

А) S(тв) + O₂ (г) = SO₂ (г)

Б) 2SO₂ (г) + O₂ (г) = 2SO₃ (ж)

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

CaCO_3(тв) = CaO_(тв) + CO_2(г) -Q

Вариант № 13

1. Как изменится скорость химической реакции между азотом и водородом N₂(г) + 3H₂(г) 2NH₃(г), если, не изменяя температуру, уменьшить давление системы в 2 раза?

2. Во сколько раз уменьшится скорость химической реакции при уменьшении температура с 36^оС до 28^оС, если температурный коэффициент равен 2?

3. Действием каких факторов можно сместить равновесие в химической реакции N_2(г) + 6Li_(т) 2Li₃N_(т)+ 39 кДж/моль в сторону продуктов реакции?

Вариант № 14

1. Как изменится скорость химической реакции между кислородом и водородом 2Н₂(г) + О₂(г) 2H₂О (г), если, не изменяя температуру, уменьшить концентрацию исходных веществ в 4 раза?

2. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при изменении температуры от 35 до 75^оС, если температурный коэффициент равен 2?

3. Действием каких факторов можно сместить равновесие в сторону продуктов реакции С₂Н₄ + 3О₂ 2СО₂ + 2Н₂О? ∆Н < 0

 

Вариант № 15

1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции

А(г) + 2В(г) АВ₂ (г) при увеличении давления в 2 раза?

2.Во сколько раз уменьшится скорость химической реакции при уменьшении температура с 36^оС до 28^оС, если температурный коэффициент равен 2?

3. Действием каких факторов можно сместить равновесие в химической реакции N_2(г) + 6Li_(т) 2Li₃N_(т)+ 39 кДж/моль в сторону продуктов реакции?

Вариант № 16

1.Скорость химической реакции увеличилась в 81 раз при увеличении температуры на 30^оС. Определите величину температурного коэффициента

2. Во сколько раз возрастет скорость данной реакции 2NO + O₂ = 2NO₂ при увеличении давления в смеси исходных газов в два раза?

3. Как следует изменить концентрацию, температуру и давление в реакции горения углерода, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции?

Вариант № 17

1.Во сколько раз возрастет скорость данной реакции 2SO₂ + O₂ = 2SO₃ при увеличении давления в смеси исходных газов в два раза?

2.Скорость химической реакции увеличилась в 81 раз при увеличении температуры на 30^оС. Определите величину температурного коэффициента.

3.Действием каких факторов можно сместить равновесие в сторону прямой химической реакции Fe_(т) +2HCl_(ж) FeCl_2(ж) + Н_2(г)? ∆Н > 0

Вариант № 18

1.Во сколько раз возрастет скорость данной реакции 2SO₂ + O₂ = 2SO₃ при увеличении концентрации реагирующих веществ в два раза?

2. Чему равен температурный коэффициент, если при увеличении температуры на 30^оС скорость химической реакции возрастает в 27 раз?

3. Определите в какую сторону сместится равновесие при:

а)повышении температуры б) повышения давления

NO_2(г) = N₂O_4(ж) +Q