Примеры кинетических расчетов

Задача 1. Как изменится скорость химической реакции А(газ) + 2В(газ) ® С(газ) при повышении концентрации вещества А в 2 раза, давления в 2 раза.

Согласно закону действующих масс, скорость реакции можно выразить по формуле V₁ = k[A]^.[B]²

а) если повысить концентрацию А в 2 раза, то скорость будет равна V₂ = k[2A]^.[B]² = 2V₁. Скорость увеличится в 2 раза;

б) если повысить давление, то для газообразных веществ это равносильно повышению концентрации каждого из реагирующих веществ в 2 раза: V₃ = k[2A]^.[2B]² = 8k[A]^.[B]² = 8V₁. Скорость увеличится в 8 раз.

Задача 2. Скорость некоторой реакции при 0 ⁰С равна 1 моль/л^. час. Температурный коэффициент реакции равен 3. Какой будет скорость данной реакции при 30 ⁰С.

Решение: По правилу Вант-Гоффа V₂ = V₁^. = 1^.3³ = 27 моль/л ^.час

Химическое равновесие

Химическое равновесие – это динамическое состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакции равны, то есть сколько молекул продукта реакции образуется в единицу времени, столько же и расходуется на обратную реакцию.

Для того чтобы показать, насколько полно протекает прямая реакция до момента установления химического равновесия, используют константу равновесия реакции – Кр, которая численно равна произведению равновесных концентраций продуктов реакций в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, поделенному на произведение равновесных концентраций исходных веществ в соответствующих степенях.

Если записать уравнение реакции в виде:

nA + mB Û pC + gD , то Kp = , где [C]_р , [D]_р, [A]_р , [B]_р –равновесные концентрации веществ. Выражение выведено из закона действующих масс при условии V® = V.

В формуле учитываются только газообразные и растворенные вещества (если реакция идет в растворе).

Чем больше Кр, тем полнее идет прямая реакция. Если Кр > 1, то на момент установления равновесия большая часть исходных веществ превратилась в продукты; если Кр < 1, в продукты превратилась меньшая часть исходных веществ. Кр зависит от температуры и не зависит от концентрации исходных веществ.

Чтобы реакция на химических производствах проходила как можно полнее, необходимо сместить равновесие в сторону продукта.

Для того чтобы определить, как тот или иной фактор изменит равновесие в системе, используют принцип Ле-Шателье (1844г):

Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывает влияние внешний фактор (температура, давление, концентрации исходных веществ и продуктов реакции), то равновесие смещается в сторону уменьшения этого воздействия.

Катализатор не влияет на смещение равновесия, так как одинаково ускоряет как прямую, так и обратную реакции, с помощью катализатора можно ускорить момент наступления равновесия.

Для того, чтобы определить как внешнее воздействие повлияет на равновесие, нужно знать, как сама реакция изменяет свои параметры.

Например О₂ + 2SO₂ Û 2SO₃ + Q

Прямая реакция:

а) повышает температуру (+Q)

б) понижает давление (до реакции 2+1 моль газов, после реакции - 2 моль газов);

в) концентрации исходных веществ снижает;

г) концентрацию продукта увеличивает

Значит, все противоположные воздействия: понижение температуры, повышение давления, повышение концентраций исходных веществ, выведение из системы продукта, будут способствовать смещению равновесия в сторону прямой реакции.

Пример расчета

При определенной температуре в системе N₂ + 3H₂ Û 2NH₃ установилось равновесие при следующих концентрациях: N₂ - 0,1моль/л, H₂ - 0,15 моль/л, NH₃ - 0,02 моль/л. Найдите константу равновесия этой реакции и начальные концентрации исходных веществ. Найдите концентрацию азота в другой равновесной смеси при той же температуре, если концентрация в ней Н₂ - 0,2 моль/л, а NH₃ - 0,03 моль/л.

Решение: Запишем уравнение реакции и выразим Кр в общем виде: N₂ + 3H₂ Û 2NH₃, Кр = .

Найдем константу равновесия для первой смеси

Кр = 1,185.

Зная константу равновесия можно определить концентрацию азота во второй смеси [N₂] = моль/л

По уравнению реакции можно определить начальные концентрации исходных веществ: _{х моль y моль 0,02 моль}

N₂ + 3H₂ Û 2NH₃

По уравнению реакции 2 моль NH₃образуется из 1моль N₂ и 3 моль H₂

Составим пропорцию по уравнению и найдем количества молей N₂ и H₂ пошедших на образование 0,02 моля NH₃

х = моль N₂ (расход), y = моль/л H₂ (расход)

Начальные концентрации были:

С₀(N₂) = С_р(N₂) + С_расход(N₂) = 0,1+ 0,01 = 0,11 моль/л

С₀(Н₂) = С_р(Н₂) + С_расход(Н₂) = 0,15+ 0,03 = 0,18 моль/л

Рекомендуемая литература: [1], с.186-210; [2], с. 149-203.