Дидактический материал: "Скорость химических реакций"

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Средняя скорость химической реакции υ – это изменение концентрации ∆ С (С2 – С1) реагирующих или образующихся веществ в единицу времени ∆ СΔ τ (τ2 – τ1).  υ = ± τΔ . Скорость реакции выражается в моль/(л∙с), моль/ (л∙мин.),   моль/(л∙час).   Единица   измерения   времени   зависит   от   скорости протекания   реакции.   Скорость   химической   реакции   –   величина положительная. Знак «минус» в правой части равенства ставят потому, что концентрация   исходных   веществ   при   протекании   химической   реакции уменьшается (∆ С < 0). Если скорость реакции определяют по  изменению концентрации продуктов реакции, то в правой части уравнения ставят знак «плюс», так как концентрация продуктов реакции увеличивается (∆ C > 0). С – молярная концентрация – количество вещества, содержащегося в единице   V  , где ∆ ν объема, моль/л. Следовательно: С =  V – изменение   количества   вещества,   участвующего   в   реакции,   V   –   объем системы (п р и м е р 1).  , а ∆ С =  V , тогда υ = Закон   действующих   масс:  при   данной   температуре   скорость химической   реакции   прямо   пропорциональна   произведению   молярных концентраций   реагирующих   веществ   в   степени   их   стехиометрических коэффициентов. фазе, не включаются в уравнение закона действующих масс: Так, для гомогенной реакции: mA + nB = pD (2NO(г) + О2(г) = 2NO2(г)) математически закон выражается так: υ = k[A]m ∙ [B]n (υ = k[NO]2 ∙ [O2]) Для гетерогенной реакции концентрации веществ, находящихся в твердой mA(тв.) + nB(г) = pD(тв.) (4Aℓ(тв.) + 3О2(г) = 2Aℓ2O3) υ = k[B]n (υ = k[O2]3), где k – константа скорости химической реакции, равная скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице. Она зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации реагирующих веществ; [A], [B] – молярные концентрации реагирующих веществ; m, n – стехиометрические коэффициенты (коэффициенты реакции). (П р и м е р  2.) Правило   Вант­Гоффа:  при   повышении   температуры   на   каждые десять градусов скорость химической реакции увеличивается в 2–4 раза: υ(t2) = υ(t1) ∙  1 2  t 10 t  , где  υ(t1)   и  υ(t2)   –   скорости   реакции   при   температурах   t1  и   t2, γ – температурный коэффициент. Из   определения   скорости   химической   реакции   следует,   что  скорость реакции обратно пропорциональна времени реакции, следовательно:   )t( 2 )t( 1   1  2 . (П р и м е р ы   3   и   4.) П р и м е р  1. В сосуде объемом 2 л смешали хлор количеством вещества 4,5 моль   и   водород   количеством   вещества   3 моль.   Сосуд   оставлен   на рассеянном   свету   при   постоянной   температуре.   Через   2 с   в   реакционной системе образовался хлороводород количеством вещества 1 моль. Определите среднюю скорость реакции и количества веществ хлора и водорода, которые не прореагировали. Решение. Cℓ2 + H2 = 2HCℓ 1 моль 1 моль 2 моль 1.   Определяем   количество   вещества   хлора,   вступившего   в   реакцию.   Из уравнения реакции следует, что: 1 ∆ ν (Cℓ2) =  2 2. Аналогично получаем для водорода: ∆ ν (HC ), тогда ∆  ℓ ν (Cℓ2) = –0,5 моль. 1 ∆ ν (Н2) =   2 3. Вычисляем среднюю скорость реакции за данный промежуток времени: ∆ ν (HC ), тогда ∆  ν (Н2) = –0,5 моль. ℓ   V )Cl ( 2    5,0 с2л2 моль   125,0 моль  сл υ = 4. Определяем количества веществ хлора и водорода, которые не вступают в реакцию: ν2(Cℓ2) = ν1(Cℓ2) + ∆ ν(Cℓ2), ν2(Cℓ2) = 4,5 – 0,5 = 4 (моль), ν2(Н2) = ν1(Н2) + ∆ ν(Н2), ν2(Н2) = 3 – 0,5 = 2,5 (моль). П р и м е р 2. Окисление серы и оксида серы (IV) протекает по уравнениям: а) S(тв.) + О2(г) = SO2(г),б) 2SO2(г) + О2(г) = 2SO3(г). Как   изменятся   скорости   этих   реакций,   если   объемы   каждой   из   систем уменьшить в четыре раза? Решение. а) S(тв.) + О2(г) = SO2(г) (гетерогенная реакция). Обозначим концентрацию кислорода: [O2] = a. 1.   Согласно   закону   действующих   масс   скорость   реакции   до   изменения объема равна: υ1 = k[O2] = ka. 2. Скорость реакции после уменьшения объема (вследствие уменьшения объема концентрация кислорода увеличится в четыре раза): υ2 = k[4а] = 4ka. 3. Определяем, во сколько раз возрастает скорость реакции:   Следовательно, скорость реакции увеличится в 4 раза.  2   1 ka4 ka = 4. б) 2SO2(г) + О2(г) = 2SO3(г) (гомогенная реакция). Обозначим концентрации реагирующих веществ: [O2] = a, [SO2] = в. 1. Скорость реакции до изменения объема равна: υ1 = k[O2] ∙ [SO2]2 = k a в2. 2. Скорость реакции после уменьшения объема равна: υ2 = k(4a) ∙ (4в)2 = k 4a ∙ 16в2 = 64 k a в2. 3. Определяем, во сколько раз возрастет скорость реакции:   1 Следовательно, скорость реакции увеличится в 64 раза. П р и м е р 3. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 30 до 70° С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2. вka вka 2 = 64. 64 2 2 Решение. По правилу Вант­Гоффа: υ(t2) = υ(t1) ∙  По условию задачи требуется определить υ(t2) / υ(t1). Подставим данные в 2  t 10 t  . 1 формулу и решим задачу: t   t 2 10 70 30  10 1  2 = 24 = 16.  )t( 2  )t( 1 Следовательно, скорость реакции увеличится в 16 раз. П р и м е р 4. Реакция при температуре 30° С протекает за 2 мин 15 с. Вычислите,   за   сколько   времени   закончится   эта   реакция   при   60° С,   если температурный коэффициент скорости равен 3. Решение. 1. По правилу Вант­Гоффа вычисляем, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры с 30 до 60° С: 60 30  10 t   t 2 10 1  3  )t( 2  )t( 1 то есть скорость реакции увеличится в 27 раз. 2.   Вычисляем   время,   за   которое   произойдет   реакция   при   температуре = 33 = 27, 60° С. По определению скорости реакции:   С  1   С  υ(t1) =  то   есть   скорость   реакции   обратно   пропорциональна   времени   реакции, , υ(t2) =  2 следовательно:  )t( 2  )t( 1   1  2  )t( 1  )t( 2 1 = 135 ∙  27 = 5 (с). Отсюда получаем: ∆ τ2 = ∆ τ1  (∆ τ1 = 2 мин 15 с = 135 с.) Реши самостоятельно: 1. Химическая реакция протекает в растворе согласно уравнению А + В = С. Исходные концентрации: А – 0,80 моль/л, В – 1,00 моль/л. Спустя 20 мин концентрация   А   снизилась   до   0,78 моль/л.   Определите   среднюю   скорость реакции и концентрацию вещества В, которое не прореагировало. (0,001 моль/ (л ∙ мин.), 0,98 моль/л.) 2. Реакция протекает по уравнению А + В = 2С. Начальная концентрация вещества А равна 0,22 моль/л, а через 10 с – 0,215 моль/л. Вычислите среднюю скорость реакции. Как изменилась за это время концентрация вещества В? 3.   В   сосуде   объемом   10 л   исходные   количества   оксида   углерода (II)   и кислорода   равны   и   составляют   по   2 моль.   Через   4 с   образовался   оксид углерода (IV), количество вещества которого составило 0,8 моль. Определите среднюю скорость реакции по кислороду и количества веществ оставшихся в сосуде газов СО и О2.(υ ср.  = 0,01 моль/(л ∙ с),  ν (О2) = 1,6 моль,  ν (СО) = 1,2 моль.) 4. Как изменится скорость реакции 2NO + O2  = 2NO2, если уменьшить объем реакционного сосуда в 3 раза? (В 27 раз.) 5. Определите, во сколько раз увеличится скорость реакции N2 + O2 = 2NO, если увеличить количества веществ азота и кислорода в реакционной системе в два раза при постоянном объеме. (В 4 раза.) 6. Определите, во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В = А2В, если концентрацию вещества А увеличить в 2 раза, и концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза. (В 2 раза.) 7.   Через   некоторое   время   после   начала   реакции   3А   +   В   =   2С   +   D концентрации   веществ   составляли:   [A]   =   3 моль/л,   [B]   =   1 моль/л,   [C]   = 0,8 моль/л. Определите исходные концентрации веществ А и В. ([A] исх. = 4,2 моль/л, [B] исх. = 1,4 моль/л.) 8. В системе СО + Cℓ2  = COCℓ2  концентрацию СО увеличили от 0,3 до 1,2 моль/л, а концентрацию хлора – от 0,2 до 0,6 моль/л. Найдите, во сколько раз возрастет скорость реакции. (В 12 раз.) 9. Найдите значение константы скорости реакции А + В = АВ, если при концентрациях   веществ   А   и   В,   равных   соответственно   0,5   и   0,1 моль/л, скорость реакции равна 0,005 моль/(л∙с). (0,1 моль/(л∙с).) 10. Реакция идет по уравнению Н2 (г) + I2 (г) = 2HI (г). Константа скорости этой   реакции   равна   0,16 моль/(л∙с).   Исходные   концентрации   реагирующих веществ: [H2] = 0,4 моль/л, [I2] = 0,5 моль/л. Вычислите начальную   скорость реакции   и    скорость    ее,   когда   [H2]   =   0,3   моль/л. (0,032 моль/(л∙с); 0,0192 моль/(л∙с).) 11.   Реакция   идет   по   уравнению   N2  +   3H2  =   2NH3.   Концентрации участвующих в ней веществ были: [N2] = 0,80 моль/л, [H2] = 1,5 моль/л, [NH3] = 0,10 моль/л.  Вычислите  концентрации   водорода   и  аммиака,  когда [N2] = 0,5 моль/л. ([NH3] = 0,7 моль/л, [H2] = 0,60 моль/л.) 12.   Вычислите,   как   изменится   скорость   реакции:   а)   при   повышении температуры   на   30° С;   б)   при   понижении   температуры   на   20° С,   если температурный   коэффициент   скорости   реакции   равен  3. (а)   увеличится  в 27 раз; б) уменьшится в 9 раз.) 13. Определите, на сколько градусов следует повысить температуру, чтобы скорость   реакции   возросла   в   8 раз,   если   температурный   коэффициент скорости реакции равен 2. (∆t = 30° С.) 14. При 20° С скорость реакции равна 0,04 моль/(л∙с). Определите скорость этой реакции при: а) 40° С, б) 10° С, в) 0° С. Температурный коэффициент скорости  реакции  равен  2.  (а)  0,16;  б) 0,02; в) 0,01 моль/(л∙с).) 15. Реакция при температуре 150° С протекает за 16 мин. Вычислите, за сколько   времени   закончится   эта   реакция:   а)   при   200° С,   б) при   80° С. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,5. (а) 9,8 с; б) 162 ч 46 мин.) 16. При температуре 30° С реакция протекает за 25 мин, при 50° С – за 4 мин.  Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции. (2,5.)