2h2 o2 2h2o кинетическое уравнение

Химическая кинетика. Химическое равновесие

4. Напишите кинетические уравнения следующих реакций:

б) 2NOCl(г) = 2NO(г) + Cl₂(г)

Объясните причину несовпадения молекулярности и порядка реакции.

Решение.

Кинетические уравнения отражают взаимосвязь между концентрациями исходных веществ, находящихся в одной фазе, и скоростью реакции. Теоретической основой для написания кинетических уравнений является закон действующих масс (ЗДМ), согласно которому скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам. В соответствии с ЗДМ кинетические уравнения рассматриваемых реакций выглядят следующим образом:

V=k*C(O₂), где V – скорость реакции, k – константа скорости реакции, C(O₂) – концентрация кислорода, моль/л

V=k*C(NOCl) 2 , где V – скорость реакции, k – константа скорости реакции, C(NOCl) – концентрация NOCl, моль/л

V=k*C(C₁₂H₂₂O₁₁)*C(H₂O), где V – скорость реакции, k – константа скорости гидролиза сахарозы C₁₂H₂₂O₁₁, C(C₁₂H₂₂O₁₁) – концентрация сахарозы в водном растворе ,моль/л, С (Н₂О) –концентрация воды, моль/л.

V=k*C(NO) 2 *C(H₂), где V – скорость реакции, k – константа скорости, C(NO) – концентрацияNO,моль/л, С (Н₂) –концентрация водорода, моль/л.

1.Причина несовпадения молекулярности и порядка реакции

Молекулярность реакции определяется числом частиц реагентов, взаимодействующих друг с другом в одной элементарной (простой) реакции и превращающихся в продукты.

Порядок реакции по данному веществу — показатель степени при концентрации этого вещества в кинетическом уравнении реакции. Основными причинами несовпадения молекулярности и порядка реакции могут являться: простое несовпадение ( поскольку молекулярность- характеризует механизм, а порядок — кинетику реакции),
наличие избытка одного из исходных веществ, гетерогенность реакции, ее ступенчатый характер.

5. Установите, как изменится скорость химической реакции

а) уменьшить объем реакционной смеси в 2 раза;

б) уменьшить давление в 2 раза;

в) увеличить концентрации исходных веществ в 2 раза.

Решение.

Составим кинетическое уравнение реакции:

2.После уменьшения объема реакционной смеси в 2 раза концентрации реагентов увеличатся тоже в два раза. Тогда кинетическое уравнение примет вид:

Как видно из расчетов, после уменьшения объема реакционной смеси в 2 раза скорость реакции возрастет в 8 раз.

Уменьшение давления в 2 раза приведет к соответствующему уменьшению концентраций реагентов. Кинетическое уравнение примет вид:

Из расчетов следует, что после уменьшения давления реакционной смеси в 2 раза скорость реакции уменьшится в 8 раз.

Увеличение концентраций исходных веществ в 2 раза приведет к эффекту, аналогичному при соответствующем уменьшении объема системы:

Т.о, после увеличения концентраций исходных веществ в 2 раза скорость реакции возрастет в 8 раз

6. Объясните, как влияет повышение температуры, давления и концентрации исходных веществ на экзотермическую реакцию синтеза аммиака из простых веществ.

Запишем уравнение реакции синтеза аммиака из простых веществ:

N_{2 (г)}+3H_2(г)=2NH_3(г) 0

Данная реакция является обратимой, гомогенной (все реагенты – газы,), протекает с уменьшением объема (в реакцию вступает 4 объема исходных газов-реагентов, получается 2 объема газообразного продукта).

Повышение температуры, давления и концентрации исходных веществ будет влиять на рассматриваемую реакцию в соответствии с законом Ле-Шателье:

Если на систему, находящуюся в химическом равновесии, подействовать извне, то равновесие сместится в сторону реакции, компенсирующей внешнее воздействие.

Повышение температуры будет смещать равновесие в сторону обратной эндотермической реакции, протекающей с поглощением тепла.

Повышение давления будет смещать равновесие в сторону прямой реакции, протекающей с уменьшением объема реакционной смеси, т.е., с уменьшением давления.

1. Повышение концентраций исходных веществ(азота и водорода) будет смещать равновесие в сторону прямой реакции, ведущей к уменьшению этих концентраций.

6.Таким образом, из рассмотренных факторов повышение давления и концентраций исходных веществ будет благоприятно влиять на экзотермическую реакцию синтеза аммиака из простых веществ, способствовать увеличению ее выхода. Напротив, повышение температуры будет способствовать уменьшению выхода прямой реакции.

7. В биологическом полимере (белке) имеет место следующее превращение:

нативное состояние ↔ денатурированное состояние,

Причем при повышении температуры равновесие сдвигается вправо.

Сделайте вывод об энтальпии реакции (принцип Ле-Шателье).

Решение.

1.Принцип Ле-Шателье гласит: Если на систему, находящуюся в химическом равновесии, подействовать извне, то равновесие сместится в сторону реакции, компенсирующей внешнее воздействие.

2. В соответствии с этим принципом при повышении температуры равновесие сдвигается в сторону эндотермической реакции, протекающей с поглощением тепла, т.е., с увеличением энтальпии реакции.

3. Поскольку, согласно условию, при повышении температуры равновесие сдвигается вправо , то прямая реакция (идущая вправо) – эндотермическая:

нативное состояние ↔ денатурированное состояние, >0

Растворы

8. Раствор содержит 20 г глюкозы в 100 г воды.

Вычислите давление насыщенного пара растворителя над раствором при температуре 15 о С, если давление пара чистой воды при этой же температуре равно 23,75 мм рт. ст.

Рассчитайте молярную долю растворителя.

Решение

Рассчитаем молярные доли растворенного вещества и растворителя:

1.1.

,

Где -количество вещества глюкозы, рассчитывается по формуле:

20/180=0,11 моль

— количество вещества воды, рассчитывается по формуле

100/18=5,56 моль.

Тогда =0,11/(0,11+5,56)=0,02.

1.2.Молярную долю растворителя, , рассчитаем на основании соотношения:

=1,

тогда =1-

Согласно закону Рауля, давление насыщенного пара растворителя над раствором пропорционально молярной доле растворителя:

,

где — давление пара чистого растворителя (воды), — мольная доля чистого растворителя (воды). Подставляя данные задачи и расчетов, получаем:

=23,75*0,98=23,275 мм рт.ст.

9. Водный раствор одноатомного спирта, содержащий 0,874 г вещества в 100 мл воды, замерзает при температуре -0,354 о С.

Рассчитайте относительную молекулярную массу спирта и установите его формулу.

Решение.

1. Согласно закону Рауля понижение температуры кристаллизации раствора по отношению к чистому растворителю прямо пропорционально моляльной концентрации растворенного вещества:

ΔТзам.= Тзам (растворителя)- Тзам (раствора)=KС_m (1)

где Сm– моляльная концентрация раствора; К – криоскопическая постоянная. Для воды К=1,86° .

В соответствии с условием задачи ΔТзам.=0 о С-(-0,354 о С)=0,354 о С.

2. Из выражения (1) найдем моляльную концентрацию растворенного вещества:

С_m= ΔТзам/К=0,354/1,86=0,19 моль/кг

3.Согласно определению для моляльной концентрации:

,

Отсюда =0,874/(0,19*0,1)=46 г/моль

3. Общая формула предельных одноатомных спиртов –С_nH_2n+1OH. ., тогда молярную массу спирта можно выразить следующим образом:

М(R-OH)=14n+18=46, 14n=28, n =2. Следовательно, формула спирта – С₂H₅OH- этанол.

10. Осмотическое давление раствора объемом 250 мл, в котором содержится 20 г гемоглобина, равно 2855 Па (при 4 о Сили 277 К).

Установите молярную массу гемоглобина.

Решение.

1. Согласно закону Вант-Гоффа осмотическое давление раствора прямо пропорционально молярной концентрации растворенного вещества:

Из выражения (1) найдем величину См:

См= Р_осм/(1000*R*T)=2855/(1000*8,314*277)=0,00124 моль/л

2. Согласно определению молярная концентрация находится по формуле(2):

, отсюда =20/(0,00124*0,25)=64516 г/моль.

11.Водный раствор NaOH кипит при температуре 102,65 о С. Кажущаяся степень ионизации электролита равна 70%.

Определите массу NaOH, растворённую в 100 г воды.

Решение

1.Согласно закону Рауля повышение температуры кипения раствора по отношению к чистому растворителю прямо пропорционально моляльной концентрации растворенного вещества. Для растворов электролитов закон Рауля выглядит следующим образом (1):

ΔТкип. = i*Кэ*Сm, ( 1)

где i – поправочный изотонический коэффициент, Кэ – эбуллиоскопическая постоянная растворителя; для воды Кэ =0,52°; Сm –моляльная концентрация раствора; ΔТкип. = Ткип р-ра – Ткип.р-рителя. Согласно условию задачи ΔТкип=2,65°

Найдем величину i:

где α- кажущаяся степень ионизации электролита, согласно условию равна 0,7

n – количество ионов, на которые распадается в растворе 1 молекула электролита:

Т.О., для гидроксида натрия n=2. Тогда :

Из выражения (1) найдем величину Сm :

Сm= ΔТкип/( i*Кэ)=2,65/(1,7*0,52)=3 моль/кг

Масса NaOH, растворённая в 100 г воды, определяется по формуле (2):

m(NaOH)= Сm*M(NaOH)*100/1000 (2),

где M(NaOH)=40 г/моль.

Подставляя результаты расчетов в формулу (2), получаем:

11. Раствор, содержащий 2,1 г КОН в 250 мл воды, замерзает при -0,514 о С.

Рассчитайте изотонический коэффициент и кажущуюся степень диссоциации.

Решение

Согласно закону Рауля понижение температуры замерзания раствора по отношению к чистому растворителю прямо пропорционально моляльной концентрации растворенного вещества. Для растворов электролитов закон Рауля выглядит следующим образом (1):

где i – поправочный изотонический коэффициент; К – криоскопическая постоянная растворителя; для воды К =1,86°; Сm –моляльная концентрация раствора; ΔТзам. = Тзам.р-рителя –Тзам. р-ра . Согласно условию задачи ΔТзам=0,514°

Найдем величину Сm. Согласно определению для моляльной концентрации:

=2,1/(56*0,25)=0,15 моль/кг

2.Из выражения (1) найдем величину изотонического коэффициента:

I = ΔТзам./( К*Сm)= 0,514/(1,86*0,15)=1,84

3.Изотонический коэффициент и кажущаяся степень диссоциации связаны соотношением (2):

где α- кажущаяся степень ионизации электролита, n – количество ионов, на которые распадается в растворе 1 молекула электролита:

Для гидроксида калия n=2.

Выразим величину α:

12. Осмотическое давление 0,5 М раствора карбоната калия равно 2726 кПа при 0 о С.

Вычислите кажущуюся степень диссоциации K₂CO₃ в растворе.

Решение

1.Согласно закону Вант-Гоффа для электролитов осмотическое давление раствора прямо пропорционально молярной концентрации растворенного вещества:

где i – изотонический коэффициент

Найдем величину i:

Изотонический коэффициент связан с кажущейся степенью ионизации соотношением :

где α- кажущаяся степень ионизации электролита,

n – количество ионов, на которые распадается в растворе 1 молекула электролита:

Для карбоната калия n=3.

Выразим величину α:

Буферные системы

13. В состав крови входит буферная система, состоящая из двух анионов.

Приведите формулы её составных частей.

Назовите эту буферную систему.

Классифицируйте её по составу и природе компонентов.

Укажите зону буферного действия.

Напишите уравнения реакций, отражающих механизм действия (ионная форма).

Ответ

1. Важнейшими буферными системами крови являются бикарбонатная, фосфатная, белковая и наиболее мощная гемоглобиновая. Из этих систем только фосфатная состоит из двух анионов: Н₂РО₄ – (донор протонов) и НРО₄ 2– (акцептор протонов). Фосфатная буферная система составляет всего лишь 1% от буферной емкости крови. В других тканях эта система является одной из основных.

2. Роль кислоты в этой системе выполняет однозамещенный фосфат NaH₂PO₄, а роль соли двузамещенный фосфат – Na₂HPO₄.

3. Зона буферного действия буферной пары (Н₂РО₄ – –НРО₄ 2– )находится в интервале от 6,2 до 8,2.

4. Буферное действие фосфатной системы основано на возможности связывания водородных ионов ионами НРО₄ 2– с образованием Н₂РО₄ – :

а также ионов ОН – с ионами Н₂РО₄ – :

14. Аммиачная буферная система состоит из двух составных частей.

Классифицируйте её по составу и природе компонентов.

Укажите интервал значений рН, внутри которого эта система обладает буферной емкостью.

Напишите уравнения реакций, отражающих механизм её действия (ионная форма).

Объясните, почему аммиачная буферная система не входит в состав крови.

Решение

1.Состав и природа компонентов:

А)NН₄ОН (NН₃ х Н₂О)-гидроксид аммония, слабый электролит

Б) NН₄С1 – соль, хлорид аммония, сильный электролит.

Гидроксид аммония — слабый электролит, в растворе частично диссоциирует на ионы:

При добавлении к раствору гидроксида аммония хлорида аммония, соль как сильный электролит практически полностью диссоциирует на ионы:

и подавляет диссоциацию основания, равновесие которого смещается в сторону обратной реакции.

Интервал значений рН, внутри которого рассматриваемая система обладает буферной емкостью,рассчитывается по формуле:

,

где Кв – константа диссоциации NН₄ОН=1,8*10 -5 , С₀-концентрация основания, Сс-концентрация соли.

рН=14-4,74+lg(C₀/Cc)=9,26+lg(C₀/Cc). В зависимости от соотношения C₀/Cc интервал значений рН составляет 8,26-10,26.

Способность аммиачного буфера поддерживать практически постоянное значение рН раствора основана на том, что входящие в них компоненты связывают ионы Н+ и ОН-, вводимые в раствор или образующиеся в результате реакции, протекающей в этом растворе. При добавлении к аммиачной буферной смеси сильной кислоты, ионы Н+ будут связываться молекулами или гидроксида аммония, а не увеличивать концентрацию ионов Н+ и уменьшать рН раствора:

При добавлении щелочи ионы ОН — будут связывать ионы NН₄ + , образуя при этом малодиссоциированное соединение, а не увеличивать рН раствора:

Аммиачная буферная система не входит в состав крови, поскольку интервал значений рН, внутри которого она будет обладать буферной емкостью, находится в щелочной области (рН больше 8). Нормальное значение рН плазмы крови составляет 7,40 ± 0,05, т.е ниже области буферирования.

15. В 200 мл фосфатного буферного раствора содержится 0,8 моль кислотного компонента (Н₂РО₄ — ) и 1,6 моль солевого компонента (НРО₄ 2– ).

Установите рН буферного раствора.

Объясните, входит ли рассчитанное значение рН в ЗБД (рН: 6,2 – 8,2).

К_и (Н₂РО₄ — ) = 6,2×10 -8 моль/л; lg 2 = 0,3; lg 6,2 = 0,79.

Классифицируйте буферную систему по составу и природе компонентов.

Решение.

Подставим данные задачи в формулу для расчета рН фосфатного буфера:

=-lg(6,2×10 -8 ) +lg(1,6/0,8)=7,51

Рассчитанное значение рН входит в зону буферного действия( ЗБД) рН: 6,2 – 8,2

Фосфатная буферная система является кислотно-основной буферной системой, образованной анионами двух кислых солей

16. Концентрация ионов водорода в крови больного равняется 2,46∙10 -8 моль/л.

Рассчитайте рН крови (lg 2,46 = 0,39).

Назовите состояние, возникающее при данном нарушении КОС.

Укажите, чем характеризуется это состояние с точки зрения протолитического гомеостаза.

2. При данном нарушении КОС (рН> 7,4) возникает алкалоз

3. Под протолитическим гомеостазом принято понимать относительное постоянство соотношения кислота-основание внутренней среды живого организма. С точки зрения протолитического гомеостаза алкалоз — увеличение рН в крови (и других тканях организма) за счёт накопления щелочных веществ. Алкалоз может возникать вследствие гипервентиляции лёгких, приводящей к избыточному выведению СО₂ из организма, вследствие больших потерь кислого желудочного сока при желудочных свищах, при длительном приёме диуретиков, при избыточном введении бикарбоната натрия с целью коррекции метаболического ацидоза или нейтрализации повышенной кислотности желудочного сока. При алкалозе уменьшается мозговой и коронарный кровоток, снижаются артериальное давление и минутный объем крови. Возрастает нервно-мышечная возбудимость, возникает мышечный гипертонус вплоть до развития судорог и тетании. Нередко наблюдается угнетение моторики кишечника и развитие запоров; снижается активность дыхательного центра. Для алкалоза характерно снижение умственной работоспособности, головокружение, могут возникать обморочные состояния.

Комплексные соединения

17. Определите заряд комплексообразователя и его координационное число в комплексном ионе [Fe(C₂O₄)₂(OH)₂] 3- .

Изобразите графически его структурную формулу.

Классифицируйте этот ион по природе лигандов.

Напишите выражение константы нестойкости.

Пусть заряд иона-комплексообразователя Fe =(Х+). Заряды лигандов равны:(C₂O₄) 2- , (OH) — . Составим уравнение баланса зарядов:

Т.О. заряд комплексообразователя: Fe +3

Координационное число -число связей, образованных комплексообразователем, с лигандами. В данном ионе к.ч. железа равно 6, т.к. 4 связи железо образует с двумя двухвалентными группами C₂O₄ и две связи – с двумя одновалентными группами ОН)

1. Структурная формула комплексного иона:

2. Данный ион содержит различные по природе лиганды: оксалат – ион и нидроксид – ион. Т.о. комплексный ион является ацидокомплексом (за счет оксалатов – кислотных остатков щавелевой кислоты) и гидроксокомплексом ( за счет гидроксильных групп).

3. Выражение константы нестойкости:

18. Напишите формулу комплексного соединения, имеющего название: хлорид гексаамминхрома (III).

Изобразите графически структурную формулу внутренней сферы.

Классифицируйте соединение по заряду комплексной частицы, по электропроводности, по природе ионов внешней сферы и по природе лигандов.

Рассчитайте координационное число комплексообразователя.

Напишите выражение константы нестойкости.

1. Хлорид гексаамминхрома (III) имеет молекулярную формулу:

2. Cтруктурная формула внутренней сферы:

По заряду комплексной частицы хлорид гексаамминхрома является катионным комплексом; по электропроводности –сильным электролитом, по природе ионов внешней сферы-хлоридом, по природе лигандов –аммиакатом

Координационное число комплексообразователя равно 6

Выражение константы нестойкости:

[Cr(NH₃)₆] 3+ ↔ Cr 3+ +6 NH₃

19. Рассчитайте DG процесса [Fe(CN)₆] 4- ↔ Fe 2+ + 6CN — , если К_н в стандартных условиях равна 10 -35 .

Изобразите графически структурную формулу комплексной частицы.

Классифицируйте её по природе лигандов.

Напишите выражение константы нестойкости.

Изменение свободной энергии Гиббса ΔG и константа равновесия связаны соотношением:

Подставляя данные задачи и учитывая, что стандартные условия соответствуют Т=298 К,получаем:

ΔG=-8,31*298 *ln10 -35 =-2,3*8,31*298*lg10 -35 =-2,3*8,31*298*(-35)=199349 дж=199,349 кДж

Структурная формула комплексной частицы:

3.По природе лиганда данное соединение является ацидокомплексом, т.к. CN — — кислотный остаток синильной кислоты

4. Выражение константы нестойкости:

Физико-химия коллоидно-дисперсных систем и растворов ВМС

20. Напишите коллоидно-химические формулы мицелл золей полученных по реакциям:

А) AgNO₃ + KI ®

В) FeCl₃ + NaOH ®

Приведите строение мицелл.

Примечания:

В вариантах А – В необходимо написать формулы мицелл в избытке каждого из исходных веществ.

2.Коллоидно-химические формулы мицелл золей:

А) AgNO₃ + KI ®AgI↓+К NO₃

Состав мицеллы, полученной при избытке AgNO_3, может быть представлен следующим образом:

Ядро — m AgI *nAg + ; адсорбционный слой противоионов -(n-x) NO₃ — ; диффузный слой противоионов — х NO₃ — .

Состав мицеллы, полученной при избытке KI_, может быть представлен следующим образом:

[m AgI *nI — *(n-x) К + ] x — *х К +

Ядро — m AgI *nI — ; адсорбционный слой противоионов -(n-x) К + ; диффузный слой противоионов — х К + .

Состав мицеллы, полученной при избытке CaCl_2, может быть представлен следующим образом:

[m Са C₂O₄ *nCa 2+ *2(n-x) Cl — ] 2 x + *2х Cl —

Ядро — m Са C₂O₄ *nCa 2+ ; адсорбционный слой противоионов 2(n-x) Cl — ; диффузный слой противоионов — 2х Cl —

Состав мицеллы, полученной при избытке H₂C₂O_4, может быть представлен следующим образом:

[m Са C₂O₄ *nC₂O₄ 2- *2(n-x) H + ] 2 x — *2х H +

Ядро — m Са C₂O₄ *nC₂O₄ 2- ; адсорбционный слой противоионов 2(n-x) H + ; диффузный слой противоионов — 2х H +

В)FeCl₃ + 3NaOH ®Fe(OH)₃↓ +3NaCl

Состав мицеллы, полученной при избытке FeCl_3, может быть представлен следующим образом:

[m Fe(OH)₃*nFe 3+ *3(n-x) Cl — ] 3x+ *3х Cl —

Ядро — m Fe(OH)₃*nFe 3+ ; адсорбционный слой противоионов 3(n-x) Cl — ; диффузный слой противоионов — 3х Cl —

Состав мицеллы, полученной при избытке NaOH_, может быть представлен следующим образом:

[m Fe(OH)₃*nОН — * (n-x) Na + ] x- *х Na +

Ядро — m Fe(OH)₃*n ОН — ; адсорбционный слой противоионов (n-x) Na + ; диффузный слой противоионов — х Na +

Г) FeCl₃ + 2H₂O ® Fe(OH)₂Cl+ 2HCl

Состав мицеллы, полученной при гидролизе хлорида железа_, может быть представлен следующим образом:

Ядро — m Fe(OH)₃* nFeO + ; адсорбционный слой противоионов (n-x) Cl — ; диффузный слой противоионов — х Cl —

21. Имеются 3 коллоидных раствора: гидроксида железа (III), полученного гидролизом FeCl₃, иодида серебра, полученного в избытке КI, и иодида серебра, полученного в избытке AgNO₃.

Предложите два варианта взаимной коагуляции.

Объясните, используя формулы мицелл.

А)гидроксида железа (III), полученного гидролизом FeCl₃:

Положительно заряженный золь

Б)иодида серебра, полученного в избытке КI:

[m AgI *nI — *(n-x) К + ] x — *х К +

Отрицательно заряженный золь

в)иодида серебра, полученного в избытке AgNO₃:

Положительно заряженный золь

2.Взаимная коагуляция наблюдается при сливании растворов противоположно заряженных золей., а именно:

_· Отрицательно заряженного золя иодида серебра, полученного в избытке КI, и положительно заряженного золя иодида серебра, полученного в избытке AgNO_3.;

_· Отрицательно заряженного золя иодида серебра, полученного в избытке КI, и положительно заряженного золя гидроксида железа (III), полученного гидролизом FeCl_3.

22. Пороговая концентрация коллоидного раствора гидроксида алюминия равняется 0,63 ммоль/л.

Рассчитайте объем 0,01М раствора дихромата калия, вызывающего коагуляцию золя объёмом 200 мл.

Определите заряд гранулы, учитывая, что коагулирующим действием обладает дихромат-анион.

Предложите соответствующий вариант формулы мицеллы золя Al(OH)₃.

Рассчитаем объем раствора электролита-коагулятора дихромата калия (V) по формуле:

, где γ- пороговая концентрация коллоидного раствора гидроксида алюминия, равна 0,63 ммоль/л, V золя –объем золя, согласно условию равен 0,2 л, С- концентрация электролита-коагулятора дихромата калия, равна 10 ммоль/л. Подставляя значения в формулу, получаем:

V=0,63 ммоль/л *0,2л/10 ммоль/л=0,0126 л=12,6 мл

2.Поскольку коагулирующим действием обладает дихромат-анион, заряд гранулы (коллоидной частицы) противоположен, т.е. положителен.

3. Соответствующий вариант формулы мицеллы золя Al(OH)₃, стабилизированного AlCl₃:

[m Al(OH)_{3 *}nAl 3+ *3(n-x)Cl — ] +x *3xCl —

3.Строение мицеллы:

Ядро — m Al (OH)₃*n Al 3+ ; адсорбционный слой противоионов 3(n-x) Cl — ; диффузный слой противоионов — 3х Cl —

23. ИЭТ альбумина плазмы крови равна 4,64.

Определите знак заряда частиц альбумина в 0,001М растворе HCl.

Укажите направление перемещения частиц альбумина при электрофорезе в данных условиях.

Please wait.

We are checking your browser. gomolog.ru

Why do I have to complete a CAPTCHA?

Completing the CAPTCHA proves you are a human and gives you temporary access to the web property.

What can I do to prevent this in the future?

If you are on a personal connection, like at home, you can run an anti-virus scan on your device to make sure it is not infected with malware.

If you are at an office or shared network, you can ask the network administrator to run a scan across the network looking for misconfigured or infected devices.

Another way to prevent getting this page in the future is to use Privacy Pass. You may need to download version 2.0 now from the Chrome Web Store.

Cloudflare Ray ID: 6e2a61159dd25959 • Your IP : 85.95.188.35 • Performance & security by Cloudflare

Химическая кинетика и равновесие. Принцип Ле Шателье

» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>

Химическая кинетика и равновесие

• 6.1. Понятие о скорости химических реакций
• 6.2. Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов
• 6.3.Влияние температуры на скорость реакции
• 6.4. Энергия активации
• 6.5. Понятие о катализе и катализаторах
• 6.6. Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье

Кинетика — учение о скорости различных процессов, в том числе химических реакций. Критерием принципиальной осущест­вимости реакций является неравенство ∆G_p.T. 0 ₂₉₈ H₂O (u) = – 228,59 кДж/моль, a ∆G 0 ₂₉₈ АlI₃(к) = -313,8 кДж/моль и, следовательно, при T = 298 К и р= 1,013.10 5 Па возможны реакции, идущие по уравнениям:

Однако эти реакции при стандартных условиях идут только в присутствии катализатора (платина для первой и вода для второй). Катализатор как бы снимает кинетический «тормоз» и проявляется термодинамическая природа вещества.

6.1. Понятие о скорости химических реакций. Скоростью химической реакции называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (в случае гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (в случае гетерогенной реакции). Скорость реакции обычно характеризуются изменением концентрации какого-либо из исходных или конечных продуктов реакции в единицу времени и чаще всего выражают в моль/л · с.

Различают среднюю скорость химической реакции за данный промежуток времени и истинную скорость реакции в данный момент времени. Если в момент времени концентрация вещества была C₁, а для момента она стала C₂, то средняя скорость реакции для интервала времени τ₂ – τ₁ будет равна

Знак минус пишут в том случае, если концентрация вещества во времени уменьшается (исходное вещество), а знак плюс – если концентрация увеличивается (продукт реакции). Скорость реакции всегда положительна. Истинная скорость в данный момент определяется пределом, к которому стремится выражение при ∆τ → 0, т.е. первой производной от концентрации по времени:

Измерить среднюю и истинную скорость химической реакции можно, найдя зависимость изменения концентрации реагирующих веществ в системе от времени.

Об изменении концентрации веществ в системе можно судить или непосредственно, или определяя какое-либо свойство реакционной системы. Это может быть вес осадка, образующегося в ходе реакции, объем реакционной системы, давление, цвет, электропроводность и т.п.

Скорость химических реакций зависит от многих факторов, основные из которых — концентрация (давление) реагентов, температура и действие катализатора. Эти же факторы определяют и достижение равно­весия в реагирующей системе.

6.2. Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов. Чтобы атом и молекулы смогли вступить в реакцию, необходимо их столкновение друг с другом, так как силы химического взаимодействия действуют только на очень малом расстоянии. Чем больше молекул реагирующих веществ в единице объема, т.е. чем больше их концентрация, тем чаще будут происходить столкновения и тем быстрее будут идти химические реакции. Поэтому увеличение концентрации реагирующих веществ ускоряет ход химической реакции. На основе обширного экспериментального материала сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакций от концентрации реагирующих веществ: скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции, протекающей по уравнению А + В = С + Д, этот закон выразится уравнением:

где: С_А и С_В – молярные концентрации вещества А и В;

k – коэффициент пропорциональности, называемой константой скорости реакции.

Основной закон химической кинетики часто называют законом действующих масс. Из уравнения (1) нетрудно установить физический смысл константы скорости k; она численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ составляют 1моль/л или когда их произведение равно единице.

Следует иметь в виду, что понятие скорости реакции относится к данной реакции, а не к отдельным реагирующим веществам. Очевидно, что для каждой реакции при постоянной температуре ее константа скорости будет величиной постоянной, и, следовательно, зная k , можно сравнивать скорости химического взаимодействия различных веществ: чем больше k , тем быстрее реагируют данные вещества. Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры, присутствия катализатора, но не зависит от концентрации вещества.

Уравнение (1), связывающее скорость реакции с концентрацией реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением реакции. Для реакции, записанной в общем виде , кинетическим уравнением будет

где: m и n – коэффициенты в уравнении реакции.

Уравнение (2) является общим алгебраическим выражением закона действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам соответствующих веществ в уравнении реакции.

Основной закон химической кинетики не учитывает концентрации реагирующих веществ в твердом состоянии, ибо их концентрации постоянны и они реагируют лишь на поверхности, которая остается неизменной. Так, например, для реакции горения угля кинетическое уравнение реакции имеет вид:

где: k – константа скорости;

С_С – концентрация твердого вещества;

S – площадь поверхности.

Это величины постоянные. Обозначим произведение постоянных величин через k 1 , получим т.е. скорость реакции пропорциональна только концентрации кислорода.

6.3.Влияние температуры на скорость реакции. Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.

Математически эта зависимость выражается соотношением

где: – скорости реакции соответственно при началом (t₁) и конечной (t₂) температурах;

γ – температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличится скорость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10 градусов.

Дадим иную формулировку уравнения (1). Примем скорость реакции при начальной температуре (например, при 300 ° С) за 1 и будем выражать с помощью уравнения (1) скорость реакции , определяя ее для разных температур (с интервалом в 10 ° ). Тогда получим:

Из этого легко вывести следующее правило: при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость реакции возрастает в геометрической прогрессии.

Температура влияет на скорость реакции, увеличивая константу скорости. Отношение, показывающее, во сколько раз увеличилась константа скорости при увеличении температуры на 10 ° , называется температурным коэффициентом скорости реакции, т.е.

Зависимость скорости реакции от температуры более точно выражается уравнением Аррениуса

6.4. Энергия активации. Быстрое изменение скорости реакции с изменением температуры объясняет теория активации. Почему нагревание вызывает столь значительное ускорение химических превращений? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить, в чем заключается сущность химической реакции.

Химическое превращение происходит тогда, когда возникают условия для перераспределения электронной плотности столкнувшихся частиц. Этот процесс требует затраты времени и энергии. Мгновенных процессов в природе вообще не существует.

Реакционно-способную систему можно охарактеризовать тремя последовательно совершающимися состояниями:

[начальное] → [переходное] → [конечное]

Для реакции взаимодействия газообразных веществ A₂ и B₂:

можно записать ее состояние

Рис. 22. Изменение энергии реагирующей системы

Переходное состояние системы отвечает образованию так называемого активированного комплекса (A₂B₂). В этом комплексе происходит перераспределение электронной плотности между атомами: связи A―B начинают образовываться одновременно с разрывом связей A―A и B―B. В активированном комплексе как бы объединены «полуразрушенные» молекулы A₂ и B₂ и «полуобразовавшиеся» молекулы AB. Активированный комплекс существует очень короткое время (порядка 10 -13 с). Его распад приводит к образованию молекул AB либо молекул A₂ и B₂. Образование активированного комплекса требует затраты энергии. Вероятность того, что при столкновении двух молекул образуется активированный комплекс и произойдет реакция, зависит от энергии сталкивающихся частиц. Реагируют только те из молекул, энергия которых для этого достаточна. Такие молекулы называют активными. Необходимую для перехода веществ в состояние активированного комплекса энергию называют энергией активации (E_а). Ее определяют опытным путем и обычно выражают в кДж/моль. Так, например, для соединения водорода и йода E_а = 167,4кДж/моль, а для распада йодоводорода E_а = 186,2кДж/моль.

Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ и служит характеристикой каждой реакции.

Энергетические изменения в реагирующей системе можно представить схемой, которая изображена на рис. 22.

Здесь ось абсцесс характеризует ход реакции: исходное состояние → переходное состояние → конечное состояние. По оси ординат отложена потенциальная энергия системы. Исходное состояние имеет энергию H_нач., конечное – H_кон. Разность энергий начального и конечного состояний системы равна тепловому эффекту реакции ∆H:

Энергия активированного комплекса выше энергии начального и конечного состояний системы. Таким образом, энергия активации – это своеобразный энергетический барьер, который отделяет исходные вещества от продуктов реакции.

Обратная реакция – превращение АВ в газообразные A₂ и B₂, естественно, также протекает через образование активированного комплекса A₂B₂. но величина энергии активации в этом случае иная, чем при синтезе АВ.

Как видно из рис. 22, затраченная на активацию молекул энергия затем, при образовании продуктов реакции, полностью или частично выделяется. Если при распаде активированного комплекса выделяется энергии больше, чем это необходимо для активирования молекул, то реакция экзотермическая, а в противном случае – эндотермическая.

Итак, скорость реакции непосредственно зависит от числа молекул, обладающих энергией, достаточной для образования активированного комплекса, а следовательно, способных к химическому превращению. Чем больше в системе активных молекул, тем скорость реакции больше. Один из путей увеличения числа активных молекул – нагревание.

6.5. Понятие о катализе и катализаторах. Катализом называется изменение скорости химических реакций в присутствии веществ – катализаторов. Катализаторы – это вещества, изменяющие скорость реакции за счет участия в промежуточном химическом взаимодействии с компонентами реакции, но восстанавливающие после каждого цикла промежуточного взаимодействия свой химический состав.

Различают положительный и отрицательный катализ. В случае положительного катализа скорость химической реакции при введении катализатора возрастает, например, получение серной кислоты или окисление аммиака в азотную кислоту с помощью платины. При отрицательном катализе, – наоборот, уменьшается, например, замедление взаимодействия раствора сульфита натрия с кислородом воздуха в присутствии этилового спирта. Отрицательный катализ часто называют ингибированием, а отрицательные катализаторы, снижающие скорость реакции, ингибиторами (механизм действия последних отличен от катализаторов).

Химические реакции, протекающие в присутствии катализаторов, называются каталитическими. На большинство химических реакций может быть оказано каталитическое воздействие. Число катализаторов велико. Их каталитическая активность весьма различна. Она определяется изменением скорости реакции, вызываемым катализатором.

Различают два вида катализа – гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный) катализ.

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют однородную систему – газовую или жидкую. В этом случае между катализатором и реагирующими веществами отсутствует поверхность раздела. Примером может служить каталитическое окисление оксида серы (IV) оксидами азота в камерном способе получения серной кислоты (газовая фаза), а также действие разнообразных ферментов в биологических процессах. Для гомогенного катализа установлено, что скорость химической реакции пропорциональна концентрации катализатора.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализаторы образуют систему из разных фаз. В этом случае между катализатором и реагирующими веществами существует поверхность раздела. Обычно катализатор является твердым веществом, а реагирующие вещества – газами или жидкостями. Например, окисление аммиака (газообразная фаза) в присутствии платины (твердая фаза). Все реакции при гетерогенном катализе протекают на поверхности катализатора. Поэтому активность твердого катализатора будет зависеть и от свойств его поверхности (размера, химического состава, строения и состояния).

Действие положительных катализаторов сводится к уменьшению энергии активации реакции, другими словами, к снижению высоты энергетического барьера (см. рис. 22, пунктирная кривая).

В присутствии катализатора образуется активированный комплекс с более низким уровнем энергии, чем без него, а потому скорость реакции резко возрастает.

Механизм действия катализаторов обычно объясняют образованием промежуточных соединений с одним из реагирующих веществ. Так, если медленно протекающую реакцию A + B = AB вести в присутствии катализатора K, то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение:

Реакция протекает быстро, так как энергия активации этого процесса мала. Затем промежуточное соединение АК взаимодействует с другим исходным веществом, выделяя катализатор К в свободном состоянии:

Энергия активации этого процесса также мала, а потому реакция протекает с достаточной скоростью. Если теперь оба процесса, протекающие одновременно, суммировать, то получим окончательное уравнение уже быстро протекающей реакции:

Поверхность катализатора неоднородна. На ней имеются так называемые активные центры, на которых, главным образом, и протекают каталитические реакции. Реагирующие вещества адсорбируются на этих центрах, в результате чего увеличивается концентрация их на поверхности катализатора. Это отчасти приводит к ускорению реакции. Но главной причиной возрастания скорости реакции является сильное повышение химической активности адсорбированных молекул. Под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами и они делаются более реакционноспособными. В этом случае реакция ускоряется благодаря снижению энергии активации (в том числе за счет образования поверхностных промежуточных соединений).

Некоторые вещества снижают или полностью уничтожают активность твердого катализатора. Такие вещества называются каталитическими ядами.

В качестве примера можно привести соединения мышьяка, ртути, свинца, цианиды, к которым особенно чувствительны платиновые катализаторы.

Однако имеются и такие вещества, которые усиливают действие катализаторов данной реакции, хотя сами катализаторами не являются. Эти вещества называются промоторами (например, промотирование платиновых катализаторов добавками железами, алюминия и др.).

Следует особо отметить, что действие катализаторов избирательно, поэтому применяя разные катализаторы, можно получить из одного и того же вещества разные продукты. Для каждой реакции имеется свой наилучший катализатор.

Роль катализаторов в химическом производстве исключительно велика. (например, получение серной кислоты, синтез аммиака, получение из твердого угля жидкого топлива, переработка нефти и природного газа, получение искусственного каучука и т.д.). Большая роль принадлежит биологическим катализаторам – ферментам– особым веществам животного или растительного происхождения, являющихся белками. Они обладают каталитическим действием по отношению к некоторым биохимическим реакциям за счет понижения их очередной инактивации.

6.6. Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье. Реакции, которые протекают в одном направлении и идут до конца, называются необратимыми. Их не так много. Большинство реакций являются обратимыми, т.е. они протекают в противоположных направлениях и не идут до конца. Например, реакция J₂ + H₂ 2HJ при 350°С является типичной обратимой реакцией. В этом случае устанавливается подвижное химическое равновесие и скорости прямого процесса и обратного делаются равными.

Химическое равновесие – такое состояние системы реагирующих веществ, при котором скорости прямой и обратной реакций равны между собой.

Химическое равновесие называют динамическим равновесием. Этим подчеркивается, что при равновесии протекают и прямая, и обратная реакции, но их скорости одинаковы, вследствие чего изменений в системе не заметно.

Концентрации реагирующих веществ, которые устанавливаются при химическом равновесии, называются равновесными концентрациями. Обычно их обозначают при помощи квадратных скобок, например, [J₂], [H₂], [HJ] в отличие от неравновесных, обозначаемых СJ₂, Cн₂, СнJ

Количественной характеристикой химического равновесия служит величина, называемая константной химического равновесия. Изобразим обратимую реакцию в общем виде:

Согласно закону действующих масс, скорости прямой (V₁) и обратной (V₂) реакций выражаются уравнениями:

При равновесии скорости прямой и обратной реакций равны друг другу, откуда

Но k₁ и k₂ для данной реакции при одной и той же температуре являются величинами постоянными, а значит, и их отношение будет величиной постоянной. Обозначим его через К, получим

где: К – константа химического равновесия.

Она зависит от температуры и природы реагирующих веществ, но не зависит от их концентрации. Константа равновесия показывает, во сколько раз скорость прямой реакции больше скорости обратной реакции, если концентрации каждого из реагирующих веществ равна 1 моль/л. В этом физический смысл К. Значения К находят путем расчета или на основании экспериментальных данных. Константа равновесия – важная характеристика реакции. По ее значению можно судить о направлении процесса при исходном соотношении концентраций реагирующих веществ, о максимально возможном выходе продукта реакции при тех или иных условиях.

На состояние химического равновесия оказывает влияние концентрация реагирующих веществ, температура, а для газообразных веществ – и давление.

При изменении одного из этих параметров равновесие нарушается, и концентрация всех реагирующих веществ будет изменяться до тех пор, пока не установится новое равновесие, но уже при иных значениях равновесных концентраций.

Подобный переход реакционной системы из одного состояния равновесия к другому называется смещением (или сдвигом) химического равновесия. Если при изменении условий увеличивается концентрация конечных веществ, то говорят о смещении равновесия вправо. Если же увеличивается концентрация исходных веществ, то равновесие смещается влево.

Направление смещения химического равновесия при изменениях концентрации реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим положением, известным под названием принципа подвижного равновесия или принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие (изменяется концентрация, температура, давление), то оно благоприятствует протеканию одной из двух противоположных реакций, которая ослабляет воздействие. Поясним это правило на примере синтеза аммиака:

Если увеличить концентрации азота или водорода, то это будет благоприятствовать реакции, протекающей с уменьшением концентрации этих веществ, т.е. равновесие сместится вправо. Наоборот, при увеличении концентрации аммиака равновесие сместится влево.

Поскольку прямая реакция протекает с выделением тепла, то повышение температуры будет благоприятствовать реакции с поглощением тепла, т.е. равновесие будет смещаться влево. Наоборот, понижение температуры вызовет смещение равновесия вправо.

Чтобы решить вопрос, как влияет на смещение равновесия изменение давления, надо подсчитать число молей газообразных веществ в левой и правой частях уравнения. В приведенном примере в левой части уравнения содержится 4 моль (4 объема), а в правой – 2 моль (2 объема). Поскольку увеличение давления должно благоприятствовать процессу, ведущему к уменьшению объема, то в данном случае равновесие сместится вправо. Уменьшение давления сместит равновесие влево. Если же в уравнении обратимой реакции число молей в левой части равно числу молей в правой части, то изменение давления не вызывает смещения химического равновесия.

Следует отметить, что все катализаторы одинаково ускоряют как прямую, так и обратную реакции и поэтому на смещение равновесия влияние не оказывают, а только способствуют более быстрому его достижению.

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе

если объем газовой смеси уменьшится в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение. Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO₂] = а,

[О₂] =b, [SO₃] == с. Согласно закону действующих масс, скорости прямой и обратной реакций до изменения объема равны

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO₂] = 3а, [О₂] = Зb; [SO₃] = Зс. При новых концентрациях скорости v’_пр прямой и обратной реакций:

Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной — только в девять раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SO₃.

Пример 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70° С, если температурный коэффициент реакции равен 2.

Решение. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:

Следовательно, скорость реакции v_T2. при 70 0 С больше скорости реакции v_T1 при 30° С в 16 раз.

Пример 3. Константа равновесия гомогенной системы

при 850 0 С равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [СO]_исх = 3 моль/л, [H₂O]_иcx = 2 моль/л.

Решение. При равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, а отношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесия данной системы:

В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение К_р входят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрация [CO₂]_p = x моль/л. Согласно уравнению системы число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. По столько же молей (х моль/л) СО и H₂O расходуется для образования по х молей СО₂ и Н₂. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ (моль/л):

Зная константу равновесия, находим значение х, а затем исходные концентрации всех веществ:

Таким образом, искомые равновесные концентрации: [СO₂]_р = 1,2 моль/л; [H₂]_p = 1,2 моль/л; [СO]_р= 3-1,2 = 1,8 моль/л; [Н₂O]_р =2-1,2 =0,8 моль/л.

Пример 4. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концент­рацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции — разложения РС1₅?

Решение. Смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется по принципу Ле Шателье: а) так как реакция разложения РС1₅ эндотермическая (H > 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру: б) так как в данной системе разложение РС1₅ ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещения равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации РС1₅, так и уменьшением концентрации РС1₃ или Сl₂.