Напишите уравнение для скорости прямой реакции

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции — основное понятие химической кинетики, выражающее отношения количества прореагировавшего вещества (в молях) к отрезку времени, за которое произошло взаимодействие.

Скорость реакции отражает изменение концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Единицы измерения для гомогенной реакции: моль/л * сек. Физический смысл в том, что каждую секунду какое-то количество одного вещества превращается в другое в единице объема.

Мне встречались задачи, где была дана молярная концентрация вещества до реакции и после, время и объем. Требовалось посчитать скорость реакции. Давайте решим подобное несложное задание для примера:

Молярная концентрация вещества до реакции составляла 1.5 моль/л по итогу реакции — 3 моль/л. Объем смеси 10 литров, реакция заняла 20 секунд. Рассчитайте скорость реакции.

Влияние природы реагирующих веществ

При изучении агрегатных состояний веществ возникает вопрос: где же быстрее всего идут реакции: между газами, растворами или твердыми веществами?

Запомните, что самая высокая скорость реакции между растворами, в жидкостях. В газах она несколько ниже.

Если реакция гетерогенная: жидкость + твердое вещество, газ + твердое вещество, жидкость + газ, то большую роль играет площадь соприкосновения реагирующих веществ.

Очевидно, что большой кусок железа, положенный в соляную кислоту, будет гораздо дольше реагировать с ней, нежели чем измельченное железо — железная стружка.

Химическая активность также играет важную роль. Например, отвечая на вопрос «какой из металлов Fe или Ca быстрее прореагирует с серой?» мы отдадим предпочтение кальцию, так как в ряду активности металлов он стоит левее железа, а значит кальций активнее железа.

Иного подхода требуют реакции металлов с водой, где нужно учитывать радиус атома. Например, отвечая на вопрос «какой из металлов Li или K быстрее прореагирует с водой?» мы отдадим предпочтение калию, так как калий имеет больший радиус атома. Калий будет быстрее взаимодействовать с водой, чем литий.

Иногда для верного ответа на вопрос о скорости реакции требуется знание активности кислот. Мы подробнее обсудим эту тему в гидролизе, однако сейчас я замечу: чем сильнее (активнее) кислота, тем быстрее идет реакция.

Например, реакцию магния с серной кислотой протекает гораздо быстрее реакции магния с уксусной кислотой. Причиной этому служит то, что серная кислота относится к сильным (активным) кислотам, а активность уксусной кислоты меньше, она является слабой кислотой.

Как я уже упомянул, слабые и сильные кислоты и основания изучаются в теме гидролиз.

Влияние изменения концентрации

Влияние концентрации «прямо пропорционально» скорости реакции: при увлечении концентрации реагирующего вещества скорость реакции повышается, при уменьшении — понижается.

Замечу деталь, которая может оказаться важной, если в реакции участвуют газы: при увеличении давления концентрация вещества на единицу объема возрастает (представьте, как газ сжимается). Поэтому увеличение давление, если среди исходных веществ есть газ, увеличивает скорость реакции.

Закон действующих масс устанавливает соотношение между концентрациями реагирующих веществ и их продуктами. Скорость простой реакции aA + bB → cC определяют по уравнению:

Физический смысл константы скорости — k — в том, что она численно равна скорости реакции при том условии, что концентрации реагирующих веществ равны 1. Обратите внимание, что стехиометрические коэффициенты уравнения переносятся в степени — a и b.

Записанное выше следствие закона действующих масс нужно не только «зазубрить», но и понять. Поэтому мы решим пару задач, где потребуется написать подобную формулу.

Окисление диоксида серы протекает по уравнению: 2SO_2(г) + O₂ = 2SO_3(г). Как изменится скорость этой реакции, если объемы системы уменьшить в три раза?

По итогу решения становится ясно, что скорость реакции в таком случае возрастет в 27 раз.

Решим еще одну задачу. Дана реакция синтеза аммиака: N₂ + ЗН₂ = 2NH₃. Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если уменьшить концентрацию водорода в два раза?

В результате решения мы видим, что при уменьшении концентрации водорода в два раза скорость реакции замедлится в 8 раз.

Влияние изменения температуры на скорость реакции

Постулат, который рекомендую временно взять на вооружение: «Увеличение температуры увеличивает скорость абсолютно любой химической реакции: как экзотермической, так и эндотермической. Исключений нет!»

Очень часто в заданиях следующей темы — химическом равновесии, вас будут пытаться запутать и ввести в заблуждение, но вы не поддавайтесь и помните про постулат!

Итак, влияние температуры на скорость реакции «прямо пропорционально»: чем выше температура, тем выше скорость реакции — чем ниже температура, тем меньше и скорость реакции. Однако, как и в случае с концентрацией, это больше чем простая «пропорция».

Правило Вант-Гоффа, голландского химика, позволяет точно оценить влияние температуры на скорость химической реакции. Оно звучит так: «При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два — четыре раза»

В формуле, написанной выше, используются следующие обозначение:

• υ₁ — скорость реакции при температуре t₁
• υ₂ — скорость реакции при температуре t₂
• γ — температурный коэффициент, который может быть равен 2-4

Если по итогам решения задач у вас получится температурный коэффициент меньше 2 или больше 4, то, скорее всего, где-то вы допустили ошибку. Используйте этот факт для самопроверки.

Для тренировки решим пару задач, в которых потребуется использование правило Вант-Гоффа.

Как изменится скорость гомогенной реакции при повышении температуры от 27°C до 57°C при температурном коэффициенте, равном трем?

Иногда в задачах требуется рассчитать температурный коэффициент, как, например, здесь: «Рассчитайте, чему равен температурный коэффициент скорости, если известно, что при понижении температуры от 250°C до 220°C скорость реакции уменьшилась в 8 раз».

Катализаторы и ингибиторы

Катализатор (греч. katalysis — разрушение) — вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не участвующее в ней. Катализатор не расходуется в химической реакции.

Многие химические реакции в нашем организме протекают с участием катализаторов — белковых молекул, ферментов. Без катализаторов подобные реакции шли бы сотни лет, а с катализаторами идут одну долю секунды.

Катализом называют явление ускорения химической реакции под действием катализатора, а химические реакции, идущие с участием катализатора — каталитическими.

Ингибитор (лат. inhibere — задерживать) — вещество, замедляющее или предотвращающее протекание какой-либо химической реакции.

Ингибиторы применяют для замедления коррозии металла, окисления топлива, старения полимеров. Многие лекарственные вещества являются ингибиторами.

Так при лечении гастрита — воспаления желудка (греч. gaster — желудок) или язв часто назначаются ингибиторы протонной помпы — химические вещества, которые блокирует выработку HCl слизистой желудке. В результате этого соляная кислота прекращает воздействие на поврежденную стенку желудка, воспаление стихает.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Блиц-опрос по теме Скорость химической реакции

Вычисление концентрации веществ и скорости реакции

Скорость реакции

Задание 127.
Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60 °С, если температурный коэффициент скорости данной реакции 2?
Решение:
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:

Следовательно, скорость реакции при повышении температуры на 600 С 0 больше начальной скорости реакции в 64 раза.

Задание 121.
Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:
а) S (к) + O₂ = SO₂ (г); б) 2SO₂ (г) + O₂ = 2SO₃ (г).
Как изменится скорость этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?
Решение:
а) S (к) + O₂ = SO₂ (г)
Обозначим концентрации газообразных реагирующих веществ: [O₂] = a, [SO₂] = b. Согласно закону действующих масс, скорости прямой и обратной реакций до изменения объёма соответственно равны:

V_пр = k . a; V_обр = k . b.

После уменьшения объёма гетерогенной системы в четыре раза концентрация газообразных веществ увеличится в четыре раза: [O₂] = 4a, [SO₂] = 4b. При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций будут равны

Следовательно, после уменьшения объёма в системе скорости прямой и обратной реакций увеличились в четыре раза. Равновесие системы не сместилось.

Обозначим концентрации реагирующих веществ: [O₂] = a, [SO₂] = b, [SO₃] = с. Согласно закону действующих масс, скорости прямой и обратной реакций до изменения объёма соответственно равны:

V_пр = ka 2 b; Vо б р = kc 2 .

После уменьшения объёма гомогенной системы в четыре раза концентрация реагирующих веществ увеличится в четыре раза: [O₂] = 4a, [SO₂] = 4b, [SO3] = 4_с При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций будут равны:

Следовательно, после уменьшения объёма в системе скорость прямой реакции возросла в 64 раза, а обратной – в 16. Равновесие системы при этом сместилось вправо, в строну уменьшения образования газообразных веществ.

Константы равновесия гомогенной системы

Задание 122.
Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы:
N₂ + ЗН₂ = 2NH₃. Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если увеличить концентрацию водорода в три раза?
Решение:
Уравнение реакции:

Выражение константы равновесия данной реакции имеет вид:

Обозначим концентрации газообразных реагирующих веществ: [N₂] = a, [H₂] = b. Согласно закону действующих масс, скорость прямой реакций до увеличения концентрации водорода равна: V_пр = kab 3 . После увеличения концентрации водорода в три раза концентрации исходных веществ будут равны: [N₂] = a, [H₂] = 3b. При новых концентрациях скорости прямой реакций будет равна:

Следовательно, после увеличения концентрации водорода в три раза скорость реакции возросла в 27 раз. Равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместилось в сторону уменьшения концентрации водорода, т. е. вправо.

Задание 123.
Реакция идет по уравнению N₂ + O₂ = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции были [N₂] = 0,049 моль/л, [O₂] = 0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ, когда [NO] = 0,005 моль/л. Ответ: [N₂] 0,0465 моль/л; [O₂] = 0,0075 моль/л.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

Из уравнения реакции следует, что на образование 2 моль NO расходуется по 1 моль N₂ и О₂, т. е. на образование NO требуется в два раза меньше N₂ и О₂. Исходя из сказанного, можно предположить, что на образование 0,005 моль NO затрачивается по 0,0025 моль N₂ и О₂. Тогда конечные концентрации исходных веществ будут равны:

[N₂]_{конечн.} = [N₂]исх. – 0,0025 = 0,049 – 0,0025 = 0,0465 моль/л;
[O₂]_{конечн.} = [O₂]исх. — 0,0025 = 0,01 – 0,0025 = 0,0075 моль/л.

Ответ: [N₂]_{конечн.} = 0,0465 моль/л; [O₂]конечн. = 0,0075 моль/л.

Задание 124.
Реакция идет по уравнению N₂ + ЗН₂ = 2NH₃. Концентрации участвующих в ней веществ (моль/л): [N₂] = 0,80; [H₂] = 1,5; [NH₃] = 0,10. Вычислите концентрацию водорода и аммиака [N₂] = 0,5 моль/л. Ответ: [NH₃] = 0,70 моль/л; [Н₂) = =0,60 моль/л.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

Из уравнения следует, что из 1 моль N₂ Образуется 2 моль NH₃ и расходуется 3 моль Н₂. Таким образом, при участии в реакции определённого количества азота образуется в два раза большее количество аммиака и прореагирует в три раза больше водорода. Рассчитаем количество азота, которое прореагировало: 0,80 – 0,50 = 0,30 моль. Рассчитаем количество аммиака, которое образовалось: 0,3 . 2 = 0,6 моль. Рассчитаем количество прореагировавшего водорода: 0,3 . 3 = 0,9 моль. Теперь рассчитаем конечные концентрации реагирующих веществ:

[NH₃]конечн. = 0,10 + 0,60 = 0,70 моль;
[Н₂]конечн. = 1,5 — 0,90 = 0,60 моль;
[N₂]конечн. = 0,80 — 0,50 = 0,30 моль.

Ответ: [NH₃] = 0,70 моль/л; [Н₂) = =0,60 моль/л.

Скорость, температурный коэффициент скорости реакции

Задание 125.
Реакция идет по уравнению Н₂ + I₂ = 2НI. Константа скорости этой реакции при некоторой температуре равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ (моль/л): [Н₂] = 0,04:
[I₂] = 0,05. Вsчислите начальную скорость реакции и ее скорость при [H2] = 0,03 моль/л. Ответ: 3,2 . 10 -4 , 1,92 . 10 -4
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

При исходных концентрациях реагирующих веществ, согласно закону действующих масс, скорость реакции будет равна при обозначении концентраций исходных веществ: [Н₂] = a, [I₂] = b.

V_пр = kab = 0,16 . 0,04 . 0,05 = 3,2 . 10 -4 .

Рассчитаем количество водорода, которое вступило в реакцию, если концентрация его изменилась и стала 0,03 моль/л, получим: 0,04 — 0,03 = 0,01 моль. Из уравнения реакции следует, что водород и йод реагируют друг с другом в отношении 1 : 1, значит в реакцию вступило тоже 0,01 моль йода. Отсюда, конечная концентрация йода равна: 0,05 -0,01 = 0,04 моль. При новых концентрациях скорость прямой реакции будет равна:

Ответ: 3,2 . 10 -4 , 1,92 . 10 -4 .

Задание 126.
Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80 °С. Температурный коэффициент скорости реакции З.
Решение:
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:

Следовательно, скорость реакции ; при 800 0 С меньше скорости реакции при 1200 0 С в 81 раз.

Задачи с решениями на химическую кинетику и химическое равновесие

Химическая кинетика и химическое равновесие

Задача № 1. Написать математическое выражение скорости прямой и обратной реакций:

Пример 59

Для реакции согласно закону действия масс выражения скоростей реакции следующие:

где — константа скорости прямой реакции;

— соответственно концентрации ;

где — константа скорости обратной реакции;

— концентрация .

Задача 43

Определить начальную скорость реакции с константой скорости прямой реакции к в растворе, полученном смешением 2 л 0,6 М раствора и 3 л 1 М раствора .

Решение:

Уравнение химической реакции, происходящей в смеси двух растворов, следующее:

Согласно закону действия масс выражение скорости химической реакции

Для определения скорости реакции необходимо знать величину концентраций веществ в момент их смешения. Для этого определим объем смеси двух растворов:

Зная, что в исходном растворе уксусной кислоты содержится 0,6-2 = = 1,2 моль , находим ее концентрацию в смеси:

В исходном растворе гидроксида аммония содержится 1-3=3 моль , значит, концентрация его в смеси

Определяем начальную скорость реакции:

Задача 44

Как изменится скорость прямой реакции

если давление увеличить в 3 раза?

Решение:

Предположим, что в начальный момент до повышения давления концентрации реагирующих веществ следующие:

Скорость реакции, определяемая по закону действия масс, до повышения давления равна:

Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона Повышение давления в 3 раза приводит к повышению концентрации каждого компонента в 3 раза.

Таким образом, после повышения давления концентрации реагирующих веществ станут равными:

Скорость реакции после повышения давления

Повышение скорости реакции будет следующим:

При повышении давления в 3 раза скорость прямой реакции увеличивается в 27 раз.

Задача 45

Во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении температуры с 50 до 90°С? Температурный коэффициент реакции у равен 2,5.

Решение:

Согласно правилу Вант-Гоффа

Задача 46

Константа скорости реакции разложения HI равна при 280°С и при 300°С. Определить энергию активации, константу скорости при 310 °C и температурный коэффициент скорости реакции.

Решение:

Воспользуемся формулой, являющейся производной уравнения Аррениуса:

Теперь, зная энергию активации, можно рассчитать константу скорости реакции при 310 °C:

Определяем температурный коэффициент по следующей формуле:

Задача 47

Написать математические выражения констант равновесия следующих реакций:

Решение:

а) Для гомогенной реакции

б) Для гетерогенной реакции

так как концентрации твердых веществ не входят в выражение константы равновесия.

Задача 48

В состоянии равновесия системы при определенной температуре концентрации участвующих в равновесии веществ следующие: =0,04 моль/л. Рассчитать константу равновесия этой реакции.

Решение:

Подставим в выражение константы равновесия значения равновесных концентрации:

Задача 49

Константа равновесия реакции при 1000 °C равна 0,5. Исходные концентрации равны соответственно 0,05 моль/л и 0,01 моль/л. Рассчитать их концентрации в состоянии равновесия.

Решение:

Предположим, что в ходе реакции до момента установления состояния химического равновесия концентрация СО уменьшается на X моль/л. Тогда в состоянии химического равновесия концентрации будут следующими:

Математическое выражение константы равновесия данной реакции:

Отсюда находим значение X:

В состоянии равновесия значения концентрации будут следующими:

Задача 50

Для реакции рассчитать константу равновесия в стандартных условиях.

Решение:

Между энергией Гиббса и константой равновесия существует следующая взаимосвязь:

Рассчитываем вначале значение

Находим значение константы равновесия реакции в стандартных условиях :

Задача 51

В каком направлении сместится равновесие следующих химических реакций:

если увеличить температуру?

если увеличить концентрацию для реакции а и уменьшить концентрацию для реакции б?

если увеличить давление?

Решение:

Воспользуемся принципом Ле Шателье.

1) Увеличение температуры смещает химическое равновесие в направлении эндотермической реакции, а уменьшение температуры — в направлении экзотермической реакции.

Для реакции являющейся эндотермической увеличение температуры смещает равновесие в сторону прямой реакции .

2) Увеличение концентрации одного из участвующих в равновесии веществ смещает химическое равновесие в сторону реакции, уменьшающей концентрацию этого вещества.

Уменьшение концентрации одного из участвующих в равновесии веществ смещает химическое равновесие в сторону реакции, увеличивающей концентрацию этого вещества.

Для реакции увеличение концентрации , являющегося реактивом, смещает равновесие в сторону реакции, уменьшающей его концентрацию, т.е. в прямом направлении .

3) Увеличение давления смещает химическое равновесие в направлении реакции, вызывающей уменьшение объема системы, т.е. в сторону реакции с уменьшением числа газообразных молекул.

Для реакции увеличение давления смещает равновесие в сторону обратной реакции , так как число молекул исходных веществ (2 молекулы ) меньше, чем число молекул продуктов реакции (2 молекулы молекула , итого 3 молекулы).

Эти задачи взяты со страницы решения задач по неорганической химии:

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института