Hemijska kinetika brzina hemijskih reakcija. Predmet

ireverzibilne reakcije

1. Kako će se promijeniti brzina reakcije 2A + B ® A 2 B ako se koncentracija tvari A poveća 2 puta, a koncentracija tvari B smanji za 2 puta?

2. Koliko puta treba povećati koncentraciju supstance B 2 u sistemu 2A 2 (g) + B 2 (g) ® 2A 2 B (g) tako da kada se koncentracija supstance A smanji za 4 puta, stopa direktne reakcije se ne mijenja?

3. U sistemu CO + C1 2 ® COS1 2 koncentracija CO je povećana sa 0,03 na 0,12 mol/l, a koncentracija C1 2 - sa 0,02 na 0,06 mol/l. Za koliko se povećala brzina reakcije naprijed?

4. Kako će se promijeniti brzina direktne reakcije N 2 (g) + 3H (g) ® 2 NH 3 ako se a) pritisak u sistemu poveća za 3 puta; b) smanjiti volumen za 2 puta; c) povećati koncentraciju N 2 za 4 puta?

5. Koliko puta treba povećati pritisak da se brzina stvaranja NO 2 reakcijom 2NO + O 2 ® 2 NO 2 poveća 1000 puta?

6. Reakcija između ugljen monoksida (II) i hlora odvija se prema jednačini CO + C1 2 ® COC1 2. Kako će se promijeniti brzina reakcije s povećanjem a) koncentracije CO za 2 puta; b) koncentracija C1 2 u 2 puta; c) koncentracija obje supstance je 2 puta?

7. Reakcija se odvija u gasnoj fazi. U reakciji su uključene dvije supstance A i B. Poznato je da se povećanjem koncentracije komponente A za 2 puta brzina povećava za 2 puta, a sa povećanjem koncentracije komponente B za 2 puta, stopa povećana za 4 puta. Napišite jednadžbu za tekuću reakciju. Kako će se promijeniti brzina reakcije kada se ukupni tlak poveća za 3 puta?

8. Proučava se brzina reakcije interakcije tvari A, B i D. Pri konstantnim koncentracijama B i D povećanje koncentracije tvari A za 4 puta dovodi do povećanja brzine za 16 puta. Ako se koncentracija tvari B poveća za 2 puta pri konstantnim koncentracijama tvari A i D, tada se brzina povećava samo 2 puta. Pri konstantnim koncentracijama A i B, udvostručenje koncentracije supstance D dovodi do 4-strukog povećanja brzine. Napišite jednačinu za reakciju.

9. Odrediti brzinu kemijske reakcije A(g) + B(g) ® AB(g), ako je konstanta brzine reakcije 2 × 10 -1 l × mol -1 × s, a koncentracije tvari A i B su 0,025 odnosno 0,01 mol/l. Izračunajte brzinu reakcije kada se pritisak poveća za 3 puta.

10. Pronađite vrijednost konstante brzine reakcije A + 2B ® AB 2, ako je pri koncentracijama tvari A i B jednakim 0,1 odnosno 0,05 mol/l, brzina reakcije 7 × 10 -5 mol/ (l × s) .

11. U posudi zapremine 2 l pomešan je gas A sa količinom supstance 4,5 mol i gas B sa količinom supstance 3 mol. Gasovi reaguju u skladu sa jednačinom A + B = C. Nakon 20 sekundi u sistemu je nastao gas C sa supstancom od 2 mol. Odredite prosječnu brzinu reakcije. Koje količine tvari A i B nisu reagirale?

12. Reakcija između supstanci A i B izražava se jednadžbom A + B ® C. Početne koncentracije su [A] O = 0,03 mol / l, [B] O = 0,05 mol / l. Konstanta brzine reakcije je 0,4. Odrediti početnu brzinu reakcije i brzinu reakcije nakon nekog vremena, kada koncentracija formirane tvari C postane jednaka 0,01 mol/l.

13. Reakcija između gasovitih supstanci A i B izražava se jednadžbom A + B ® C. Početne koncentracije supstanci su [A] 0 = 0,03 mol / l, [B] 0 = 0,03 mol / l. Konstanta brzine reakcije je 0,1. Nakon nekog vremena koncentracija tvari A se smanjila za 0,015 mol/l. Koliko puta se ukupni pritisak mora povećati da bi brzina hemijske reakcije postala jednaka početnoj?

14. Za koliko stepeni treba povećati temperaturu da bi se brzina reakcije povećala za 27 puta? Temperaturni koeficijent brzine reakcije je 3.

15. Na 20°C, reakcija se odvija za 2 minute. Koliko će trajati ova reakcija a) na 50 o C, b) na 0 o C? Temperaturni koeficijent brzine reakcije je 2.

16. Na temperaturi od 30 o C reakcija teče za 25 minuta, a na 50 o C za 4 minute. Izračunajte temperaturni koeficijent brzine reakcije.

17. Brzina reakcije na 0 o C je 1 mol / l × s. Izračunajte brzinu ove reakcije na 30°C ako je temperaturni koeficijent brzine 3.

18. Sa povećanjem temperature za 50 °C, brzina reakcije se povećala za 32 puta. Izračunajte temperaturni koeficijent brzine hemijske reakcije.

19. Dvije reakcije se odvijaju na 25 o C istom brzinom. Temperaturni koeficijent brzine prve reakcije je 2,0, a druge - 2,5. Odrediti omjer brzina ovih reakcija na 95 o C.

20. Kolika je energija aktivacije reakcije ako se, kako temperatura raste sa 290 na 300 K, brzina reakcije udvostruči?

21. Koliko će se puta povećati brzina reakcije koja se odvija na 298 K ako je, kao rezultat upotrebe katalizatora, bilo moguće smanjiti energiju aktivacije za 4 kJ/mol?

22. Kolika je vrijednost energije aktivacije reakcije čija je brzina na 300 K 10 puta veća nego na 280 K.

23. Energija aktivacije reakcije O 3 (g) + NO (g) ® O 2 (g) + NO 2 (g) je 40 kJ/mol. Koliko će se puta promijeniti brzina reakcije s porastom temperature od 27 do 37 °C?

24. Jedan katalizator smanjuje energiju aktivacije na 300 K za 20 kJ/mol, a drugi za 40 kJ/mol. Koji je katalizator efikasniji? Svoj odgovor obrazložite tako što ćete izračunati omjer brzina reakcije pri korištenju jednog ili drugog katalizatora.

25. Na 150°C, neka reakcija je završena za 16 minuta. Uzimajući temperaturni koeficijent brzine reakcije jednak 2,5, izračunajte koliko dugo će se ova reakcija završiti ako se izvede a) na 200 o C, b) na 80 o C.

26. Kada temperatura poraste za 10 °C, brzina hemijske reakcije se povećava za 2 puta. Na 20 o S to je jednako 0,04 mol/(l×s). Kolika će biti brzina ove reakcije na a) 40 o C, b) 0 o C?

27. Na 20°C, brzina kemijske reakcije je 0,04 mol/(l × s). Izračunajte brzinu ove reakcije na 70°C ako je poznato da je energija aktivacije 70 kJ/mol.

28. Izračunajte temperaturni koeficijent reakcije g, ako je konstanta brzine ove reakcije na 120 °C 5,88 × 10 -4, a na 170 °C - 6,7 × 10 -2.

29. Koliko će se puta promijeniti brzina kemijske reakcije s porastom temperature od 300 K do 400 K ako je temperaturni koeficijent g = 2? Kolika je energija aktivacije za ovu reakciju?

30. Koliko puta će se povećati brzina hemijske reakcije A + 2B ® C sa povećanjem pritiska u sistemu za 4 puta i istovremenim povećanjem temperature za 40 °C. Reagirajuće supstance su gasovi. Temperaturni koeficijent reakcije je 2.

31. Koliko će se puta smanjiti brzina hemijske reakcije 2A(g) + B(g) ® 2C(g) kada se pritisak svih supstanci u sistemu smanji za 3 puta, a temperatura sistema istovremeno snizi za 30 o C? Temperaturni koeficijent brzine reakcije g je 2.

32. Reakcija između gasovitih supstanci A i B izražava se jednadžbom A + B ® C. Početne koncentracije supstanci su [A] 0 = 0,05 mol/l i [B] 0 = 0,05 mol/l. Nakon nekog vremena koncentracija tvari se smanjila za polovicu. Odredite kako je potrebno promijeniti temperaturu tako da brzina reakcije postane jednaka početnoj brzini, ako je a) temperaturni koeficijent reakcije 2, b) energija aktivacije je 70 kJ, temperatura reakcije je 27 °C?

33. Poznato je da kada temperatura poraste sa 290 na 300 K, brzina hemijske reakcije se udvostručuje. Izračunajte energiju aktivacije. Kako će se promijeniti brzina ove reakcije na 310 K ako se u sistem unese katalizator koji snižava energiju aktivacije ove reakcije za 10 kJ/mol?

Hemijska ravnoteža

1. Na određenoj temperaturi uspostavljena je ravnoteža u sistemu 2NO 2 «2NO+O 2 pri koncentracijama =0,4 mol/l, =0,2 mol/l, =0,1 mol/l. Odredite konstantu ravnoteže i početnu koncentraciju NO 2 ako je početna koncentracija kisika nula. Koji uslovi će pogodovati pomeranju ravnoteže ka stvaranju NO ako je direktna reakcija endotermna?

2. Konstanta ravnoteže sistema A + B "C + D jednaka je jedan. Koliki će postotak tvari A biti podvrgnut transformaciji ako se pomiješaju 3 mola supstance A i 5 molova supstance B? Koji će uslovi doprinijeti pomjeranju ravnoteže prema stvaranju B, ako je direktna reakcija egzotermna?

3. Za sistem

CO (G) + H 2 O (G) "CO 2 (G) + H 2 (G)

0 = 0 =0,03 mol/l, 0 = 0 =0. Izračunajte konstantu ravnoteže ako je ravnotežna koncentracija ugljičnog dioksida 0,01 mol/l. Koji će uslovi doprinijeti pomjeranju ravnoteže prema stvaranju CO ako je direktna reakcija endotermna?

4. Za sistem

2NO (G) + Cl 2 (G) "2NOCl (G)

0=0,5 mol/l, 0=0,2 mol/l, 0=0 mol/l. Nađite konstantu ravnoteže ako je do trenutka kada je nastupilo reagovalo 20% dušikovog oksida. Koji uslovi će pogodovati pomeranju ravnoteže prema stvaranju NOCl ako je direktna reakcija egzotermna?

H 2 (G) + I 2 (G) "2HI (G) ,

ako se 1 mol joda i 2 mola vodika stave u posudu kapaciteta 10 litara (K C = 50). Koji će uslovi doprinijeti pomjeranju ravnoteže prema stvaranju joda, ako je direktna reakcija egzotermna?

6. Za sistem CO (G) + H 2 O (G) "CO 2 (G) + H 2 (G), 0 \u003d 0 \u003d 1 mol / l, 0 \u003d 0 \u003d 0. Izračunajte sastav ravnotežne smjese (% vol.), ako je konstanta ravnoteže K C =1. Koji uslovi će pogodovati pomeranju ravnoteže prema stvaranju vodonika ako je obrnuta reakcija egzotermna?

7. U zatvorenoj posudi odvija se reakcija AB (D) “A (G) + B (G). Konstanta ravnoteže K C =0,04. Pronađite početnu koncentraciju AB ako je ravnotežna koncentracija AB 0,02 mol/l. Koji će uvjeti doprinijeti pomjeranju ravnoteže prema formiranju A, ako je obrnuta reakcija egzotermna?

8. U zatvorenoj posudi zapremine 10 l na temperaturi od 800˚S uspostavljena je ravnoteža CaCO 3 (T) “CaO (T) + CO 2 (G). Konstanta ravnoteže K P =300 kPa. Koja je masa CaCO 3 razložena? Koji će uvjeti doprinijeti pomjeranju ravnoteže prema stvaranju ugljičnog dioksida ako je direktna reakcija endotermna?

9. U zatvorenoj posudi na određenoj temperaturi uspostavljena je ravnoteža Fe (T) + H 2 O (G) “FeO (T) + H 2 (G). Odrediti udio izreagovane vode ako je K P = 1, a početni parcijalni pritisak vodonika je nula. Koji uslovi će pogodovati pomeranju ravnoteže prema stvaranju vodonika ako je obrnuta reakcija egzotermna?

10. Odrediti ravnotežnu koncentraciju vodika u sistemu 2HI (G) “H 2 (G) + I 2 (G) ako je početna koncentracija HI bila 0,05 mol/l, a konstanta ravnoteže K C = 0,02. Koji će uslovi doprinijeti pomjeranju ravnoteže prema stvaranju HI ako je direktna reakcija endotermna?

1. Osnovni pojmovi i postulati kemijske kinetike

Hemijska kinetika je grana fizičke hemije koja proučava brzine hemijskih reakcija. Osnovni zadaci hemijske kinetike su: 1) proračun brzina reakcija i određivanje kinetičkih krivulja, tj. ovisnost koncentracija reaktanata o vremenu ( direktni zadatak); 2) određivanje reakcionih mehanizama iz kinetičkih krivulja ( inverzni problem).

Brzina kemijske reakcije opisuje promjenu koncentracije reaktanata u jedinici vremena. Za reakciju

a A+ b B+... d D+ e E+...

brzina reakcije je definirana na sljedeći način:

gdje uglaste zagrade označavaju koncentraciju tvari (obično se mjeri u mol/l), t- vrijeme; a, b, d, e- stehiometrijski koeficijenti u jednadžbi reakcije.

Brzina reakcije ovisi o prirodi reaktanata, njihovoj koncentraciji, temperaturi i prisutnosti katalizatora. Ovisnost brzine reakcije od koncentracije opisana je osnovnim postulatom kemijske kinetike - zakon delujućih masa:

Brzina hemijske reakcije u svakom trenutku vremena proporcionalna je trenutnim koncentracijama reaktanata podignutih na neke stepene:

,

Gdje k- konstanta brzine (neovisno o koncentraciji); x, y- neki brojevi koji se pozivaju redosled reakcija supstanci A i B, respektivno. Ovi brojevi uglavnom nemaju nikakve veze sa koeficijentima a I b u jednadžbi reakcije. Zbir eksponenata x+ y pozvao opšti redosled reakcija. Redoslijed reakcije može biti pozitivan ili negativan, cijeli broj ili razlomak.

Većina hemijskih reakcija sastoji se od nekoliko faza, tzv elementarne reakcije. Pod elementarnom reakcijom obično se podrazumijeva jedan čin formiranja ili cijepanja kemijske veze, koji se odvija kroz formiranje prijelaznog kompleksa. Broj čestica uključenih u elementarnu reakciju naziva se molekularnost reakcije. Postoje samo tri tipa elementarnih reakcija: monomolekularne (A B + ...), bimolekularne (A + B D + ...) i trimolekularne (2A + B D + ...). Za elementarne reakcije, opći red je jednak molekularnosti, a redoslijed u smislu tvari jednak je koeficijentima u jednadžbi reakcije.

PRIMJERI

Primjer 1-1. Brzina stvaranja NO u reakciji 2NOBr (g) 2NO (g) + Br 2(g) je 1,6 . 10 -4 mol/(l.s). Kolika je brzina reakcije i potrošnja NOBr?

Rješenje. Po definiciji, brzina reakcije je:

Krtica / (l. s).

Iz iste definicije proizlazi da je stopa potrošnje NOBr jednaka stopi stvaranja NO sa suprotnim predznakom:

mol / (l. s).

Primjer 1-2. U reakciji 2. reda A + B D, početne koncentracije tvari A i B su 2,0 mol/l i 3,0 mol/l, respektivno. Brzina reakcije je 1,2. 10 -3 mol/(l.s) pri [A] = 1,5 mol/l. Izračunajte konstantu brzine i brzinu reakcije pri [B] = 1,5 mol/l.

Rješenje. Prema zakonu djelovanja mase, u svakom trenutku, brzina reakcije je:

.

Do trenutka kada je [A] = 1,5 mol/l reagovalo je 0,5 mol/l supstanci A i B, dakle [B] = 3 – 0,5 = 2,5 mol/l. Konstanta stope je:

L/(mol. s).

Do trenutka kada je [B] = 1,5 mol/l reagovalo je 1,5 mol/l supstanci A i B, dakle [A] = 2 – 1,5 = 0,5 mol/l. Brzina reakcije je:

Krtica / (l. s).

ZADACI

1-1. Kako je brzina reakcije sinteze amonijaka 1/2 N 2 + 3/2 H 2 \u003d NH 3 izražena kroz koncentracije dušika i vodika? (odgovor)

1-2. Kako će se promijeniti brzina reakcije sinteze amonijaka 1/2 N 2 + 3/2 H 2 \u003d NH 3 ako se jednačina reakcije napiše kao N 2 + 3H 2 = 2NH 3? (odgovor)

1-3. Koji je redoslijed elementarnih reakcija: a) Cl + H 2 = HCl + H; b) 2NO + Cl 2 = 2NOCl? (odgovor)

1-4. Koja od sljedećih vrijednosti može biti a) negativna; b) frakcijske vrijednosti: brzina reakcije, red reakcije, molekularnost reakcije, konstanta brzine, stehiometrijski koeficijent? (odgovor)

1-5. Zavisi li brzina reakcije o koncentraciji produkta reakcije? (odgovor)

1-6. Koliko puta će se povećati brzina elementarne reakcije u gasnoj fazi A = 2D sa 3 puta povećanjem pritiska? (Odgovor)

1-7. Odrediti red reakcije ako konstanta brzine ima dimenziju l 2 / (mol 2. s). (odgovor)

1-8. Konstanta brzine gasovite reakcije 2. reda na 25 °C je 10 3 l / (mol. s). Koliko je ta konstanta jednaka ako se kinetička jednačina izrazi kao pritisak u atmosferi? (Odgovor)

1-9. Za reakciju u gasnoj fazi n-ti red nA B izražava brzinu formiranja B u smislu ukupnog pritiska.(Odgovor)

1-10. Konstante brzine direktne i reverzne reakcije su 2,2 i 3,8 L/(mol s). Po kojem od sljedećih mehanizama mogu teći ove reakcije: a) A + B = D; b) A + B = 2D; c) A = B + D; d) 2A = B. (odgovor)

1-11. Reakcija razlaganja 2HI H 2 + I 2 ima 2. red sa konstantom brzine k= 5,95 . 10 -6 l/(mol. s). Izračunajte brzinu reakcije pri pritisku od 1 atm i temperaturi od 600 K. (odgovor)

1-12. Brzina reakcije 2. reda A + B D je 2,7. 10 -7 mol/(l. s) pri koncentracijama tvari A i B, respektivno, 3,0. 10 -3 mol/l i 2,0 mol/l. Izračunajte konstantu brzine. (Odgovor)

1-13. U reakciji 2. reda A + B 2D, početne koncentracije tvari A i B su po 1,5 mol/L. Brzina reakcije je 2,0. 10 -4 mol/(l.s) pri [A] = 1,0 mol/l. Izračunajte konstantu brzine i brzinu reakcije na [B] = 0,2 mol/l. (odgovor)

1-14. U reakciji 2. reda A + B 2D, početne koncentracije tvari A i B su 0,5 odnosno 2,5 mol/l. Koliko je puta brzina reakcije pri [A] = 0,1 mol/l manja od početne brzine? (odgovor)

1-15. Brzina reakcije u gasnoj fazi je opisana jednadžbom w = k. [A] 2 . [B]. U kojem omjeru između koncentracija A i B će početna brzina reakcije biti maksimalna pri fiksnom ukupnom pritisku? (odgovor)

2. Kinetika jednostavnih reakcija

U ovom dijelu ćemo, na osnovu zakona djelovanja mase, sastaviti i riješiti kinetičke jednadžbe za ireverzibilne reakcije cjelobrojnog reda.

Reakcije 0. reda. Brzina ovih reakcija ne zavisi od koncentracije:

,

gdje je [A] koncentracija polazne tvari. Nulti red se javlja u heterogenim i fotohemijskim reakcijama.

Reakcije 1. reda. U reakcijama tipa A B, brzina je direktno proporcionalna koncentraciji:

.

Prilikom rješavanja kinetičkih jednadžbi često se koristi sljedeća oznaka: početna koncentracija [A] 0 = a, trenutna koncentracija [A] = a - x(t), Gdje x(t) je koncentracija izreagovane supstance A. U ovim zapisima, kinetička jednadžba za reakciju 1. reda i njeno rješenje imaju oblik:

Rješenje kinetičke jednadžbe je također napisano u drugom obliku, pogodnom za analizu redoslijeda reakcije:

.

Vrijeme koje je potrebno polovini tvari A da se raspadne naziva se vrijeme poluraspada t 1/2. Definisano je jednadžbom x(t 1/2) = a/2 i jednako

Reakcije 2. reda. U reakcijama tipa A + B D + ..., brzina je direktno proporcionalna proizvodu koncentracija:

.

Početne koncentracije supstanci: [A] 0 = a, [B] 0 = b; trenutne koncentracije: [A] = a- x(t), [B] = b - x(t).

Prilikom rješavanja ove jednačine razlikuju se dva slučaja.

1) iste početne koncentracije tvari A i B: a = b. Kinetička jednačina ima oblik:

.

Rješenje ove jednadžbe je napisano u različitim oblicima:

Vrijeme poluraspada tvari A i B je isto i jednako:

2) Početne koncentracije tvari A i B su različite: a b. Kinetička jednačina ima oblik:
.

Rješenje ove jednačine se može napisati na sljedeći način:

Vrijeme poluraspada tvari A i B je različito: .

reakcije n-tog reda n A D + ... Kinetička jednačina ima oblik:

.

Rješenje kinetičke jednadžbe:

. (2.1)

Poluživot supstance A obrnuto je proporcionalan ( n-1)-ti stepen početne koncentracije:

. (2.2)

Primjer 2-1. Vrijeme poluraspada radioaktivnog izotopa 14 C je 5730 godina. Prilikom arheoloških iskopavanja pronađeno je drvo čiji sadržaj 14 C iznosi 72% normalnog. Koja je starost drveta?
Rješenje. Radioaktivni raspad je reakcija prvog reda. Konstanta stope je:

Životni vijek stabla se može naći iz rješenja kinetičke jednadžbe, uzimajući u obzir činjenicu da je [A] = 0,72 . [A]0:

Primjer 2-2. Utvrđeno je da je reakcija 2. reda (jedan reagens) 75% završena za 92 min pri početnoj koncentraciji reagensa od 0,24 M. Koliko će vremena trebati da koncentracija reagensa dostigne 0,16 M pod istim uslovima?
Rješenje. Zapisujemo dva puta rješenje kinetičke jednadžbe za reakciju 2. reda s jednim reagensom:

,

gdje, po konvenciji, a= 0,24M, t 1 = 92 min, x 1 = 0,75 . 0,24=0,18M, x 2 = 0,24 - 0,16 = 0,08 M. Podijelimo jednu jednačinu drugom:

Primjer 2-3. Za elementarnu reakciju n A B označava vreme poluraspada A do t 1/2, a vreme raspada A za 75% - do t 3/4. Dokažite da omjer t 3/4 / t 1/2 ne ovisi o početnoj koncentraciji, već je određen samo redoslijedom reakcije n.Rješenje. Zapisujemo dva puta rješenje kinetičke jednadžbe za reakciju n-ti red sa jednim reagensom:

i podijelite jedan izraz drugim. Konstante k I a iz oba izraza će se poništiti i dobijamo:

.

Ovaj rezultat se može generalizirati dokazivanjem da omjer vremena za koje je stupanj konverzije a i b ovisi samo o redoslijedu reakcije:

.

ZADACI

2-2. Reakcija prvog reda se odvija za 30% za 7 min. Koliko će vremena trebati da reakcija bude 99% potpuna? (odgovor)

2-3. Vrijeme poluraspada radioaktivnog izotopa 137 Cs, koji je ušao u atmosferu kao rezultat nesreće u Černobilu, iznosi 29,7 godina. Nakon kojeg vremena će količina ovog izotopa biti manja od 1% originalne? (odgovor)

2-4. Vrijeme poluraspada radioaktivnog izotopa 90 Sr, koji ulazi u atmosferu tokom nuklearnih testova, iznosi 28,1 godina. Pretpostavimo da je tijelo novorođenčeta apsorbiralo 1,00 mg ovog izotopa. Koliko će stroncijuma ostati u organizmu nakon a) 18 godina, b) 70 godina, ako pretpostavimo da se ne izluči iz organizma? (Odgovor)

2-5. Konstanta brzine reakcije prvog reda SO 2 Cl 2 = SO 2 + Cl 2 je 2,2. 10 -5 s -1 na 320 o C. Koliki procenat SO 2 Cl 2 će se razgraditi ako se drži 2 sata na ovoj temperaturi? (Odgovor)

2-6. Konstanta brzine reakcije 1. reda

2N 2 O 5 (g) 4NO 2 (g) + O 2 (g)

na 25°C iznosi 3,38. 10 -5 s -1 . Koliki je period poluraspada N 2 O 5 ? Koliki će biti pritisak u sistemu nakon a) 10 s, b) 10 min, ako je početni pritisak bio 500 mm Hg. Art. (odgovor)

2-7. Reakcija prvog reda se izvodi s različitim količinama polaznog materijala. Hoće li se tangente na početne dijelove kinetičkih krivulja sjeći u jednoj tački na x-osi? Objasni odgovor (odgovor)

2-8. Reakcija prvog reda A 2B se odvija u gasnoj fazi. Početni pritisak je str 0 (B nedostaje). Naći zavisnost ukupnog pritiska od vremena. Nakon kojeg vremena će se pritisak povećati za 1,5 puta u odnosu na početni? Koliki je stepen reakcije do tog trenutka? (odgovor)

2-9. Reakcija drugog reda 2A B teče u gasnoj fazi. Početni pritisak je str 0 (B nedostaje). Naći zavisnost ukupnog pritiska od vremena. Nakon kojeg vremena će se pritisak smanjiti za 1,5 puta u odnosu na početni? Koliki je stepen reakcije do tog trenutka? (odgovor)

2-10. Supstanca A je pomešana sa supstancama B i C u jednakim koncentracijama od 1 mol/l. Nakon 1000 s ostaje 50% tvari A. Koliko će tvari A ostati nakon 2000 s ako reakcija ima: a) nulu, b) prvi, c) drugi, c) treći opći red? (odgovor)

2-11. Koja će od reakcija - prvog, drugog ili trećeg reda - završiti brže ako su početne koncentracije tvari 1 mol/l i sve konstante brzine izražene u mol/l i s jednake 1? (odgovor)

2-12. Reakcija

CH 3 CH 2 NO 2 + OH - H 2 O + CH 3 CHNO 2 -

ima drugi red i konstantu brzine k= 39,1 l/(mol. min) na 0 oko C. Pripremljen je rastvor koji sadrži 0,004 M nitroetana i 0,005 M NaOH. Koliko vremena je potrebno da 90% nitroetana reaguje?

2-13. Konstanta brzine rekombinacije H+ i FG - (fenilglioksinat) jona u molekulu UFH na 298 K je k= 10 11,59 l/(mol. s). Izračunajte vrijeme tokom kojeg je reakcija protekla za 99,999% ako su početne koncentracije oba jona jednake 0,001 mol/L. (odgovor)

2-14. Brzina oksidacije butanola-1 hipohlornom kiselinom ne zavisi od koncentracije alkohola i proporcionalna je 2 . Koliko će vremena trebati da reakcija oksidacije na 298 K dostigne 90% ako je početni rastvor sadržavao 0,1 mol/l HClO i 1 mol/l alkohola? Konstanta brzine reakcije je k= 24 l/(mol. min). (odgovor)

2-15. Na određenoj temperaturi, 0,01 M rastvor etil acetata se saponifikuje sa 0,002 M rastvorom NaOH za 10% za 23 min. Nakon koliko minuta će se saponificirati do istog stepena sa 0,005 M otopinom KOH? Smatrajte da je ova reakcija drugog reda i da su alkalije potpuno disocirane. (Odgovor)

2-16. Reakcija drugog reda A + B P izvodi se u rastvoru sa početnim koncentracijama [A] 0 = 0,050 mol/l i [B] 0 = 0,080 mol/l. Nakon 1 h koncentracija tvari A se smanjila na 0,020 mol/l. Izračunajte konstantu brzine i poluživot obje supstance.

SESIJA 10 10. razred(prva godina studija)

Osnove hemijske kinetike. Plan stanja hemijske ravnoteže

1. Kemijska kinetika i područje njenog proučavanja.

2. Brzina homogenih i heterogenih reakcija.

3. Ovisnost brzine reakcije o različitim faktorima: prirodi reaktanata, koncentraciji reaktanata (zakon djelovanja mase), temperaturi (van't Hoffovo pravilo), katalizatoru.

4. Reverzibilne i ireverzibilne hemijske reakcije.

5. Hemijska ravnoteža i uslovi za njeno pomeranje. Le Chatelierov princip.

Grana hemije koja proučava brzine i mehanizme hemijskih reakcija naziva se hemijska kinetika. Jedan od glavnih koncepata u ovom odeljku je koncept brzine hemijske reakcije. Neke kemijske reakcije se odvijaju gotovo trenutno (na primjer, reakcija neutralizacije u otopini), druge se odvijaju milenijumima (na primjer, transformacija grafita u glinu tokom trošenja stijena).

Brzina homogene reakcije je količina supstance koja ulazi u reakciju ili nastaje kao rezultat reakcije u jedinici vremena po jedinici zapremine sistema:

Drugim riječima, brzina homogene reakcije jednaka je promjeni molarne koncentracije bilo kojeg od reaktanata u jedinici vremena. Brzina reakcije je pozitivna vrijednost, stoga, ako se izražava kroz promjenu koncentracije produkta reakcije, stavlja se znak “+”, a kada se koncentracija reagensa promijeni, znak je “–”.

Brzina heterogene reakcije je količina tvari koja ulazi u reakciju ili nastaje kao rezultat reakcije u jedinici vremena po jedinici površine faze:

Najvažniji faktori koji utiču na brzinu hemijske reakcije su priroda i koncentracija reaktanata, temperatura i prisustvo katalizatora.

Uticaj priroda reagensa To se manifestira u činjenici da pod istim uvjetima različite tvari međusobno djeluju različitom brzinom, na primjer:

Sa povećanjem koncentracije reagensa povećava se broj sudara između čestica, što dovodi do povećanja brzine reakcije. Kvantitativno, ovisnost brzine reakcije o koncentraciji reagensa izražena je zakonom djelovanja u u u u s u s i s (K.M. Guldberg i P. Waage, 1867; N.I. Beketov, 1865). Brzina homogene hemijske reakcije pri konstantnoj temperaturi direktno je proporcionalna proizvodu koncentracija reaktanata u snagama jednakim njihovim stehiometrijskim koeficijentima (koncentracije čvrstih materija se ne uzimaju u obzir), na primer:

gde su A i B gasovi ili tečnosti, k- konstanta brzine reakcije, jednaka brzini reakcije pri koncentraciji reaktanata od 1 mol/l. Konstantno k ovisi o svojstvima reaktanata i temperaturi, ali ne ovisi o koncentraciji tvari.

Ovisnost brzine reakcije o temperatura je opisan eksperimentalnim pravilom Van t-Goffa (1884). S povećanjem temperature za 10 °, brzina većine kemijskih reakcija povećava se 2-4 puta:

gdje je temperaturni koeficijent.

Katalizator Supstancom se naziva supstanca koja mijenja brzinu kemijske reakcije, ali se kao rezultat te reakcije ne troši. Postoje pozitivni katalizatori (specifični i univerzalni), negativni (inhibitori) i biološki (enzimi ili enzimi). Promjena brzine reakcije u prisustvu katalizatora naziva se kataliza. Razlikovati homogenu i heterogenu katalizu. Ako su reaktanti i katalizator u istom agregacijskom stanju, kataliza je homogena; u različitim - heterogenim.

Homogena kataliza:

heterogena kataliza:

Mehanizam djelovanja katalizatora je vrlo složen i nije u potpunosti shvaćen. Postoji hipoteza o stvaranju intermedijarnih spojeva između reaktanta i katalizatora:

A + kat. ,

U AB + kat.

Da bi se pojačalo djelovanje katalizatora, koriste se promotori; postoje i katalitički otrovi koji slabe djelovanje katalizatora.

Na brzinu heterogene reakcije utiče veličina interfejsa(stepen finoće supstance) i brzinu dovoda reagensa i odstranjivanja produkta reakcije sa međuprostora.

Sve hemijske reakcije se dijele na dvije vrste: reverzibilne i nepovratne.

Nepovratne su kemijske reakcije koje se odvijaju samo u jednom smjeru., tj. proizvodi ovih reakcija ne stupaju u interakciju jedni s drugima da bi formirali početne materijale. Uslovi za ireverzibilnost reakcije su stvaranje taloga, gasa ili slabog elektrolita. Na primjer:

BaCl 2 + H 2 SO 4 \u003d BaSO 4 + 2HCl,

K 2 S + 2HCl \u003d 2KCl + H 2 S,

HCl + NaOH \u003d NaCl + H 2 O.

Reverzibilne su reakcije koje se odvijaju istovremeno u smjeru naprijed i nazad., Na primjer:

Kada dođe do reverzibilne kemijske reakcije, brzina direktne reakcije u početku ima maksimalnu vrijednost, a zatim se smanjuje zbog smanjenja koncentracije polaznih tvari. Obrnuta reakcija, naprotiv, u početnom trenutku vremena ima minimalnu brzinu, koja se postepeno povećava. Dakle, u određenom trenutku, stanje hemijske ravnoteže pri kojoj je brzina prednje reakcije jednaka brzini obrnute reakcije. Stanje hemijske ravnoteže je dinamično - i dalje se odvijaju i prednja i obrnuta reakcija, ali pošto su njihove brzine jednake, koncentracije svih supstanci u reakcionom sistemu se ne menjaju. Ove koncentracije se nazivaju ravnotežnim.

Omjer konstanti brzine direktne i reverzne reakcije je konstanta i naziva se konstanta ravnoteže ( TO R ) . Koncentracije čvrstih materija nisu uključene u izraz konstante ravnoteže. Konstanta ravnoteže reakcije ovisi o temperaturi i tlaku, ali ne ovisi o koncentraciji reaktanata i prisutnosti katalizatora, koji ubrzava i prednju i obrnutu reakciju. Više TO p, veći je praktični prinos produkta reakcije. Ako TO p > 1, tada u sistemu dominiraju produkti reakcije; Ako TO R< 1, в системе преобладают реагенты.

Hemijska ravnoteža je pokretna, tj. kada se vanjski uvjeti promijene, brzina reakcije naprijed ili nazad može se povećati. Pravac pomeranja ravnoteže određen je principom koji je formulisao francuski naučnik Le Chatelier 1884. Ako se na ravnotežni sistem izvrši spoljni uticaj, onda se ravnoteža pomera prema reakciji koja se suprotstavlja ovom uticaju. Na pomak ravnoteže utiču promjene koncentracije reagensa, temperature i pritiska.

Povećanje koncentracije reaktanata i povlačenje produkata dovode do pomaka u ravnoteži prema direktnoj reakciji.

Kada se sistem zagreva, ravnoteža se pomera ka endotermnoj reakciji, a kada se ohladi, pomera se ka egzotermnoj.

Za reakcije koje uključuju plinovite tvari, povećanje tlaka pomiče ravnotežu u smjeru reakcije koja se odvija sa smanjenjem broja molekula plina. Ako se reakcija odvija bez promjene broja molekula plinovitih tvari, tada promjena tlaka ni na koji način ne utječe na promjenu ravnoteže.

Problem 325.
Pronađite vrijednost konstante brzine reakcije A + B ⇒ AB, ako je pri koncentracijama tvari A i B jednakim 0,05 odnosno 0,01 mol/l, brzina reakcije 5 . 10 -5 mol/(L min).
Rješenje:
Brzina hemijska reakcija je izražena jednadžbom:

v- , k - konstanta brzine reakcije

Odgovori: 0,1/mol. min.

Problem 326.
Koliko će se puta promijeniti brzina reakcije 2A + B ⇒ A 2 B ako se koncentracija tvari A udvostruči, a koncentracija tvari B smanji za 2 puta?
Rješenje:

v- , k - konstanta brzine reakcije, [A] i [B] su koncentracije početnih supstanci.

Zbog povećanja koncentracije supstance A za 2 puta i smanjenja koncentracije supstance B za 2 puta, brzina reakcije će biti izražena jednadžbom:

Upoređujući izraze za v i v" , nalazimo da se brzina reakcije povećala za 2 puta.

odgovor: povećan za 2 puta.

Problem 327.
Koliko puta treba povećati koncentraciju supstance B 2 u sistemu
2A 2 (g) + B 2 (g) \u003d 2A 2 B, tako da kada se koncentracija tvari A smanji za 4 puta, brzina direktne reakcije se ne mijenja?
Rješenje:
Koncentracija supstance A smanjena je za 4 puta. Promjena koncentracije supstance B označava se sa x. Tada, prije promjene koncentracije tvari A, brzina reakcije se može izraziti jednadžbom:

v- , k - konstanta brzine reakcije, [A] i [B] su koncentracije početnih supstanci.
Nakon promjene koncentracije tvari A 2, brzina reakcije će biti izražena jednadžbom:

Po uslovu problema, v = v" ili

Dakle, koncentraciju supstance B 2 u sistemu 2A 2 (g) + B 2 (g) \u003d 2A 2 B treba povećati 16 puta tako da kada se koncentracija supstance A 2 smanji za 4 puta, stopa direktna reakcija se ne mijenja.

Odgovori: 16 puta.

Problem 328.
Uvode se dvije posude istog kapaciteta: u prvu - 1 mol gasa A i 2 mola gasa B, u drugu 2 mola gasa A i 1 mol gasa B. Temperatura u obe posude je ista. Hoće li se brzina reakcije razlikovati između plinova A i B u ovim posudama ako se brzina reakcije izrazi sa: a) jednačinom b) jednačinom
Rješenje:
a) Ako je brzina reakcije izražena jednadžbom, tada, uzimajući u obzir koncentracije tvari A i B u posudama, zapisujemo izraze za brzine reakcije za posude:

dakle,

b) Ako je brzina reakcije izražena jednadžbom, tada, uzimajući u obzir koncentracije tvari A i B u posudama, zapisujemo izraze za brzine reakcije za posude:

dakle,

Odgovori: a) ne, b) da.

Problem 329.
Neko vrijeme nakon početka reakcije 3A + B ⇒ 2C+D koncentracije supstanci su bile: [A] = 0,03 mol/l; [B] = 0,01 mol/l; [C] = 0,008 mol/l. Koje su početne koncentracije tvari A i B?

Rješenje:
Da bismo pronašli koncentracije supstanci A i B, uzimamo u obzir da, prema jednadžbi reakcije, 1 mol supstance C nastaje od 3 mola supstance A i 1 mola supstance B. Pošto je, prema uslovu problem, u svakoj litri sistema nastalo je 0,008 mola supstance C, zatim 0,012 mola supstance A (3/2 . 0,008 = 0,012) i 0,004 mol supstance B (1/2 . 0,008 = 0,004). Dakle, početne koncentracije tvari A i B bit će jednake:

[A] 0 = 0,03 + 0,012 = 0,042 mol/l;
[B] 0 = 0,01 + 0,004 = 0,014 mol/l.

odgovor:[A] 0 = 0,042 mol/l; [B] 0 = 0,014 mol/l.

Zadatak 330.
U sistemu CO + C1 2 = COC1 2 koncentracija je povećana sa 0,03 na 0,12 mol/l, a koncentracija hlora sa 0,02 na 0,06 mol/l. Za koliko se povećala brzina reakcije naprijed?
Rješenje:
Prije promjene koncentracije, brzina reakcije se može izraziti jednadžbom:

v je brzina reakcije, k je konstanta brzine reakcije, [CO] i su koncentracije početnih supstanci.

Nakon povećanja koncentracije reaktanata, brzina reakcije je:

Izračunajte koliko se puta povećala brzina reakcije:

Odgovori: 12 puta.

Brzina hemijskih reakcija Grana hemije koja proučava brzinu i mehanizam hemijskih reakcija naziva se hemijska kinetika. Brzina hemijske reakcije je broj elementarnih činova interakcije po jedinici vremena u jedinici reakcionog prostora. Ova definicija vrijedi i za homogene i za heterogene procese. U prvom slučaju, prostor za reakciju je zapremina reakcione posude, au drugom slučaju površina na kojoj se reakcija odvija. Budući da se tokom interakcije koncentracije reaktanata ili produkta reakcije mijenjaju u jedinici vremena. U tom slučaju nema potrebe za praćenjem promjene koncentracije svih supstanci koje sudjeluju u reakciji, jer njena stehiometrijska jednadžba utvrđuje omjer između koncentracija reagensa. Koncentracija reaktanata se najčešće izražava kao broj molova u 1 litri (mol/l). Brzina hemijske reakcije zavisi od prirode supstanci koje reaguju, koncentracije, temperature, veličine kontaktne površine supstanci, prisutnosti katalizatora i dr. , i govore o monomolekularnoj reakciji; kada se dva različita molekula sudare u elementarnom činu, zavisnost ima sljedeći oblik: u - k[A][B], a govori se o bimolekularnoj reakciji; kada se tri molekula sudare u elementarnom činu, zavisnost brzine od koncentracije je tačna: v - k[A] [B] [C], a govori se o trimolekulskoj reakciji. U svim analiziranim zavisnostima: v je brzina reakcije; [A], [B], [C] - koncentracije reaktanata; k - koeficijent proporcionalnosti; zove se konstanta brzine reakcije. v = k kada su koncentracije reaktanata ili njihovog proizvoda jednake jedan. Konstanta brzine ovisi o prirodi reaktanata i o temperaturi. Zavisnost brzine jednostavnih reakcija (tj. reakcija koje se odvijaju kroz jedan elementarni čin) o koncentraciji opisana je zakonom djelovanja mase koji su ustanovili K. Guldberg i P. Waage 1867: brzina kemijske reakcije je direktno proporcionalna proizvod koncentracije reagujućih supstanci podignutih na stepen njihovih stehiometrijskih koeficijenata. Na primjer, za reakciju 2NO + 02 = 2N02; v - k2 i povećaće se tri puta. Pronađite: Rješenje: 1) Napišite jednačinu reakcije: 2CO + 02 = 2CO2. Prema zakonu djelovanja mase, v - k[C0]2. 2) Označite [CO] = a; = b, tada je: v = k a2 b. 3) Sa povećanjem koncentracije polaznih supstanci za faktor 3, dobijamo: [CO] = 3a, a = 3b. 4) Izračunajte brzinu reakcije u1: - k9a23b - k27a% a ako je k27 D2b 27 v k a2b Odgovor: 27 puta. Primjer 3 Koliko će se puta povećati brzina kemijske reakcije s porastom temperature za 40 °C, ako je temperaturni koeficijent brzine reakcije 3? Dato: Na \u003d 40 ° C Y - 3 Pronađite: 2 Rješenje: 1) Prema van't Hoffovom pravilu: h-U vt2 \u003d vh y 10, 40 i, - vt\u003e 3 10 - vt -81. 2 1 1 Odgovor: 81 put. a Primer 4 Reakcija između supstanci A i B teče po šemi 2A + B *» C. Koncentracija supstance A je 10 mol/l, a supstance B - b mol/l. Konstanta brzine reakcije je 0,8 l2 4 mol "2 sec"1. Izračunajte brzinu hemijske reakcije u početnom trenutku, kao i u trenutku kada u reakcionoj smeši ostane 60% supstance B. Dato je: k - 0,8 l2 mol "2 sec" 1 [A] = 10 mol / l [B] = 6 mol / l Pronađite: "početak! ^ Rješenje: 1) Pronađite brzinu reakcije u početnom trenutku: v - k [A] 2 [B], r> \u003d 0,8 102 b - 480 mol - l sec "1. početak 2) Nakon nekog vremena u reakcionoj smjesi će ostati 60% supstance B. Tada: Dakle, [B] se smanjio za: 6 - 3,6 = 2,4 mol/l. 3) Iz jednadžbe reakcije slijedi da tvari A i B međusobno djeluju u omjeru 2: 1, pa se [A] smanjio za 4,8 mol / l i postao jednak: [A] \u003d 10 - 4,8 \u003d 5,2 mol/l. 4) Izračunavamo ako: d) \u003d 0,8 * 5,22 3,6 = 77,9 mol l "1 * sec" 1. Odgovor: r>početak ~ 480 mol l sec "1, r / \u003d 77,9 mol l-1 sec" 1. Primjer 5 Reakcija na temperaturi od 30 °C teče za 2 minute. Koliko će vremena trebati da se ova reakcija završi na temperaturi od 60 °C, ako je u datom temperaturnom rasponu temperaturni koeficijent brzine reakcije 2? Dato: t1 = 30 ° C t2 = 60 ° C 7 = 2 t = 2 min = 120 sek. Pronađite: h Rješenje: 1) U skladu s pravilom Van't Hoffa: vt - \u003d y u . vt - \u003d 23 \u003d 8. Vt 2) Brzina reakcije je obrnuto proporcionalna vremenu reakcije, dakle: Odgovor: t=15sec. Pitanja i zadaci za samostalno rješavanje 1. Definirajte brzinu reakcije. Navedite primjere reakcija koje se odvijaju različitom brzinom. 2. Izraz za pravu brzinu hemijske reakcije koja se odvija pri konstantnoj zapremini sistema zapisuje se na sledeći način: dC v = ±--. d t Navedite u kojim slučajevima su potrebni pozitivni, a u kojim negativni predznaci na desnoj strani izraza. 3. Koji faktori određuju brzinu hemijske reakcije? 4. Šta se zove energija aktivacije? Koji faktor utiče na brzinu hemijske reakcije? 5. Šta objašnjava snažno povećanje brzine reakcije s povećanjem temperature? 6. Definisati osnovni zakon hemijske kinetike - zakon dejstva mase. Ko i kada ga je formulirao? 7. Šta se zove konstanta brzine hemijske reakcije i od kojih faktora zavisi? 8. Šta je katalizator i kako utiče na brzinu hemijske reakcije? 9. Navedite primjere procesa koji koriste inhibitore. 10. Šta su promoteri i gdje se koriste? 11. Koje supstance se nazivaju "katalitički otrovi"? Navedite primjere takvih supstanci. 12. Šta je homogena i heterogena kataliza? Navedite primjere procesa koji koriste svoje katalitičke procese. 13. Kako će se promijeniti brzina reakcije 2CO + 02 = 2CO2 ako se zapremina gasne mešavine smanji za 2 puta? 14. Koliko će se puta povećati brzina kemijske reakcije s porastom temperature od 10°C na 40°C, ako se zna da će se s porastom temperature za 10°C brzina reakcije povećati za 2 puta ? 15. Brzina reakcije A + B \u003d C s povećanjem temperature za svakih 10 ° C povećava se tri puta. Za koliko će se puta povećati brzina reakcije kada temperatura poraste za 50 °C? 16. Koliko će se puta povećati brzina reakcije interakcije vodika i broma ako se koncentracije polaznih tvari povećaju za 4 puta? 17. Koliko puta će se brzina reakcije povećati s povećanjem temperature za 40 ° C (y = 2)? 18. Kako će se promijeniti brzina reakcije 2NO + 02 ^ 2N02 ako se pritisak u sistemu udvostruči? 19. Koliko puta treba povećati koncentraciju vodonika u sistemu N2 + 3H2^ 2NH3 da bi se brzina reakcije povećala 125 puta? 20. Reakcija između dušikovog oksida (II) i hlora odvija se prema jednačini 2NO + C12 2NOC1; kako će se brzina reakcije promijeniti s povećanjem: a) koncentracije dušikovog oksida dva puta; b) koncentracija hlora udvostručena; c) koncentracija obje supstance udvostručena? . 21. Na 150°C neka reakcija je završena za 16 minuta. Uz pretpostavku da je temperaturni koeficijent 2,5, izračunajte koliko će vremena biti potrebno da se ista reakcija završi na 80°C. 22. Za koliko stepeni treba povećati temperaturu da se brzina reakcije poveća za 32 puta. Temperaturni koeficijent brzine reakcije je 2. 23. Na 30 °C, reakcija se odvija za 3 minute. Koliko će trajati ista reakcija na 50 °C ako je temperaturni koeficijent brzine reakcije 3. 24. Na temperaturi od 40 °C reakcija teče 36 minuta, a na 60 °C - 4 minute. Izračunajte temperaturni koeficijent brzine reakcije. 25. Brzina reakcije na 10 °C je 2 mol/l. Izračunajte brzinu ove reakcije na 50°C ako je temperaturni koeficijent brzine reakcije 2.