Пример 4.1. Как ще се промени скоростта на всяка реакция?
2NO (g) + Cl 2 (g) = 2NOCI (g) (1); CaO (k) + CO 2 (g) = CaCO 3 (k) (2),
ако във всяка система налягането се увеличи 3 пъти?
Решение. Реакцията (1) е хомогенна и според закона за масовото действие началната скорост на реакцията е v = k∙ ∙ ; реакция (2) е хетерогенна и нейната скорост се изразява с уравнението v = k∙. Концентрацията на веществата в твърдата фаза (CaO в тази реакция) не се променя по време на реакцията и следователно не е включена в уравнението на закона за масово действие.
Увеличаването на налягането във всяка от системите с 3 пъти ще доведе до намаляване на обема на системата с 3 пъти и увеличаване на концентрацията на всяко от реагиращите газообразни вещества с 3 пъти. При нови концентрации на скоростта на реакцията: v" = k∙(3) 2 ∙3 = 27 k∙ ∙ (1) и v" = k 3 (2). Сравнявайки изразите за скоростите v и v", установяваме, че скоростта на реакция (1) нараства 27 пъти, а реакция (2) - 3 пъти.
Пример 4.2.Реакцията между веществата A и B се изразява с уравнението 2A + B = D. Началните концентрации са: C A = 5 mol/l, C B = 3,5 mol/l. Скоростната константа е 0,4. Изчислете скоростта на реакцията в началния момент и в момента, когато 60% от веществото А остава в реакционната смес.
Решение.Съгласно закона за действието на масите v = . В началния момент скоростта v 1 = 0,4 × 5 2 × 3,5 = 35. След известно време 60% от веществото А ще остане в реакционната смес, т.е. концентрацията на веществото А ще стане равна на 5 × 0,6 = 3 mol/l. Това означава, че концентрацията на А е намаляла с 5 – 3 = 2 mol/l. Тъй като А и В взаимодействат помежду си в съотношение 2:1, концентрацията на веществото В намалява с 1 mol и става равна на 3,5 – 1 = 2,5 mol/l. Следователно v 2 = 0,4 × 3 2 × 2,5 = 9.
Пример 4.3. Известно време след началото на реакцията
2NO + O 2 = 2NO 2 концентрациите на веществата бяха (mol/l): = 0,06;
0,12; = 0,216. Намерете началните концентрации на NO и O2.
Решение.Първоначалните концентрации на NO и O 2 се намират въз основа на уравнението на реакцията, според което 2 mol NO се изразходват за образуване на 2 mol 2NO 2. Съгласно условията на задачата се образуват 0,216 mol NO 2, за които са изразходвани 0,216 mol NO. Това означава, че първоначалната концентрация на NO е:
0,06 + 0,216 = 0,276 mol/l.
Съгласно уравнението на реакцията за образуване на 2 mol NO 2 е необходим 1 mol O 2, а за получаване на 0,216 mol NO 2 е необходимо 0,216 / 2 = 0,108 mol / O 2. Първоначалната концентрация на O 2 е: = 0,12 + 0,108 = 0,228 mol/l.
Така първоначалните концентрации бяха:
0,276 mol/l; = 0,228 mol/l.
Пример 4.4.При 323 K, някаква реакция завършва за 30 s. Определете как скоростта на реакцията и времето на нейното протичане ще се променят при 283 K, ако температурният коефициент на скоростта на реакцията е 2.
Решение.Използвайки правилото на Вант Хоф, намираме колко пъти ще се промени скоростта на реакцията:
2 –4 = .
Скоростта на реакцията намалява 16 пъти. Скоростта на реакцията и времето, необходимо за протичане, са обратно пропорционални. Следователно времето на тази реакция ще се увеличи 16 пъти и ще бъде 30 × 16 = 480 s = 8 min.
Задачи
№ 4.1 . Реакцията протича съгласно уравнението 3H 2 + CO = CH 4 + H 2 O
Началните концентрации на реагентите са (mol/l): = 0,8; CCO = 0,6. Как ще се промени скоростта на реакцията, ако концентрацията на водород се увеличи до 1,2 mol/l и концентрацията на въглероден окис се увеличи до 0,9 mol/l?
(Отговор:ще се увеличи 5 пъти).
№ 4.2 . Реакцията на разлагане на N 2 O следва уравнението 2N 2 O = 2N 2 + O 2. Константата на скоростта на реакцията е 5·10 –4. Първоначална концентрация
0,32 mol/l. Определете скоростта на реакцията в началния момент и в момента, когато 50% N 2 O се разлага. ( Отговор: 5,12 . 10 -5 ; 1,28 . 10 -5).
№ 4.3 . Реакцията между веществата А и В се изразява с уравнението
A + 2B = D. Начални концентрации: C A = 0,3 mol/l и C B = 0,4 mol/l. Скоростната константа е 0,8. Изчислете началната скорост на реакцията и определете как скоростта на реакцията се е променила след известно време, когато концентрацията на вещество А намалее с 0,1 mol.
(Отговор: 3,84 . 10 -2; намалява 6 пъти).
№ 4.4 .Какъв е температурният коефициент на скоростта на реакцията, ако при намаляване на температурата с 30 °C времето за реакция се увеличава 64 пъти? ( Отговор: 4).
№ 4.5 .Изчислете при каква температура реакцията ще завърши за 45 минути,ако при 20 o C са необходими 3 часа.Температурният коефициент на скоростта на реакцията е 3 ( Отговор: 32,6°С).
№ 4.6. Как ще се промени скоростта на реакцията CO + Cl 2 = COCl 2, ако налягането се увеличи 3 пъти и в същото време температурата се повиши с 30 o C (γ = 2)?
(Отговор:ще се увеличи 72 пъти).
№ 4.7 . Реакциите протичат съгласно уравненията
C (k) + O 2 (g) = CO 2 (g) (1); 2CO (g) + O 2 (g) = 2CO 2 (g) (2)
Как ще се промени скоростта на реакциите (1) и (2), ако във всяка система: а) налягането се намали 3 пъти; б) увеличаване на обема на съда 3 пъти; в) увеличаване на концентрацията на кислород 3 пъти? ( Отговор:а) ще намалее с (1) 3, (2) 27 пъти);
б) ще намалее с (1) 3, (2) 27 пъти); в) ще се увеличи с (1) и (2) с 3 пъти).
№ 4.8 . Реакцията протича съгласно уравнението H 2 + I 2 = 2HI. Скоростната константа е 0,16. Началните концентрации на водород и йод са съответно 0,04 mol/L и 0,05 mol/L. Изчислете началната скорост на реакцията и нейната скорост, когато концентрацията на H 2 стане равна на 0,03 mol/l. ( Отговор: 3,2 . 10 -3 ; 1,9 . 10 -3).
№ 4.9 . Окислението на сярата и нейния диоксид протича по уравненията:
S (k) + O 2 (g) = SO 2 (g) (1); 2SO 2 (g) + O 2 (g) = 2SO 3 (g) (2)
Как ще се промени скоростта на реакциите (1) и (2), ако във всяка система: а) се увеличи налягането 4 пъти; б) намаляване на обема на съда 4 пъти; в) увеличаване на концентрацията на кислород 4 пъти? ( Отговор:а) ще се увеличи с (1) 4, (2) 64 (кратно);
б) ще се увеличи с (1) 4, (2) 64 пъти); в) ще се увеличи с (1) и (2) 4 пъти).
№ 4.10 . Скоростната константа за реакцията 2A + B = D е 0,8. Начални концентрации: C A = 2,5 mol/l и C B = 1,5 mol/l. В резултат на реакцията концентрацията на веществото C B е 0,6 mol/l. Изчислете на какво са станали равни CA и скоростта на реакцията. ( Отговор: 0,7 mol/l; 0,235).
№ 4.11. Реакцията протича съгласно уравнението 4HCl + O 2 = 2H 2 O + 2Cl 2
Известно време след началото на реакцията концентрациите на участващите в нея вещества станаха (mol/l): = 0,85; = 0,44; = 0,30. Изчислете началните концентрации на HCl и O 2. ( Отговор:= 1,45; = 0,59 mol/l).
№ 4.12 . Първоначални концентрации на вещества в реакцията CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2
са равни (mol/l): CCO = 0,5; = 0,6; = 0,4; = 0,2. Изчислете концентрациите на всички вещества, участващи в реакцията, след като 60% H 2 O реагира. ( Отговор: CCO = 0,14; = 0,24; = 0,76; = 0,56 mol/l).
№ 4.13 . Как ще се промени скоростта на реакцията 2CO + O 2 = CO 2, ако:
а) увеличете обема на реакционния съд 3 пъти; б) увеличаване на концентрацията на CO 3 пъти; в) повишаване на температурата с 40 o C (γ = 2)? ( Отговор:а) ще намалее 27 пъти; б) ще се увеличи 9 пъти; в) ще се увеличи 16 пъти).
№ 4.14 . При 10 o C реакцията завършва за 20 минути. Колко дълго ще продължи реакцията, когато температурата се повиши до 40 o C, ако температурният коефициент е 3? ( Отговор: 44,4 s).
№ 4.15 . Колко пъти трябва да се увеличи?
а) концентрацията на CO в системата 2CO = CO 2 + C, така че скоростта на реакцията да се увеличи 4 пъти?
б) концентрацията на водород в системата N 2 + 3H 2 = 2NH 3, така че скоростта на реакцията да се увеличи 100 пъти?
в) налягане в системата 2NO + O 2 = 2NO 2, така че скоростта на образуване на NO 2 да се увеличи 10 3 пъти? ( Отговор: 2 пъти; 4,64 пъти; 10 пъти).
№ 4.16 . Скорост на реакцията A + 2B = AB 2 при C A = 0,15 mol/l и
C B = 0,4 mol/l е равно на 2,4 ∙ 10 −3. Определете константата на скоростта и скоростта на реакцията, когато концентрацията на B стане 0,2 mol/L. ( Отговор: 0,1; 2 ∙ 10 -4).
№ 4.17 . Как ще се промени скоростта на реакцията 2A + B = A 2 B, ако концентрацията на вещество A се увеличи 3 пъти, концентрацията на вещество B се намали 2 пъти и температурата се повиши с 40 o C (γ = 2 )? ( Отговор:ще се увеличи 72 пъти).
№ 4.18. Реакцията следва уравнението 2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O.
Известно време след началото на реакцията концентрациите на участващите в нея вещества станаха (mol/l): = 0,009; = 0,02; = 0,003. Изчислете: = 0,7 mol/l).
1. В съд се смесват газ А с количество вещество 4,5 mol и газ B с количество вещество 3 mol. Газовете A и B реагират в съответствие с уравнението A + B = C. След известно време в системата се образува газ C с количество вещество 2 mol. Какви количества нереагирали газове А и В остават в системата?
От уравнението на реакцията следва, че:
Dn(A) = Dn(B) = Dn(C) = 2 mol,
където Dn е промяната в количеството на веществото по време на реакцията.
Следователно това, което остава в съда е:
n 2 (A) = n 1 (A) - Dn (A); n 2 (A) = (4,5 - 2) mol = 2,5 mol;
n 2 (B) = n 1 (B) - Dn (B); n 2 (B) = (3 - 2) mol = 1 mol.
2. Реакцията протича съгласно уравнението: 2A + B ⇄ C и е от втори ред във вещество A и първи в вещество B. В началния момент скоростта на реакцията е 15 mol/l × s. Изчислява се константата на скоростта и скоростта на предната реакция в момента, в който 50% от веществото B реагира, ако началните концентрации са: C(A) = 10 mol/l; C(B) = 5 mol/l. Как ще се промени скоростта на химичната реакция?
C(B), който влезе в реакцията, е равен на:
C(B) = 0,5 5 = 2,5 mol/l.
Съответно C(A), който влезе в реакцията, е равен на:
2 mol/l A - 1 mol/l B
C(A) - 2,5 mol/l B
C(A) и C(B) след реакцията:
C(A) = 10 - 5 = 5 mol/l,
C(B) = 5 - 2,5 = 2,5 mol/l.
Скоростта на предната реакция ще бъде равна на:
Скоростта на химическата реакция ще се промени:
т.е. ще намалее 8 пъти.
3. Реакцията между веществата A и B се изразява с уравнението: A + 2B = C и има първи ред за вещество A и втори за вещество B. Началните концентрации на веществата са: C(A) = 2 mol /л; C(B) = 4 mol/l; константата на скоростта е 1,0. Намерете началната скорост на реакцията и скоростта след известно време, когато концентрацията на вещество А намалее с 0,3 mol/l.
Според закона за масовото действие:
Ако концентрацията на вещество А намалее с 0,3 mol/l, тогава концентрацията на вещество B намалява с 0,3 × 2 = 0,6 mol/l. След протичане на реакцията концентрациите са:
4. Скоростите на правата и обратната реакция в газовата фаза, протичащи в затворен съд, се изразяват с уравненията:
Съгласно закона за действието на масите скоростите на правата и обратната реакция при начални условия са равни:
Увеличаването на налягането с 3 пъти за газовите системи води до намаляване на обема на газовата смес с 3 пъти, концентрациите и на трите газа ще се увеличат със същото количество и скоростите на двете реакции ще станат съответно равни:
Съотношенията на скоростта на реакцията са:
По този начин скоростта на правата реакция ще се увеличи с 27 пъти, на обратната реакция с 9.
5. Реакцията при температура 50 0 С протича за 2 минути 15 s. Колко време ще отнеме тази реакция да завърши при температура 70 0 C, ако в този температурен диапазон температурният коефициент на скорост g е 3?
Когато температурата се повиши от 50 до 70 0 C, скоростта на реакцията се увеличава в съответствие с правилото на Van't Hoff:
Където = 70 0 C, = 50 0 C, a и са скоростите на реакцията при дадени температури.
Получаваме:
тези. скоростта на реакцията се увеличава 9 пъти.
Според дефиницията времето за реакция е обратно пропорционално на скоростта на реакцията, следователно:
където и е времето за реакция при температури И .
От тук получаваме:
Като се има предвид, че = 135 s (2 min 15 s), определяме времето за реакция при температура :
6. Колко пъти ще се увеличи скоростта на химична реакция, когато температурата се повиши от = 10 0 C до = 80 0 С , ако температурният коефициент на скоростта g е 2?
От правилото на Вант Хоф:
Скоростта на реакция ще се увеличи 128 пъти.
7. При изследване на кинетиката на елиминиране на лекарството от тялото на пациента беше установено, че след 3 часа 50% от първоначалното количество лекарство остава в тялото на пациента. Определете времето на полуживот и константата на скоростта на реакцията на отстраняване на лекарството от човешкото тяло, ако е известно, че това е реакция от първи ред.
Тъй като през даден период от време 50% от лекарството е отстранено от тялото, тогава t 1/2 = 3 часа. Нека изчислим константата на скоростта на реакцията от уравнението:
8. По време на лабораторни изследвания на водни разтвори на лекарството е установено, че поради хидролиза концентрацията на лекарството намалява от 0,05 mol/l до 0,03 mol/l на ден. Изчислете полуживота на реакцията на хидролиза на лекарството.
Тъй като реакциите на хидролиза обикновено протичат със значителен излишък на вода, нейната концентрация може да се поддържа постоянна. Следователно по време на реакцията се променя само концентрацията на лекарството и реакцията на хидролиза може да се счита за реакция от първи ред.
Намираме стойността на константата на скоростта на реакцията от уравнението:
9. Полуживотът на лекарството от тялото на пациента (реакция от първи ред) е 5 часа. Определете времето, през което 75% от лекарството ще бъде елиминирано от тялото.
Когато 75% от лекарството се екскретира от тялото, съотношението C/C 0 ще бъде 0,25. В този случай е удобно да използвате формулата:
,
10. Константата на скоростта на реакцията на хидролиза на захароза е 2,31×10 - 3 h - 1. Изчисли:
1) полуживот на реакцията;
2) времето, през което 20% захароза ще претърпи хидролиза;
3) каква част от глюкозата ще претърпи хидролиза след 5 дни.
1. Времето на полуразпад е равно на:
2. След като 20% от захарозата е претърпяла хидролиза, съотношението C/C 0 ще бъде 0,8. Следователно:
3. След 5 дни (120 часа) съотношението C/C 0 ще бъде:
Следователно 24% от глюкозата се хидролизира.
11. По време на определена реакция от първи ред 60% от първоначалното количество вещество претърпява трансформация за 30 минути. Определете каква част от веществото ще остане след 1 час.
1. След 30 минути количеството на останалото вещество ще бъде:
C 1 = C 0 - 0,6 C 0 = 0,4 × C 0.
т.е. съотношението C 0 /C 1 е 2.5.
2. Да намерим константата на скоростта на реакцията:
3. Количеството вещество С2, оставащо след 1 час, се определя по формулата:
Така след 1 час ще останат 16% от първоначалното вещество.
Въпроси за самоконтрол
1. Как се нарича скоростта на химичната реакция?
2. Каква е истинската скорост на хомогенна реакция?
3. Какво е измерението на скоростта на хомогенна реакция?
4. Как се нарича скоростта на хетерогенна реакция?
5. Какъв е размерът на скоростта на хетерогенна реакция?
6. Избройте факторите, влияещи върху скоростта на реакцията.
7. Формулирайте закона за действието на масите.
8. Какъв е физическият смисъл на константата на скоростта на реакцията? От какво зависи и от какво не зависи константата на скоростта на реакцията?
9. Какъв е редът на реакцията? Дайте примери за уравнения на реакции от нулев, първи, втори и трети ред.
10. Размерът на константата на скоростта на реакцията зависи ли от реда на реакцията?
11. Какво се нарича молекулярност на реакцията?
13. Дефинирайте прости и сложни реакции. Дайте класификация на сложните реакции.
14. Формулирайте правилото на Вант Хоф. Дайте математически израз за правилото на van't Hoff.
15. Как скоростта на реакцията зависи от енергията на активиране? Напишете уравнението на Арениус.
16. Какво е активиран комплекс? Защо реакциите протичат през етапите на образуване на активирани комплекси?
17. Какво е катализатор? Хомогенна и хетерогенна катализа. Защо реакциите протичат по-бързо в присъствието на катализатори?
18. Какво е ензимна катализа? Напишете уравнението на Михаелис-Ментен.
Варианти на задачи за самостоятелно решаване
Опция 1
1. Реакцията между вещества A и B се изразява с уравнението 2A + B = C и е от втори ред за вещество A и първи ред за вещество B. Началните концентрации на веществата са: C 0 (A) = 0,4 mol/l ; C 0 (B) = 0.8 mol/l; k = 0,6. Намерете началната скорост на реакцията и скоростта след известно време, когато концентрацията на вещество А намалее с 0,2 mol/l.
2. С колко градуса трябва да се повиши температурата, за да се увеличи скоростта на реакцията 64 пъти? Температурният коефициент на скоростта на реакцията g е равен на 2.
а) когато налягането в системата се удвои?
б) когато обемът на газовете се удвои?
Вариант №2
1. Реакцията протича по уравнението: A + B = C и е от първи ред по вещество А и по вещество B. Концентрацията на A се повишава от 2 на 8 mol/l, а концентрацията на B от 3 на 9 mol/l. Колко пъти се увеличи скоростта на предната реакция?
2. При 150 0 С реакцията завършва за 10 минути. Приемайки температурния коефициент g равен на 2, изчислете колко минути по-късно реакцията ще завърши при 170 0 C.
3. Скоростта на реакцията се изразява с уравнението: 
Колко пъти ще се промени скоростта на реакцията, когато концентрацията на изходните вещества се увеличи 3 пъти?
Вариант #3
1. Реакцията се изразява с уравнението: A + B = C и има първи ред във вещество A и вещество B. При начални концентрации C 0 (A) = 3 mol/l и C 0 (B) = 5 mol/l , скоростта на директната реакция е равна на 0,3 mol/l×s. Определете константата на скоростта и скоростта на реакцията след известно време, когато концентрацията на А намалее с 2 mol/l.
2. Колко пъти ще се увеличи скоростта на химична реакция при повишаване на температурата от 10 до 70 0 C, ако температурният коефициент на скоростта g е 2?
3. Скоростта на реакцията A (s) + 2B (газ) = C (s) се изразява с уравнението: 
Как ще се промени скоростта на реакцията, ако концентрацията на B се удвои?
Вариант No4
1. Реакцията протича по уравнението: 2A + B = 2C и има втори ред за вещество A и първи за вещество B. Изчислете скоростта на директната реакция в момента, когато 40% от веществото B реагира, ако началните концентрации са: C 0 (A) = 8 mol/l; C 0 (B) = 4 mol/l; k = 0,4.
2. Някаква реакция при 100 0 C завършва за 5 минути. Колко време ще отнеме, за да завърши при 80 0 C, ако температурният коефициент на скорост g е 3?
3. Скоростта на реакцията 3A + B = C се изразява с уравнението: 
Колко пъти ще се промени скоростта на реакцията напред:
а) когато концентрацията на вещество А се удвои?
б) с едновременно намаляване на концентрацията на изходните вещества с 2 пъти?
Вариант #5
1. Скоростта на определена реакция се увеличи 8 пъти, когато температурата се повиши от 40 до 70 0 C. Определете стойността на g.
2. Реакцията протича по уравнението: A + 3B = 2C и е от първи ред по вещество A и втори по вещество B. Началните концентрации на веществата са: C 0 (A) = 2 mol/l; C 0 (B) = 6 mol/l; k = 1. Изчислете началната скорост на предната реакция и скоростта в момента, в който концентрацията на веществото А е намаляла с 1 mol/l. Как ще се промени скоростта на химичната реакция?
3. Как ще се променят скоростите на правата и обратната реакция, протичащи в газовата фаза и отговарящи на уравненията:
Вариант #6
1. В затворен съд има смес от газове, състояща се от 1 mol A и 3 mol B, която реагира по уравнението: A + 3B = 2C. Скоростта на предната реакция се описва с уравнението 
Колко пъти ще намалее скоростта на предната реакция, след като 0,5 mol А реагира?
2. С колко градуса трябва да се повиши температурата, за да се увеличи скоростта на реакцията 9 пъти, ако температурният коефициент на скоростта g е 3?
3. Как ще се промени скоростта на директната газофазова реакция: 2A = B, чийто ред се оценява на 0,5, с изотермично намаляване на налягането в системата с 3 пъти?
Вариант №7
1. Реакцията между веществата A и B протича по уравнението: A + 2B = C и е от първи ред по вещество A и вещество B. Началните концентрации на реагиращите вещества са: C 0 (A) = 1,5 mol/ л; C 0 (B) = 3 mol/l; k = 0,4. Изчислете скоростта на химичната реакция в началния момент от време и след известно време, когато 75% от А е реагирало.
2. Какъв е температурният коефициент на скорост g, ако с повишаване на температурата с 30 0 C скоростта на реакцията се увеличава 27 пъти?
3. Как ще се променят скоростите на правата и обратната реакция, протичащи в газовата фаза и отговарящи на уравненията:
с изотермично увеличение на налягането с коефициент 2?
Вариант No8
1. В 1 литър разтвор, съдържащ 1 mol вещество А и 2 mol вещество B, възниква следната реакция: A + 3B = 2C + D. Директната реакция е от първи ред във вещество A и от втори ред във вещество B. Как многократно ли скоростта на директната реакция ще намалее?реакцията след като 0,65 mol вещество А е реагирало?
2. При повишаване на температурата от -5 до +5 0 С скоростта на бактериална хидролиза (ензимен процес) се увеличава 4 пъти. Намерете стойността на температурния коефициент на скоростта на реакцията g.
3. Колко пъти трябва да се увеличи концентрацията на вещество А в системата 2A (газ) = B (газ) + C (твърдо), така че скоростта на директната реакция, която е реакция от втори ред, да се увеличи 4 пъти?
Вариант No9
1. Реакцията протича съгласно уравнението: 2A + B = 2C и е от втори ред за вещество A и първи ред за вещество B. Скоростта на директната реакция е 8 mol/l×s. Изчислете константата на скоростта и скоростта на директната реакция в момента, в който реагират 30% от веществото B, ако началните концентрации са: C 0 (A) = 2 mol/l; C 0 (B) = 1 mol/l. Как ще се промени скоростта на химичната реакция?
2. Когато температурата се повиши от 10 до 50 0 C, скоростта на реакцията се увеличи 16 пъти. Определете температурния коефициент на скоростта g.
3. Реакцията протича по уравнението: A + B = C + D + E и има първи ред по вещество A и нулев по вещество B. Как ще се промени скоростта на директната реакция след разреждане на реагиращата смес 3 пъти?
Вариант No10
1. Реакцията протича съгласно уравнението: A + 2B = AB 2 и е от първи ред във вещество A и от второ във вещество B. Константата на скоростта на реакцията е 0,01. Изчислете скоростта на реакцията при начални концентрации: C 0 (A) = 0,8 mol/l; C 0 (B) = 0,8 mol/l и скоростта на реакцията в момента на образуване на 0,2 mol/l вещество AB 2.
2. Колко пъти ще се увеличи скоростта на химична реакция при повишаване на температурата от 30 до 60 0 C, ако температурният коефициент на скоростта g е 3?
3. Полуживотът на лекарството от тялото на пациента (реакция от първи ред) е 6 часа. Определете колко време ще отнеме, за да се намали съдържанието на лекарството в човешкото тяло 8 пъти.
Вариант №11
1. Реакцията протича по уравнението: A + B = 2C и е от първи ред по вещество A и вещество B. Началните концентрации на веществата са: C 0 (A) = 0,3 mol/l; C 0 (B) = 0.5 mol/l; k = 0,1. Намерете началната скорост на реакцията и скоростта на реакцията след известно време, когато концентрацията на А намалее с 0,1 mol/l.
2. При 100 0 C някаква реакция завършва за 16 минути. Вземайки температурния коефициент на скорост g равен на 2, изчислете колко минути по-късно ще завърши същата реакция при 140 0 C?
3. Полуживотът на лекарството от тялото на пациента (реакция от първи ред) е 2 часа. Определете времето, през което 99% от лекарството ще бъде елиминирано от тялото.
Вариант No12
1. Реакцията протича по уравнението: A + 2B = C и е от първи ред по вещество A и втори по вещество B. Началните концентрации на веществата са: C 0 (A) = 0,9 mol/l; C 0 (B) = 1.5 mol/l; k = 0,6. Намерете началната скорост на реакцията и скоростта след известно време, когато се изразходват 50% от веществото А.
2. Какъв е температурният коефициент на скоростта на химична реакция g? , ако с повишаване на температурата с 30 0 C скоростта се увеличава 27 пъти?
3. Полуживотът на определена реакция от първи ред е 30 минути. Изчислете каква част от първоначалното количество ще остане след 1 час.
Вариант No13
1. Реакцията протича съгласно уравнението: 2A + B = 2C и е от втори ред за вещество A и първи ред за вещество B. Константата на скоростта на реакцията е 5 × 10 - 2. Изчислява се скоростта на реакцията при начални концентрации C 0 (A) = 0,4 mol/l; C 0 (B) = 0,9 mol/l и скоростта на реакцията в момента на образуване на 0,1 mol вещество C.
2. При температура 10 0 С реакцията протича за 80 минути. При каква температура ще завърши реакцията за 20 минути, ако температурният коефициент на скорост g е 2?
3. По време на лабораторни изследвания е установено, че през деня концентрацията на лекарството в тялото на пациента намалява от 0,1 mol/l до 0,02 mol/l. Изчислете полуживота на лекарството, като приемете, че това е реакция от първи ред.
Вариант No14
1. В затворен съд с обем 1 литър има смес от газове, състояща се от 1 mol газ A и 3 mol газ B, която реагира по уравнението: A + 3B = 2C. Правата реакция е от първи ред по отношение на вещество А и от втори ред по отношение на вещество B. Как ще се промени скоростта на правата реакция след реакция на 0,5 mol газ А?
2. Когато температурата на системата се повиши от 10 до 50 0 C, скоростта на химичната реакция се увеличи 16 пъти. Определете температурния коефициент на скоростта на реакцията g .
3. При аварията в Чернобилската атомна електроцентрала (1986 г.) се отделя радионуклидът Cs-137, чийто период на полуразпад е 30 години. Изчислете каква част от радионуклида, попаднал в тялото, остава в момента.
Вариант No15
1. Реакцията протича по уравнението: A + B = C има първи ред в вещество A и във вещество B. При началните концентрации на веществата C 0 (A) = 0,6 mol/l; C 0 (B) = 0,8 mol/l, скоростта на реакцията е 0,03 mol/l×s. Определете константата на скоростта и скоростта на реакцията след известно време, когато концентрацията на вещество А намалее с 0,3 mol/l.
2. Скоростта на реакцията при 0 0 C е 1 mol/l×s. Изчислете скоростта на тази реакция при 30 0 C, ако температурният коефициент на скоростта на реакцията е 3.
3. Скоростната константа за хидролиза на пестицид при 25 0 C е 0,32 s - 1 . Първоначалната концентрация на пестицида в пробата е 2,5 mol/L. Изчислете колко време ще отнеме концентрацията на пестицида да намалее до 0,01 mol/l.
Вариант No16
1. Реакцията на разлагане протича съгласно уравнението: 2A = 2B + C и е от втори ред по вещество A. Скоростната константа на тази реакция при 200 0 C е 0,05. Начална концентрация C(A) = 2 mol/l. Определете скоростта на реакцията при посочената температура в началния момент и в момента, когато 80% от веществото А се е разложило.
2. Как ще се промени скоростта на директната реакция: 2A (твърдо) + 3B (газ) = 2C (разтворимо), което има нулев ред във вещество А и трети ред във вещество B, ако налягането в системата е се увеличи 3 пъти?
3. По време на определена реакция от първи ред 20% от първоначалното количество вещество претърпява трансформация за 45 минути. Определете каква част от веществото ще остане след 1,5 часа.
Вариант No17
1. Взаимодействието на газовете протича по уравнението: A + 2B = 2C и е от първи ред във вещество A и втори в вещество B. Началните концентрации на газове са равни на: C 0 (A) = 2 mol/ л; C 0 (B) = 4 mol/l; k = 0,02. Изчислете скоростта на директната реакция в началния момент и след известно време, когато 50% от веществото А е реагирало.
2. При 20 0 С реакцията протича за 2 минути. Колко време ще отнеме същата реакция да протече при 0 0 C, ако g = 2?
3. Мравчената киселина се разлага на въглероден оксид (IV) и водород на повърхността на златото. Скоростната константа на тази реакция при 140 0 C е равна на 5,5 × 10 - 4 min –1, а при 185 0 C е 9,2 × 10 - 3 min –1. Определете енергията на активиране на тази реакция.
Вариант No18
1. Реакцията протича съгласно уравнението: 2A + B = 2C и е от първи ред за вещество A и вещество B. Скоростта на реакцията е 0,5 mol/l×s. Началните концентрации на веществата са: C(A) = 6 mol/l; C(B) = 3 mol/l. Определете константата на скоростта на тази реакция и скоростта на реакцията след известно време, когато концентрацията на вещество B намалее с 1 mol/l.
2. При 20 0 С реакцията протича за 2 минути. Колко време ще отнеме същата реакция да протече при 50 0 C, ако g = 2?
3. Константата на скоростта на реакцията на инверсия на тръстикова захар при 25 0 C е равна на 9,67 × 10 - 3 min - 1 , а при 40 0 C е 73,4 × 10 - 3 min - 1 . Определете енергията на активиране на тази реакция в посочения температурен диапазон.
Тестови въпроси и задачи
1. Скоростта на химичните реакции, разликата между средната скорост и моментната скорост.
2. Запишете математическия израз за закона за масовото действие за химичните реакции:
2A + B = A 2 V
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3
3. Зависимост на скоростта на химичната реакция от природата на реагиращите вещества и от температурата. Закон на Вант Хоф, уравнение на Арениус. Хомогенна и хетерогенна катализа. Примери. Механизъм на действие на катализатора. Енергия на активиране на химична реакция.
4. Константата на скоростта на реакцията A + 2B = AB 2 е равна на 2 10 -3 l/(mol s). Изчислете скоростта му в началния момент, когато C A = C B = 0,4 mol/l и след известно време. В този момент концентрацията на веществото AB 2 е 0,1 mol/l.
5. изгаряне на метан в кислород, ако концентрацията на кислород се увеличи 5 пъти?
6. Химическата реакция протича по уравнението A + B = C. В началния момент C A = 2,7 mol/l, C B = 2,5 mol/l. След 0,5 часа концентрацията на вещество А намалява и става равна на CA = 2,5 mol/l. Изчислете концентрацията на веществата B и C в този момент и средната скорост за посочения период от време.
7. Колко пъти трябва да се увеличи налягането, така че скоростта на химичната реакция 2NO 2 + O 2 = 2NO 2 да се увеличи 1000 пъти?
8. Колко пъти ще се промени скоростта на химична реакция, когато температурата се понижи от 70 на 30 0 C, ако температурният коефициент е 3?
9. Колко градуса трябва да се повиши температурата, за да се увеличи скоростта на химичната реакция 81 пъти? Температурният коефициент на скоростта на реакцията е 3?
10. Изчислете температурния коефициент на определена химична реакция, ако с повишаване на температурата от 10 до 50 0 C скоростта на химичната реакция се увеличи 16 пъти.
Примери за изпълнение на задачи
Пример 1.Напишете математически израз за закона за действието на масите за следните химични реакции:
Отговор.За реакция (1) скоростта зависи само от концентрацията на SO 2, за реакция (2) - само от концентрацията на H 2.
Пример 2.Как ще се промени скоростта на химичната реакция?
4Al(k) + 3O 2 (g) = 2Al 2 O 3 (k),
ако концентрацията на кислород се увеличи 3 пъти?
Решение
1. Записваме израза за зависимостта на скоростта на химичната реакция от концентрацията на реагентите: V 1 = k 3 .
2. Когато концентрацията на кислород се увеличи 3 пъти, скоростта на химичната реакция се увеличава: V 2 = k 3 .
V 2 / V 1 = ¾¾¾¾¾¾¾¾ = 27
Отговор.Когато концентрацията на кислород се увеличи 3 пъти, скоростта на химичната реакция се увеличава 27 пъти.
Пример 3.Как ще се промени скоростта на химичната реакция?
2Al(k) + 3Cl 2 (g) = 2AlCl 3 (k)
когато налягането се удвои?
Решение.
1. Записваме израза за зависимостта на скоростта на химичната реакция от концентрацията на реагентите: V 1 = k 3 .
2. Когато налягането се удвои, концентрацията на хлор също се удвоява. Следователно V 2 = k 3.
3. Промяната в скоростта на химичната реакция е
V 2 / V 1 = ¾¾¾¾¾¾¾¾ = 8
Отговор.Когато налягането се удвои, скоростта на тази химична реакция се увеличава 8 пъти.
Пример 4.Температурният коефициент на скоростта на химичната реакция е 2,5. Как ще се промени скоростта му а) при повишаване на температурата на реакционната смес от 60 на 100 o C; б) когато температурата падне от 50 до 30 o C.
Решение
1. Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата се определя от правилото на Вант Хоф. Математическият му израз е:
V 2 = V 1 γ (t2 - t1) / 10.
Следователно, а) V 2 / V 1 = 2,5 (100-60) / 10 = 2,5 4 = 39,06;
b) V 2 / V 1 = 2,5 (30-50) / 10 = 2,5 -2 = 1/ 6,25 = 0,16.
Отговор.Когато температурата се повиши с 40 o, скоростта на тази реакция се увеличава с 39,06 пъти; когато температурата се понижи с 20 o, скоростта на химичната реакция намалява с 6,25 пъти и е само 0,16 от скоростта на химичната реакция при температура от 50 o C.
Предмет. Химично равновесие
Тестови въпроси и задачи
1. Обратими и необратими химични реакции. Дай примери. Основните признаци на необратимост на реакциите. Фалшиво химично равновесие.
2. Закон за действието на масите за обратими химични реакции. Физическо значение на константата на химичното равновесие.
3. Запишете израза за константата на химичното равновесие за следните химични реакции:
3Fe(k) + 4H 2 O(g) Fe 3 O 4 (k) + 4H 2 (g)
CaO(k) + CO 2 (g) CaCO 3 (k)
Ca(k) + C(k) +3/2O 2 (g) CaCO 3 (k)
4. Принцип на Льо Шателие. Дай примери.
5. Как повишаването на налягането влияе върху промяната на химичното равновесие при следните реакции:
H 2 (g) + J 2 (g) 2HJ (g)
CO(g) + Cl 2 (g) COCl 2 (g)
2NO(g) + O 2 (g) 2NO 2 (g)
C(k) + CO 2 (g) 2CO (g)
6. Химичното равновесие в следните реакции ще се измести в посока на правата или обратната реакция с понижаване на температурата:
2H 2 S(g) + 3O 2 (g) 2SO 2(g) + 2H 2 O(g) DH< 0
2N 2 (g) + O 2 (g) 2N 2 O (g) DH > 0
2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) + 192,74 kJ
N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) - 54,47 kJ
7. Какви фактори могат да изместят химичното равновесие към директна реакция:
C(k) + H 2 O (g) CO (g) + H 2 (g) - 129,89 kJ
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) DH< 0
8. Химичното равновесие в реакцията 2SO 2 (g) + O 2 (g) = 2SO 3 (g) се установява при следните концентрации на реагентите: = 0,2 mol/l, = 0,05 mol/l, = 0,09 mol/l . Как ще се промени скоростта на правата реакция и скоростта на обратната реакция, ако обемът на газовата смес се намали 3 пъти?
9. Изчислете равновесната концентрация на водород и хлор в химическата реакция: H 2 (g) + Cl 2 (g) = 2HCl (g), ако началните концентрации C (H 2) = 0,5 mol/l, C (Cl 2) = 1,5 mol/l, а равновесната концентрация на хлороводород = 0,8 mol/l. Изчислете константата на химичното равновесие.
10. При определена температура съставът на равновесната смес е следният: m (CO) = 11,2 g, m (Cl 2) = 14,2 g, m (COCl 2) = 19,8 g, обемът му е 10 литра. Изчислете равновесната константа на химическата реакция CO(g) + Cl 2 (g) COCl 2 (g)
Примери за изпълнение на задачи
Пример 1.Напишете математически израз за константата на химичното равновесие на реакцията Ca 3 N 2 (k) + 6H 2 O (g) = 3Ca(OH) 2 (k) + 2NH 3 (g).
Решение.Математическият израз за константата на химичното равновесие (законът за действието на масите за обратими реакции) не отчита участието на вещества в твърда и течна фаза. следователно
Отговор.Равновесната константа се определя от съотношението на равновесните концентрации на амоняк и вода в газовата фаза.
Пример 2.За реакцията CoO(k) + CO(g) = Co(k) + CO 2 (g), изчислете константата на химичното равновесие, ако 80% от CO е реагирал до момента на равновесие, първоначалната концентрация на CO е 1,88 mol /л.
Решение
1. Математически израз за константата на химичното равновесие Kc = /.
2. Равновесни концентрации на CO и CO 2. Равновесната концентрация на CO ще бъде по-малка от първоначалната (част от веществото - 80% - е влязло в химическа реакция:
[CO] = C (CO)ref. – C (CO) реагират. = 1,88 – (1,88 80)/ 100 =
0,376 mol/l.
Равновесната концентрация на CO 2 е равна на:
[CO 2 ] = C (CO) реакция = (1,88 80)/ 100 = 1,504 mol/l.
3. В математическия израз за константата на химическото равновесие заместваме стойностите на равновесните концентрации на CO и CO 2:
Kc = 1,504/ 0,376 = 4.
Отговор.Константата на химичното равновесие на тази реакция е 4; което показва, че в този момент скоростта на правата реакция е 4 пъти по-висока от скоростта на обратната реакция.
Пример 3.В каква посока ще се измести химичното равновесие на реакцията 2NiO(k) + CO 2 (g) + H 2 O(g) = (NiOH) 2 CO 3 (k) DH o?< 0
а) с повишаване на налягането, б) с повишаване на температурата? Предложете оптималната промяна на термодинамичните параметри T и P за увеличаване на добива на реакционния продукт.
Решение
1. В съответствие с принципа на Льо Шателие, увеличаването на налягането измества равновесието на химическата реакция в посока, която е придружена от намаляване на обема на реакционната система. С увеличаване на налягането равновесието на тази реакция се измества надясно (скоростта на правата реакция е по-висока от обратната).
2. В съответствие с принципа на Le Chatelier, повишаването на температурата измества химичното равновесие към ендотермична реакция. Следователно, когато температурата се повишава, равновесието на тази реакция се измества наляво (скоростта на обратната реакция е по-висока от правата).
3. За да се увеличи добивът на продукта от химическата реакция на образуване на никелов (II) хидроксикарбонат, налягането трябва да се увеличи и температурата да се намали.
Пример 4.Напишете израз за константата на химичното равновесие на реакцията:
MgO(k) + H2(g) = Mg(k) + H2O(l).
Увеличаването на налягането влияе ли на промяната в химичното равновесие?
Решение.За хетерогенни реакции в израза за скорост.
1. Основни понятия и постулати на химичната кинетика
Химическата кинетика е клон на физическата химия, който изучава скоростите на химичните реакции. Основните задачи на химическата кинетика: 1) изчисляване на скоростта на реакцията и определяне на кинетичните криви, т.е. зависимостта на концентрациите на реагентите от времето ( пряка задача); 2) определяне на реакционните механизми от кинетичните криви ( обратна задача).
Скоростта на химичната реакция описва промяната в концентрациите на реагентите за единица време. За реакция
а A+ b B+... д D+ д E+...
скоростта на реакцията се определя, както следва:
където квадратните скоби показват концентрацията на веществото (обикновено измерена в mol/l), T- време; а, b, д, д- стехиометрични коефициенти в уравнението на реакцията.
Скоростта на реакцията зависи от природата на реагентите, тяхната концентрация, температура и наличието на катализатор. Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията се описва от основния постулат на химичната кинетика - закон за масовото действие:
Скоростта на химическата реакция във всеки момент от времето е пропорционална на текущите концентрации на реагентите, повишени до определени степени:
,
Където к- константа на скоростта (независима от концентрацията); х, г- някои номера, които се наричат ред на реакция по веществоА и Б, съответно. Като цяло тези числа нямат нищо общо с коефициентите аИ bв уравнението на реакцията. Сума от показателите х+ гНаречен общ ред на реакция. Редът на реакцията може да бъде положителен или отрицателен, цяло число или дроб.
Повечето химични реакции се състоят от няколко етапа, т.нар елементарни реакции. Елементарна реакция обикновено се разбира като единичен акт на образуване или разцепване на химична връзка, протичащ чрез образуването на преходен комплекс. Броят на частиците, участващи в елементарна реакция, се нарича молекулярностреакции. Има само три вида елементарни реакции: мономолекулни (A B + ...), бимолекулни (A + B D + ...) и тримолекулни (2A + B D + ...). За елементарни реакции общият ред е равен на молекулярността, а редовете по вещество са равни на коефициентите в уравнението на реакцията.
ПРИМЕРИ
Пример 1-1.Скоростта на образуване на NO в реакцията 2NOBr (g) 2NO (g) + Br 2 (g) е 1,6. 10 -4 mol/(l.s). Каква е скоростта на реакцията и скоростта на потребление на NOBr?
Решение. По дефиниция скоростта на реакцията е:
Mol/(l.s).
От същата дефиниция следва, че скоростта на потребление на NOBr е равна на скоростта на образуване на NO с обратен знак:
mol/(l.s).
Пример 1-2.В реакцията от 2-ри ред A + B D началните концентрации на веществата A и B са равни съответно на 2,0 mol/L и 3,0 mol/L. Скоростта на реакцията е 1,2. 10 -3 mol/(l.s) при [A] = 1,5 mol/l. Изчислете константата на скоростта и скоростта на реакцията при [B] = 1,5 mol/L.
Решение. Съгласно закона за действието на масите във всеки един момент скоростта на реакцията е равна на:
.
Докато [A] = 1,5 mol/l, 0,5 mol/l от веществата A и B са реагирали, така че [B] = 3 – 0,5 = 2,5 mol/l. Скоростната константа е:
L/(mol. s).
Докато [B] = 1,5 mol/l, 1,5 mol/l от веществата A и B са реагирали, следователно [A] = 2 – 1,5 = 0,5 mol/l. Скоростта на реакция е:
Mol/(l.s).
ЗАДАЧИ
1-1. Как се изразява скоростта на реакцията на синтез на амоняк 1/2 N 2 + 3/2 H 2 = NH 3 чрез концентрациите на азот и водород? (отговор)
1-2. Как ще се промени скоростта на реакцията на синтез на амоняк 1/2 N 2 + 3/2 H 2 = NH 3, ако уравнението на реакцията е написано като N 2 + 3H 2 = 2NH 3? (отговор)
1-3. Какъв е редът на елементарните реакции: а) Cl + H 2 = HCl + H; б) 2NO + Cl 2 = 2NOCl? (отговор)
1-4. Коя от посочените величини може да бъде а) отрицателна; б) дробни стойности: скорост на реакцията, ред на реакцията, молекулярност на реакцията, константа на скоростта, стехиометричен коефициент? (отговор)
1-5. Скоростта на реакцията зависи ли от концентрацията на реакционните продукти? (отговор)
1-6. Колко пъти ще се увеличи скоростта на газовата елементарна реакция A = 2D, когато налягането се увеличи 3 пъти? (отговор)
1-7. Определете реда на реакцията, ако константата на скоростта има размерността l 2 / (mol 2 . s). (отговор)
1-8. Константата на скоростта на газова реакция от 2-ри ред при 25 o C е равна на 10 3 l/(mol. s). На какво е равна тази константа, ако кинетичното уравнение е изразено чрез налягане в атмосфери? (отговор)
1-9. За газофазова реакция нти ред nA B, изразете скоростта на образуване на B по отношение на общото налягане. (отговор)
1-10. Скоростните константи за правата и обратната реакция са 2,2 и 3,8 l/(mol. s). По кой от следните механизми могат да протичат тези реакции: а) A + B = D; б) A + B = 2D; в) A = B + D; d) 2A = B. (отговор)
1-11. Реакцията на разлагане 2HI H 2 + I 2 има 2-ри ред с константа на скоростта к= 5,95. 10 -6 l/(mol. s). Изчислете скоростта на реакцията при налягане 1 atm и температура 600 K. (отговор)
1-12. Скоростта на реакцията от 2-ри ред A + B D е 2,7. 10 -7 mol/(l.s) при концентрации на веществата А и В съответно 3,0. 10 -3 mol/l и 2,0 mol/l. Изчислете скоростната константа. (отговор)
1-13. При реакция от 2-ри ред A + B 2D началните концентрации на веществата A и B са равни на 1,5 mol/l. Степента на реакция е 2,0. 10 -4 mol/(l.s) при [A] = 1,0 mol/l. Изчислете константата на скоростта и скоростта на реакцията при [B] = 0,2 mol/L. (отговор)
1-14. При реакция от 2-ри ред A + B 2D началните концентрации на веществата A и B са равни съответно на 0,5 и 2,5 mol/l. Колко пъти скоростта на реакцията при [A] = 0,1 mol/l е по-малка от първоначалната? (отговор)
1-15. Скоростта на реакцията в газовата фаза се описва с уравнението w = к. [A] 2 . [B]. При какво съотношение между концентрациите на А и В началната скорост на реакцията ще бъде максимална при фиксирано общо налягане? (отговор)
2. Кинетика на простите реакции
В този раздел, въз основа на закона за действието на масите, ще съставим и решим кинетични уравнения за необратими реакции от цял ред.
Реакции от 0-ти ред.Скоростта на тези реакции не зависи от концентрацията:
,
където [A] е концентрацията на изходното вещество. Нулев ред възниква при хетерогенни и фотохимични реакции.
Реакции от 1-ви ред.При реакции от тип A–B скоростта е право пропорционална на концентрацията:
.
При решаване на кинетични уравнения често се използва следното обозначение: начална концентрация [A] 0 = а, текуща концентрация [A] = а - х(T), Където х(T) е концентрацията на реагиралото вещество А. В тази нотация кинетичното уравнение за реакция от 1-ви ред и нейното решение имат формата:
Решението на кинетичното уравнение се записва и в друга форма, удобна за анализ на реда на реакцията:
.
Времето, през което половината от веществото А се разпада, се нарича период на полуразпад t 1/2. Тя се определя от уравнението х(t 1/2) = а/2 и равно
Реакции от 2-ри ред.При реакции от тип A + B D + ... скоростта е право пропорционална на произведението на концентрациите:
.
Начални концентрации на вещества: [A] 0 = а, [B] 0 = b; текущи концентрации: [A] = а- х(T), [B] = b - х(T).
При решаването на това уравнение се разграничават два случая.
1) идентични начални концентрации на вещества А и Б: а = b. Кинетичното уравнение има формата:
.
Решението на това уравнение се записва в различни форми:
Времето на полуразпад на вещества А и В е еднакво и е равно на:
2) Първоначалните концентрации на вещества А и В са различни: а
b. Кинетичното уравнение има формата: 
.
Решението на това уравнение може да бъде написано по следния начин:
Времето на полуразпад на вещества А и В е различно: 
.
Реакции от N-ти ред н A D + ... Кинетичното уравнение има формата:
.
Решение на кинетичното уравнение:
. (2.1)
Времето на полуразпад на вещество А е обратно пропорционално на ( н-1) степен на начална концентрация:
. (2.2)
Пример 2-1.Времето на полуразпад на радиоактивния изотоп 14 C е 5730 години. По време на археологически разкопки е открито дърво, чието съдържание на 14 C е 72% от нормалното. На колко години е дървото?
Решение.Радиоактивното разпадане е реакция от първи ред. Скоростната константа е:
Животът на едно дърво може да се намери чрез решаване на кинетичното уравнение, като се вземе предвид фактът, че [A] = 0,72. [A] 0:
Пример 2-2.Установено е, че реакция от 2-ри ред (един реагент) е 75% завършена за 92 минути при първоначална концентрация на реагента от 0,24 М. Колко време ще отнеме на концентрацията на реагента да достигне 0,16 М при същите условия?
Решение.Нека напишем решението на кинетичното уравнение за реакция от 2-ри ред с един реагент два пъти:
,
където, по условие, а= 0,24 M, T 1 = 92 минути, х 1 = 0,75. 0,24 = 0,18 M, х 2 = 0,24 - 0,16 = 0,08 M. Нека разделим едно уравнение на друго:
Пример 2-3.За елементарна реакция н A B означаваме полуживота на A с t 1/2, а времето на разпадане на A със 75% с t 3/4. Докажете, че съотношението t 3/4 / t 1/2 не зависи от началната концентрация, а се определя само от реда на реакцията н.Решение.Нека напишем решението на кинетичното уравнение за реакцията два пъти н-ти ред с един реактив:
и разделете един израз на друг. Константи кИ аи двата израза ще се анулират и получаваме:
.
Този резултат може да се обобщи, като се докаже, че съотношението на времената, за които степента на превръщане е a и b, зависи само от реда на реакцията:
.
ЗАДАЧИ
2-1. Като използвате решението на кинетичното уравнение, докажете, че за реакции от 1-ви ред времето t х, при което степента на превръщане на изходното вещество достига х, не зависи от първоначалната концентрация. (отговор)2-2. Реакцията от първи ред протича с 30% за 7 минути. Колко време ще отнеме реакцията да завърши 99%? (отговор)
2-3. Периодът на полуразпад на радиоактивния изотоп 137 Cs, попаднал в атмосферата в резултат на аварията в Чернобил, е 29,7 години. След колко време количеството на този изотоп ще бъде по-малко от 1% от първоначалното? (отговор)
2-4. Периодът на полуразпад на радиоактивния изотоп 90 Sr, който навлиза в атмосферата при ядрени опити, е 28,1 години. Да приемем, че тялото на новородено дете е усвоило 1,00 mg от този изотоп. Колко стронций ще остане в тялото след а) 18 години, б) 70 години, ако приемем, че не се отделя от тялото? (отговор)
2-5. Скоростната константа за реакция от първи ред SO 2 Cl 2 = SO 2 + Cl 2 е 2,2. 10 -5 s -1 при 320 o C. Какъв процент от SO 2 Cl 2 ще се разложи, когато се държи 2 часа при тази температура? (отговор)
2-6. Константа на скоростта на реакция от 1-ви ред
2N 2 O 5 (g) 4NO 2 (g) + O 2 (g)
при 25 o C е равно на 3,38. 10 -5 s -1 . Какъв е полуживотът на N 2 O 5? Какво ще бъде налягането в системата след а) 10 s, б) 10 min, ако първоначалното налягане е 500 mm Hg? Изкуство. (отговор)
2-7. Реакцията от първи ред се провежда с различни количества от изходния материал. Дали допирателните към началните участъци на кинетичните криви ще се пресичат в една точка на оста x? Обяснете отговора си. (отговор)
2-8. Реакцията от първи ред A 2B протича в газовата фаза. Първоначалното налягане е стр 0 (B липсва). Намерете зависимостта на общото налягане от времето. След колко време налягането ще се увеличи 1,5 пъти в сравнение с първоначалното? Какъв е ходът на реакцията към този момент? (отговор)
2-9. Реакцията от втори ред 2A B протича в газовата фаза. Първоначалното налягане е стр 0 (B липсва). Намерете зависимостта на общото налягане от времето. След колко време налягането ще намалее 1,5 пъти в сравнение с първоначалното? Какъв е ходът на реакцията към този момент? (отговор)
2-10. Вещество А се смесва с вещества В и С в равни концентрации от 1 mol/l. След 1000 s остават 50% вещество А. Колко вещество А ще остане след 2000 s, ако реакцията има: а) нулев, б) първи, в) втори, в) трети общ ред? (отговор)
2-11. Коя от реакциите - първи, втори или трети ред - ще завърши по-бързо, ако началните концентрации на веществата са 1 mol/l и всички скоростни константи, изразени в mol/l и s, са равни на 1? (отговор)
2-12. реакция
CH 3 CH 2 NO 2 + OH - H 2 O + CH 3 CHNO 2 -
има втори ред и скоростна константа к= 39.1 l/(mol. min) при 0°С. Беше приготвен разтвор, съдържащ 0.004 М нитроетан и 0.005 М NaOH. Колко време ще отнеме на 90% нитроетан да реагира?
2-13. Скоростната константа за рекомбинацията на H + и FG - (фенилглиоксинат) йони в UFG молекула при 298 K е равна на к= 10 11,59 l/(mol. s). Изчислете времето, необходимо на реакцията да завърши 99,999%, ако началните концентрации на двата йона са 0,001 mol/L. (отговор)
2-14. Скоростта на окисление на 1-бутанол от хипохлорна киселина не зависи от концентрацията на алкохол и е пропорционална на 2. Колко време ще отнеме реакцията на окисление при 298 K да завърши 90%, ако първоначалният разтвор съдържа 0,1 mol/L HClO и 1 mol/L алкохол? Константата на скоростта на реакцията е к= 24 l/(mol min). (отговор)
2-15. При определена температура 0,01 М разтвор на етилацетат се осапунява с 0,002 М разтвор на NaOH с 10% за 23 минути. След колко минути ще бъде осапунен до същата степен с 0,005 М разтвор на КОН? Считайте, че тази реакция е от втори ред и алкалите са напълно дисоциирани. (отговор)
2-16. Реакцията от втори ред A + B P се провежда в разтвор с начални концентрации [A] 0 = 0,050 mol/L и [B] 0 = 0,080 mol/L. След 1 час концентрацията на вещество А намалява до 0,020 mol/l. Изчислете константата на скоростта и полуживота на двете вещества.
УРОК 10 10 клас(първа година на обучение)
Основи на химичната кинетика. План за състояние на химично равновесие
1. Химична кинетика и областта на нейното изследване.
2. Скорост на хомогенни и хетерогенни реакции.
3. Зависимост на скоростта на реакцията от различни фактори: естеството на реагентите, концентрацията на реагентите (закон за масовото действие), температура (правилото на Вант Хоф), катализатор.
4. Обратими и необратими химични реакции.
5. Химично равновесие и условия за неговото изместване. Принцип на Льо Шателие.
Клонът на химията, който изучава скоростите и механизмите на химичните реакции, се нарича химична кинетика. Една от основните концепции в този раздел е концепцията за скоростта на химичната реакция. Някои химични реакции възникват почти мигновено (например реакция на неутрализация в разтвор), други отнемат хиляди години (например трансформацията на графит в глина по време на изветрянето на скалите).
Скоростта на хомогенна реакция е количеството вещество, което реагира или се образува в резултат на реакция за единица време на единица обем на системата:
С други думи, скоростта на хомогенна реакция е равна на промяната в моларната концентрация на всеки от реагентите за единица време. Скоростта на реакцията е положителна величина, следователно, когато се изразява чрез промяна в концентрацията на реакционния продукт, се дава знак „+“, а когато концентрацията на реагента се променя, се дава знак „–“.
Скоростта на хетерогенна реакция е количеството вещество, което реагира или се образува в резултат на реакция за единица време на единица повърхностна площ на фазата:
Най-важните фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция, са естеството и концентрацията на реагентите, температурата и наличието на катализатор.
Влияние естеството на реагентитесе проявява във факта, че при едни и същи условия различни вещества взаимодействат помежду си с различна скорост, например:
При увеличаване концентрации на реагентитеброят на сблъсъците между частиците се увеличава, което води до увеличаване на скоростта на реакцията. Количествената зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите се изразява чрез закона за ефективната маса (K.M. Guldberg и P. Waage, 1867; N.I. Beketov, 1865). Скоростта на хомогенна химична реакция при постоянна температура е право пропорционална на произведението на концентрацията на реагиращите вещества в степени, равни на техните стехиометрични коефициенти (концентрациите на твърди вещества не се вземат предвид), например:
където А и В са газове или течности, к –константа на скоростта на реакцията, равна на скоростта на реакцията при концентрация на реагента 1 mol/l. Константа кзависи от свойствата на реагиращите вещества и температурата, но не зависи от концентрацията на веществата.
Зависимост на скоростта на реакция от температурасе описва от експерименталното правило на Van t-Goff (1884). Когато температурата се повиши с 10°, скоростта на повечето химични реакции се увеличава 2-4 пъти:
където е температурният коефициент.
Катализаторе вещество, което променя скоростта на химическа реакция, но не се изразходва в резултат на тази реакция. Има положителни катализатори (специфични и универсални), отрицателни (инхибитори) и биологични (ензими или ензими). Промяната в скоростта на реакцията в присъствието на катализатори се нарича катализа. Има хомогенна и хетерогенна катализа. Ако реагентите и катализаторът са в едно и също състояние на агрегиране, катализата е хомогенна; в различни – разнородни.
Хомогенна катализа:
хетерогенна катализа:
Механизмът на действие на катализаторите е много сложен и не е напълно изяснен. Съществува хипотеза за образуването на междинни съединения между реагента и катализатора:
А + котка. ,
B AB + кат.
Промоторите се използват за подобряване на действието на катализаторите; Има и каталитични отрови, които отслабват действието на катализаторите.
Скоростта на хетерогенна реакция се влияе от междуфазна област(степента на смилане на веществото) и скоростта на подаване на реагенти и отстраняване на реакционните продукти от фазовата граница.
Всички химични реакции са разделени на два вида: обратими и необратими.
Химичните реакции, които протичат само в една посока, се наричат необратими., т.е. продуктите от тези реакции не взаимодействат един с друг, за да образуват изходните материали. Условия за необратимостта на реакцията са образуването на утайка, газ или слаб електролит. Например:
BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl,
K 2 S + 2HCl = 2KCl + H 2 S,
HCl + NaOH = NaCl + H2O.
Обратимите реакции са тези, които протичат едновременно в права и обратна посока., Например:
Когато възникне обратима химическа реакция, скоростта на директната реакция първоначално има максимална стойност, а след това намалява поради намаляване на концентрацията на изходните вещества. Обратната реакция, напротив, в началния момент от време има минимална скорост, която постепенно се увеличава. Така в определен момент идва състояние на химично равновесие, при която скоростта на правата реакция е равна на скоростта на обратната реакция. Състоянието на химичното равновесие е динамично - както правата, така и обратната реакция продължават да протичат, но тъй като скоростите им са еднакви, концентрациите на всички вещества в реакционната система не се променят. Тези концентрации се наричат равновесни.
Съотношението на константите на скоростта на правата и обратната реакция е постоянна стойност и се нарича константа на равновесие ( ДА СЕ Р ) . Концентрациите на твърди вещества не са включени в израза на равновесната константа. Равновесната константа на реакцията зависи от температурата и налягането, но не зависи от концентрацията на реагентите и от наличието на катализатор, който ускорява протичането както на правата, така и на обратната реакция. Колкото повече ДА СЕ p, толкова по-висок е практическият добив на реакционните продукти. Ако ДА СЕ p > 1, тогава реакционните продукти преобладават в системата; Ако ДА СЕР< 1, в системе преобладают реагенты.
Химичното равновесие е подвижно, т.е. когато външните условия се променят, скоростта на правата или обратната реакция може да се увеличи. Посоката на изместване на равновесието се определя от принципа, формулиран от френския учен Льо Шателие през 1884 г. Ако върху равновесна система се окаже външно въздействие, тогава равновесието се измества към реакцията, която противодейства на това влияние. Изместването на равновесието се влияе от промените в концентрациите на реагентите, температурата и налягането.
Увеличаването на концентрацията на реагентите и отстраняването на продуктите води до изместване на равновесието към директната реакция.
При нагряване на системата равновесието се измества към ендотермичната реакция, а при охлаждане към екзотермичната реакция.
За реакции, включващи газообразни вещества, повишаването на налягането измества равновесието към реакция, която протича с намаляване на броя на газовите молекули. Ако реакцията протича без промяна на броя на молекулите на газообразните вещества, тогава промяната в налягането по никакъв начин не влияе на изместването на равновесието.
