Приклад 4.1. Як зміниться швидкість реакції кожної з реакцій
2NO(г) + Cl 2 (г) = 2NOCI(г) (1); СаО (к) + СО 2 (г) = СаСО 3 (к) (2),
якщо у кожній системі збільшити тиск у 3 рази?
Рішення. Реакція (1) гомогенна і, згідно із законом дії мас, початкова швидкість реакції дорівнює v = k ∙ ∙ ; реакція (2) гетерогенна і її швидкість виражається рівнянням v = k∙ . Концентрація речовин, що перебувають у твердій фазі (у даній реакції СаО), не змінюється в ході реакції, тому не включається до рівняння закону дії мас.
Збільшення тиску в кожній із систем у 3 рази призведе до зменшення об'єму системи у 3 рази та збільшення концентрації кожної з реагуючих газоподібних речовин у 3 рази. При нових концетраціях швидкості реакцій: v" = k∙(3 ) 2 ∙3 = 27 k∙ ∙ (1) та v" = k 3 (2). Порівнюючи вирази для швидкостей v і v", знаходимо, що швидкість реакції (1) зростає у 27 разів, а реакції (2) – у 3 рази.
Приклад 4.2.Реакція між речовинами А та В виражається рівнянням 2А + В = D. Початкові концентрації становлять: СА = 5 моль/л, СО = 3,5 моль/л. Константа швидкості дорівнює 0,4. Обчислити швидкість реакції у початковий момент у той час, як у реакційної суміші залишиться 60 % речовини А.
Рішення.За законом дії мас v =. У початковий момент швидкість v 1 = 0,4 × 5 2 × 3,5 = 35. Через деякий час у реакційній суміші залишиться 60 % речовини А, тобто концентрація речовини А дорівнюватиме 5 × 0,6 = 3 моль / л. Отже, концентрація А зменшилася на 5 – 3 = 2 моль/л. Так як А і В взаємодіють між собою у співвідношенні 2:1, то концентрація речовини зменшилася на 1 моль і стала рівною 3,5 - 1 = 2,5 моль/л. Отже, v 2 = 0,4 3 2 2,5 = 9.
Приклад 4.3. Через деякий час після початку реакції
2NO + O 2 = 2NO 2 концентрації речовин становили (моль/л): = 0,06;
0,12; = 0,216. Знайти вихідні концентрації NO та O 2 .
Рішення.Вихідні концентрації NO і O 2 знаходимо на основі рівняння реакції, згідно з яким на освіту 2 моль 2NO 2 витрачається 2моль NO. За умовою завдання утворилося 0,216 моль NO 2 , потім витратилося 0,216 моль NO. Отже, вихідна концентрація NO дорівнює:
0,06 + 0,216 = 0,276 моль/л.
По рівнянню реакції на освіту 2 моль NO 2 необхідно 1 моль О 2 , а отримання 0,216 моль NO 2 потрібно 0,216 / 2 = 0,108 моль / О 2 . Вихідна концентрація О 2 дорівнює: = 0,12 + 0,108 = 0,228 моль/л.
Таким чином, вихідні концентрації становили:
0,276 моль/л; = 0,228 моль/л.
Приклад 4.4.За 323 К деяка реакція закінчується за 30 с. Визначити, як зміниться швидкість реакції та час її перебігу при 283 К, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2.
Рішення.За правилом Вант-Гоффа знаходимо, у скільки разів зміниться швидкість реакції:
2 –4 = .
Швидкість реакції зменшується у 16 разів. Швидкість реакції та час її перебігу пов'язані обернено пропорційною залежністю. Отже, час перебігу цієї реакції збільшиться у 16 разів і становитиме 30×16 = 480с = 8 хв.
Завдання
№ 4.1 . Реакція протікає за рівнянням 3Н 2 + СО = СН 4 + H2O
Початкові концентрації реагуючих речовин (моль/л): = 0,8; C CO = 0,6. Як зміниться швидкість реакції, якщо збільшити концентрацію водню до 1,2 моль/л, а концентрацію оксиду вуглецю до 0,9 моль/л?
(Відповідь:збільшиться у 5 разів).
№ 4.2 . Реакція розкладання N 2 O йде за рівнянням 2N 2 O = 2N 2 + O 2 . Константа швидкості реакції дорівнює 5 · 10 -4. Початкова концентрація
0,32 моль/л. Визначити швидкість реакції в початковий момент і в той момент, коли розкладеться 50% N2O. Відповідь: 5,12 . 10 -5 ; 1,28 . 10 -5).
№ 4.3 . Реакція між речовинами А та В виражається рівнянням
А + 2В = D. Початкові концентрації: СА = 0,3 моль/л і СУ = 0,4 моль/л. Константа швидкості дорівнює 0,8. Обчислити початкову швидкість реакції і визначити, як змінилася швидкість реакції після деякого часу, коли концентрація речовини А зменшилася на 0,1 моль.
(Відповідь: 3,84 . 10 -2; зменшилася у 6 разів).
№ 4.4 .Чому дорівнює температурний коефіцієнт швидкості реакції, якщо при зниженні температури на 30 ° С, час перебігу реакції збільшився в 64 рази? ( Відповідь: 4).
№ 4.5 .Обчислити, за якої температури реакція закінчиться за 45 хв, якщо за 20 про З цього потрібно 3 год. Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3 ( Відповідь: 32,6 про З).
№ 4.6. Як зміниться швидкість реакції CO + Cl 2 = COCl 2 якщо підвищити тиск у 3 рази і одночасно підвищити температуру на 30 про С (γ = 2)?
(Відповідь:збільшиться у 72 рази).
№ 4.7 . Реакції протікають за рівняннями
З (к) + Про 2 (г) = СО 2 (г) (1); 2СО(г) + Про 2(г) = 2СО 2(г) (2)
Як зміниться швидкість (1) та (2) реакцій, якщо в кожній системі: а) зменшити тиск у 3 рази; б) збільшити обсяг судини у 3 рази; в) підвищити концентрацію кисню втричі? ( Відповідь:а) зменшиться у (1) у 3, у (2) у 27 разів);
б) зменшиться у (1) у 3, у (2) у 27 разів); в) збільшиться в (1) та (2) у 3 рази).
№ 4.8 . Реакція йде за рівнянням H 2 + I 2 = 2HI. Константа швидкості дорівнює 0,16. Вихідні концентрації водню та йоду відповідно дорівнюють 0,04 моль/л та 0,05 моль/л. Обчислити початкову швидкість реакції та її швидкість, коли концентрація Н 2 дорівнює 0,03 моль/л. ( Відповідь: 3,2 . 10 -3 ; 1,9 . 10 -3).
№ 4.9 . Окислення сірки та її діоксиду протікає за рівняннями:
S (к) + Про 2 (г) = SO 2 (г) (1); 2SO 2 (г) + Про 2 (г) = 2SO 3 (г) (2)
Як зміниться швидкість (1) та (2) реакцій, якщо в кожній системі: а) збільшити тиск у 4 рази; б) зменшити обсяг судини у 4 рази; в) підвищити концентрацію кисню вчетверо? ( Відповідь:а) збільшиться в (1) 4, в (2) 64 (рази);
б) збільшиться у (1) у 4, у (2) у 64 рази); в) збільшиться в (1) та (2) у 4 рази).
№ 4.10 . Константа швидкості реакції 2А + В = D дорівнює 0,8. Початкові концентрації: СА = 2,5 моль/л і СО = 1,5 моль/л. В результаті реакції концентрація речовини В виявилася рівною 0,6 моль/л. Обчислити, чому стала дорівнює СА і швидкість реакції. ( Відповідь: 0,7 моль/л; 0,235).
№ 4.11. Реакція протікає за рівнянням 4HCl + O 2 = 2H 2 O + 2Cl 2
Через деякий час після початку реакції концентрації речовин, що беруть у ній, стали (моль/л): = 0,85; = 0,44; = 0,30. Обчислити початкові концентрації HCl і 2 . ( Відповідь:= 1,45; = 0,59 моль/л).
№ 4.12 . Початкові концентрації речовин у реакції СО + Н 2 О ↔ СО 2 + Н 2
дорівнювали (моль/л): C CO = 0,5; = 0,6; = 0,4; = 0,2. Обчислити концентрації всіх речовин, що беруть участь в реакції, після того, як прореагувало 60 % Н 2 О. ( Відповідь: C CO = 0,14; = 0,24; = 0,76; = 0,56 моль/л).
№ 4.13 . Як зміниться швидкість реакції 2СО + О 2 = СО 2 якщо:
а) обсяг реакційної судини збільшити 3 рази; б) збільшити концентрацію СО у 3 рази; в) підвищити температуру на 40 про С (? = 2)? ( Відповідь:а) зменшиться у 27 разів; б) збільшиться у 9 разів; в) збільшиться у 16 разів).
№ 4.14 . При 10 С реакція закінчується за 20 хвилин. Скільки часу триватиме реакція у разі підвищення температури до 40 про З, якщо температурний коефіцієнт дорівнює 3? ( Відповідь: 44,4 с).
№ 4.15 . У скільки разів слід збільшити
а) концентрацію СО у системі 2СО = СО 2 + З, щоб швидкість реакції зросла в 4 рази?
б) концентрацію водню в системі N 2 + 3H 2 = 2NH 3 щоб швидкість реакції зросла в 100 разів?
в) тиск у системі 2NO + O 2 = 2NO 2 щоб швидкість освіти NO 2 зросла в 10 3 разів? ( Відповідь: 2 рази; 4,64 рази; 10 раз).
№ 4.16 . Швидкість реакції А + 2В = АВ 2 при С А = 0,15 моль/л
С = 0,4 моль/л дорівнює 2,4 ∙ 10 −3 . Визначити константу швидкості і швидкість реакції, коли концентрація стане 0,2 моль/л. ( Відповідь: 0,1; 2 ∙ 10 -4).
№ 4.17 . Як зміниться швидкість реакції 2А + В = А 2 В, якщо концентрацію речовини А збільшити в 3 рази, концентрацію речовини зменшити в 2 рази, а температуру підвищити на 40 про С (γ = 2)? ( Відповідь:збільшиться у 72 рази).
№ 4.18. Реакція йде за рівнянням 2H2S+3O2=2SO2+2H2O.
Через деякий час після початку реакції концентрації речовин, що беруть у ній, стали (моль/л): = 0, 009; = 0,02; = 0,003. Обчислити: = 0,7 моль/л).
1. У посудині змішали газ А кількістю речовини 4,5 моль і газ У кількості речовини 3 моль. Гази А та В реагують відповідно до рівняння А + В = С. Через деякий час у системі утворився газ З кількістю речовини 2 моль. Які кількості газів, що не прореагували, А і В залишилися в системі?
З рівняння реакції випливає, що:
Dn(A) = Dn(B) = Dn(C) = 2 моль,
де Dn - зміна кількості речовини в ході реакції.
Отже, в посудині залишилося:
n 2 (A) = n 1 (А) - Dn(A); n 2 (A) = (4,5 - 2) моль = 2,5 моль;
n 2 (B) = n 1 (B) - Dn (B); n 2 (B) = (3 - 2) моль = 1 моль.
2. Реакція протікає за рівнянням: 2A + B ⇄ C і має другий порядок за речовиною А та перший за речовиною B. У початковий момент часу швидкість реакції дорівнює 15 моль/л×с. Розрахувати константу швидкості та швидкість прямої реакції в той момент, коли прореагує 50% речовини B, якщо початкові концентрації дорівнюють: С(A) = 10 моль/л; З(B) = 5 моль/л. Як зміниться швидкість хімічної реакції?
С(B), що вступив у реакцію, дорівнює:
С(B) = 0,5 5 = 2,5 моль/л.
Відповідно С(A), що вступив у реакцію, дорівнює:
2 моль/л A - 1 моль/л B
C(A) - 2,5 моль/л B
С(A) та С(B) після протікання реакції:
С(A) = 10 - 5 = 5 моль/л,
З(B) = 5 - 2,5 = 2,5 моль/л.
Швидкість прямої реакції дорівнюватиме:
Швидкість хімічної реакції зміниться:
тобто зменшиться у 8 разів.
3. Реакція між речовинами А та В виражається рівнянням: А + 2В = С і має перший порядок за речовиною А та другою за речовиною B. Початкові концентрації речовин дорівнюють: С(А) = 2 моль/л; С(В) = 4 моль/л; константа швидкості дорівнює 1,0. Знайти початкову швидкість реакції та швидкість після деякого часу, коли концентрація речовини А зменшиться на 0,3 моль/л.
Відповідно до закону чинних мас:
Якщо концентрація речовини А зменшиться на 0,3 моль/л, то концентрація речовини зменшиться на 0,3×2 = 0,6 моль/л. Після протікання реакції концентрації дорівнюють:
4. Швидкості прямої та зворотної газофазних реакцій, що протікають у замкнутій посудині, виражаються рівняннями:
Відповідно до закону діючих мас, швидкості прямої та зворотної реакцій за початкових умов рівні:
Збільшення тиску в 3 рази для газоподібних систем призводить до зменшення обсягу газової суміші в 3 рази, у стільки ж разів збільшаться концентрації всіх трьох газів, і швидкості обох реакцій стануть відповідно рівними:
Відносини швидкостей реакцій становлять:
Таким чином, швидкість прямої реакції збільшиться у 27 разів, зворотної – у 9.
5. Реакція за температури 50 0 З протікає за 2 хв 15 з. За який час закінчиться ця реакція при температурі 70 0 С, якщо в даному температурному інтервалі температурний коефіцієнт швидкості дорівнює 3?
При збільшенні температури від 50 до 70 0 С швидкість реакції відповідно до правила Вант-Гоффа зростає:
де = 70 0, = 50 0 С, a та - швидкості реакції при даних температурах.
Отримуємо:
тобто. швидкість реакції збільшується у 9 разів.
Відповідно до визначення, час реакції обернено пропорційно швидкості протікання реакції, отже:
де і - час реакції при температурах і .
Звідси отримуємо:
Враховуючи, що = 135 с (2 хв 15 с), визначаємо час реакції при температурі :
6. У скільки разів збільшиться швидкість хімічної реакції при підвищенні температури від = 10 0 C до = 80 0 С , якщо температурний коефіцієнт швидкості g дорівнює 2?
Із правила Вант-Гоффа:
Швидкість реакції збільшиться у 128 разів.
7. При вивченні кінетики виведення лікарського засобу з організму хворого було встановлено, що за 3 години в організмі пацієнта залишилося 50% від вихідної кількості лікарського засобу. Визначити період напіввиведення та константу швидкості реакції виведення препарату з організму людини, якщо відомо, що це реакція першого порядку.
Оскільки за цей проміжок часу з організму було виведено 50% препарату, то t 1/2 = 3:00. Константу швидкості реакції розрахуємо з рівняння:
8. При лабораторних дослідженнях водних розчинів лікарського засобу було встановлено, що внаслідок гідролізу концентрація препарату за добу зменшилась від 0,05 до 0,03 моль/л. Обчислити період напівперетворення реакції гідролізу препарату.
Оскільки реакції гідролізу зазвичай протікають при значному надлишку води, її концентрацію можна постійної. Отже, в ході реакції змінюється лише концентрація препарату та реакцію гідролізу можна вважати реакцією першого порядку.
Значення константи швидкості реакції знайдемо з рівняння:
9. Період напіввиведення з організму хворого (реакція першого порядку) дорівнює 5 годин. Визначити час, за який із організму буде виведено 75% препарату.
При виведенні з організму 75% препарату відношення С/С 0 становитиме 0,25. В даному випадку зручно скористатися формулою:
,
10. Константа швидкості реакції гідролізу сахарози дорівнює 2,31×10 - 3 год - 1 . Розрахувати:
1) період напівперетворення реакції;
2) час, за який гідроліз піддасться 20% сахарози;
3) яка частина глюкози піддасться гідролізу через 5 діб.
1. Період напівперетворення дорівнює:
2. Після того, як гідроліз піддасться 20% сахарози, відношення С/С 0 складе 0,8. Отже:
3. Через 5 діб (120 годин) відношення С/С 0 становитиме:
Отже, гідролізу зазнало 24% глюкози.
11. У ході деякої реакції першого порядку за 30 хв перетворенню піддається 60% вихідної кількості речовини. Визначити, яка частина речовини залишиться за 1 годину.
1. Через 30 хвилин кількість речовини, що залишилася, складе:
1 = 0 - 0,6С 0 = 0,4×С 0 .
тобто, відношення 0 /З 1 дорівнює 2,5.
2. Знайдемо константу швидкості реакції:
3. Кількість речовини З 2 , що залишилася через 1 годину, визначимо за формулою:
Таким чином, через 1 годину залишиться 16% вихідної речовини.
Запитання для самоконтролю
1. Що називається швидкістю хімічної реакції?
2. Що називається істинною швидкістю гомогенної реакції?
3. Яка розмірність швидкості гомогенної реакції?
4. Що називається швидкістю гетерогенної реакції?
5. Яка розмірність швидкості гетерогенної реакції?
6. Перерахуйте чинники, що впливають швидкість реакції.
7. Сформулюйте закон чинних мас.
8. Який фізичний зміст константи швидкості реакції? Від чого і від чого залежить константа швидкості реакції?
9. Що називається порядком реакції? Наведіть приклади рівнянь реакцій нульового, першого, другого та третього порядків.
10. Чи залежить розмірність константи швидкості реакції від порядку реакції?
11. Що називається молекулярністю реакції?
13. Дайте визначення простим та складним реакціям. Наведіть класифікацію складних реакцій.
14. Сформулюйте правило Вант-Гоффа. Наведіть математичний вираз правила Вант-Гофф.
15. Як швидкість реакції залежить від енергії активації? Напишіть рівняння Арреніуса.
16. Що таке активований комплекс? Чому перебіг реакцій протікає через стадії утворення активованих комплексів?
17. Що називається каталізатором? Гомогенний та гетерогенний каталіз. Чому у присутності каталізаторів реакції протікають швидше?
18. Що таке ферментативний каталіз? Напишіть рівняння Міхаеліса-Ментена.
Варіанти завдань для самостійного вирішення
Варіант №1
1. Реакція між речовинами А та В виражається рівнянням 2А + В = С і має другий порядок за речовиною А та перший за речовиною B. Початкові концентрації речовин дорівнюють: С 0 (А) = 0,4 моль/л; 0 (В) = 0,8 моль/л; k = 0,6. Знайти початкову швидкість реакції та швидкість після деякого часу, коли концентрація речовини А зменшиться на 0,2 моль/л.
2. На скільки градусів необхідно підвищити температуру, щоб швидкість реакції збільшилась у 64 рази? Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2.
а) зі збільшенням тиску у системі в 2 рази?
б) зі збільшенням обсягів газів у 2 рази?
Варіант №2
1. Реакція протікає за рівнянням: A + B = C і має перший порядок за речовиною А та речовиною B. Концентрацію A збільшили з 2 до 8 моль/л, а концентрацію B з 3 до 9 моль/л. У скільки разів зросла швидкість прямої реакції?
2. За 150 0 С реакція закінчується за 10 хвилин. Приймаючи температурний коефіцієнт дорівнює 2, розрахуйте, через скільки хвилин закінчилася б реакція при 170 0 C.
3. Швидкість реакції виражається рівнянням: 
У скільки разів зміниться швидкість реакції зі збільшенням концентрації вихідних речовин у 3 рази?
Варіант №3
1. Реакція виражається рівнянням: A + B = C і має перший порядок за речовиною А та за речовиною B. При початкових концентраціях С 0 (A) = 3 моль/л та С 0 (B) = 5 моль/л швидкість прямої реакції дорівнює 0,3 моль/л×с. Визначити константу швидкості та швидкість реакції через деякий час, коли концентрація A зменшиться на 2 моль/л.
2. У скільки разів збільшиться швидкість хімічної реакції при підвищенні температури від 10 до 70 0 С, якщо температурний коефіцієнт швидкості дорівнює 2?
3. Швидкість реакції A(тв) + 2B(газ) = C(тв) виражається рівнянням: 
Як зміниться швидкість реакції, якщо концентрацію B збільшити у 2 рази?
Варіант №4
1. Реакція протікає за рівнянням: 2A + B = 2C і має другий порядок за речовиною А і перший за речовиною B. Розрахувати швидкість прямої реакції в той момент, коли прореагує 40% речовини B, якщо початкові концентрації дорівнюють: 0 (А) = 8 моль/л; 0 (B) = 4 моль/л; k = 0,4.
2. Деяка реакція при 1000С закінчується за 5 хв. За який час вона закінчиться за 80 0 С, якщо температурний коефіцієнт швидкості g дорівнює 3?
3. Швидкість реакції 3A + B = C виражається рівнянням: 
У скільки разів зміниться швидкість прямої реакції:
а) зі збільшенням концентрації речовини A вдвічі?
б) при одночасному зменшенні концентрації вихідних речовин у 2 рази?
Варіант №5
1. Швидкість деякої реакції у разі підвищення температури з 40 до 70 0 З збільшилася 8 раз. Визначити величину g.
2. Реакція протікає за рівнянням: A + 3B = 2C і має перший порядок за речовиною А та другою за речовиною B. Початкові концентрації речовин дорівнюють: 0 (A) = 2 моль/л; 0 (B) = 6 моль/л; k = 1. Розрахувати початкову швидкість прямої реакції та швидкість у той момент, коли концентрація речовини A зменшилася на 1 моль/л. Як зміниться швидкість хімічної реакції?
3. Як зміняться швидкості прямої та зворотної реакцій, що протікають у газовій фазі і підпорядковуються рівнянням:
Варіант №6
1. У закритій посудині міститься суміш газів, що складається з 1 моль A і 3 моль B, яка реагує за рівнянням: A + 3B = 2C. Швидкість прямої реакції описується рівнянням 
У скільки разів зменшиться швидкість прямої реакції після того, як прореагує 0,5 моль A?
2. На скільки градусів треба збільшити температуру, щоб швидкість реакції зросла у 9 разів, якщо температурний коефіцієнт швидкості g дорівнює 3?
3. Як зміниться швидкість прямої газофазної реакції: 2A = B, порядок якої оцінюється як 0,5 при ізотермічному зменшенні тиску в системі в 3 рази?
Варіант №7
1. Реакція між речовинами А та В протікає за рівнянням: A + 2B = C і має перший порядок за речовиною А та за речовиною В. Початкові концентрації реагуючих речовин склали: 0 (A) = 1,5 моль/л; 0 (B) = 3 моль/л; k = 0,4. Обчислити швидкість хімічної реакції у початковий час і після деякого часу, коли прореагує 75% А.
2. Чому дорівнює температурний коефіцієнт швидкості g, якщо зі збільшенням температури на 30 0 С швидкість реакції зростає у 27 разів?
3. Як зміняться швидкості прямої та зворотної реакцій, що протікають у газовій фазі і підпорядковуються рівнянням:
при ізотермічному збільшенні тиску вдвічі?
Варіант №8
1. У розчині об'ємом 1 л, що містить 1 моль речовини A та 2 моль речовини B, протікає реакція: A + 3B = 2C + D. Пряма реакція має перший порядок за речовиною А та другою за речовиною B. У скільки разів зменшиться швидкість прямої реакції після того, як відреагують 0,65 моль речовини A?
2. При підвищенні температури від -5 до +5 0 С швидкість бактеріального гідролізу (ферментативний процес) збільшується у 4 рази. Визначити значення температурного коефіцієнта швидкості реакції g.
3. У скільки разів слід збільшити концентрацію речовини A в системі 2A (газ) = B (газ) + C (тв.), щоб швидкість прямої реакції, яка є реакцією другого порядку, збільшилась у 4 рази?
Варіант №9
1. Реакція протікає за рівнянням: 2A + B = 2C і має другий порядок за речовиною А та перший за речовиною B. Швидкість прямої реакції дорівнює 8 моль/л×с. Розрахувати константу швидкості та швидкість прямої реакції в той момент, коли прореагує 30% речовини B, якщо початкові концентрації рівні: 0 (A) = 2 моль/л; 0 (B) = 1 моль/л. Як зміниться швидкість хімічної реакції?
2. При збільшенні температури від 10 до 50 0 С швидкість реакції збільшилася у 16 разів. Визначити температурний коефіцієнт швидкості g.
3. Реакція протікає за рівнянням: A + B = C + D + E і має перший порядок за речовиною А та нульовою за речовиною B. Як зміниться швидкість прямої реакції після розведення суміші, що реагує, в 3 рази?
Варіант №10
1. Реакція протікає за рівнянням: A + 2B = AB 2 і має перший порядок за речовиною А та другою за речовиною B. Константа швидкості реакції дорівнює 0,01. Розрахувати швидкість реакції при початкових концентраціях: 0 (A) = 0,8 моль/л; 0 (B) = 0,8 моль/л і швидкість реакції на момент утворення 0,2 моль/л речовини АВ 2 .
2. У скільки разів збільшиться швидкість хімічної реакції у разі підвищення температури від 30 до 60 0 С, якщо температурний коефіцієнт швидкості g дорівнює 3?
3. Період напіввиведення з організму хворого (реакція першого порядку) дорівнює 6 годин. Визначити, за який час вміст препарату в організмі людини зменшиться у 8 разів.
Варіант №11
1. Реакція протікає за рівнянням: A + B = 2C і має перший порядок за речовиною А та за речовиною B. Початкові концентрації речовин дорівнюють: 0 (A) = 0,3 моль/л; 0 (B) = 0,5 моль/л; k = 0,1. Знайти початкову швидкість реакції та швидкість реакції після деякого часу, коли концентрація А зменшиться на 0,1 моль/л.
2. При 100 0 З деяка реакція закінчується 16 хвилин. Приймаючи температурний коефіцієнт швидкості g рівним 2 розрахувати, через скільки хвилин закінчилася б ця ж реакція при 140 0 С?
3. Період напіввиведення препарату з організму хворого (реакція першого порядку) дорівнює 2:00. Визначити час, за який із організму буде виведено 99% препарату.
Варіант №12
1. Реакція протікає за рівнянням: A + 2B = C і має перший порядок за речовиною А та другою за речовиною B. Початкові концентрації речовин дорівнюють: 0 (A) = 0,9 моль/л; 0 (B) = 1,5 моль/л; k = 0,6. Знайти початкову швидкість реакції та швидкість після деякого часу, коли витратиться 50% речовини A.
2. Чому дорівнює температурний коефіцієнт швидкості хімічної реакції g , якщо зі збільшенням температури на 30 0 З швидкість зростає у 27 разів?
3. Період напівперетворення деякої реакції першого порядку дорівнює 30 хв. Розрахувати, яка частина від вихідної кількості залишиться за 1 годину.
Варіант №13
1. Реакція протікає за рівнянням: 2A + B = 2C і має другий порядок за речовиною А та перший за речовиною B. Константа швидкості реакції дорівнює 5×10 - 2 . Розрахувати швидкість реакції при початкових концентраціях 0 (A) = 0,4 моль/л; 0 (B) = 0,9 моль/л і швидкість реакції до моменту утворення 0,1 моль речовини С.
2. За температури 10 0 С реакція протікає за 80 хвилин. За якої температури реакція закінчиться за 20 хвилин, якщо температурний коефіцієнт швидкості дорівнює 2?
3. У ході лабораторних досліджень було встановлено, що протягом доби концентрація препарату в організмі хворого знизилася від 0,1 моль/л до 0,02 моль/л. Обчислити період напівелімінації препарату, вважаючи, що це реакція першого порядку.
Варіант №14
1. У закритій посудині об'ємом 1 л знаходиться суміш газів, що складається з 1 моль газу A та 3 моль газу B, яка реагує за рівнянням: A + 3B = 2C. Пряма реакція має перший порядок за речовиною А та другою за речовиною B. Як зміниться швидкість прямої реакції після того, як прореагує 0,5 моль газу A?
2. При збільшенні температури системи від 10 до 50 0 С швидкість хімічної реакції збільшилась у 16 разів. Визначити температурний коефіцієнт швидкості реакції g .
3. Під час аварії на Чорнобильській АЕС (1986 р.) стався викид радіонукліду Cs-137, період напіврозпаду якого становить 30 років. Розрахувати, яка частина радіонукліда, що потрапив в організм, залишилася в даний час.
Варіант №15
1. Реакція протікає за рівнянням: A + B = C має перший порядок за речовиною А та речовиною B. При початкових концентраціях речовин С 0 (A) = 0,6 моль/л; 0 (B) = 0,8 моль/л швидкість реакції дорівнює 0,03 моль/л×с. Визначити константу швидкості та швидкість реакції через деякий час, коли концентрація речовини A зменшиться на 0,3 моль/л.
2. Швидкість реакції при 00С дорівнює 1 моль/л×с. Обчислити швидкість цієї реакції при 30 0, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3.
3. Константа швидкості гідролізу пестициду при 25 0 С дорівнює 0,32 с-1. Вихідна концентрація пестициду у пробі становила 2,5 моль/л. Розрахувати, який час концентрація пестициду знизиться до 0,01 моль/л.
Варіант №16
1. Реакція розкладання протікає за рівнянням: 2A = 2B + C і має другий порядок за речовиною А. Константа швидкості цієї реакції при 200 0 С дорівнює 0,05. Початкова концентрація С(A) = 2 моль/л. Визначити швидкість реакції при зазначеній температурі початковий момент і в той момент, коли розкладеться 80% речовини A.
2. Як зміниться швидкість прямої реакції: 2A (тв) + 3B (газ) = 2С (тв), яка має нульовий порядок за речовиною А та третій за речовиною B, якщо тиск у системі збільшити у 3 рази?
3. Під час деякої реакції першого порядку за 45 хв перетворенню піддається 20% вихідної кількості речовини. Визначити, яка частина речовини залишиться за 1,5 години.
Варіант №17
1. Взаємодія газів протікає за рівнянням: A + 2B = 2C і має перший порядок за речовиною А та другою за речовиною B. Початкові концентрації газів дорівнюють: 0 (A) = 2 моль/л; 0 (B) = 4 моль/л; k = 0,02. Обчислити швидкість прямої реакції в початковий момент часу і через деякий час, коли прореагує 50% речовини A.
2. При 200С реакція протікає за 2 хв. За який час протікатиме ця ж реакція при 0 0 С, якщо g = 2?
3. Мурашина кислота розкладається на оксид вуглецю (IV) та водень на поверхні золота. Константа швидкості цієї реакції при 140 0 С дорівнює 5,5 × 10 - 4 хв -1, а при 185 0 С становить 9,2 × 10 - 3 хв -1. Визначити енергію активації цієї реакції.
Варіант №18
1. Реакція протікає за рівнянням: 2A + B = 2C і має перший порядок за речовиною А та за речовиною B. Швидкість реакції 0,5 моль/л×с. Початкові концентрації речовин дорівнюють: С(A) = 6 моль/л; З(B) = 3 моль/л. Визначити константу швидкості цієї реакції та швидкість реакції через деякий час, коли концентрація речовини B зменшиться на 1 моль/л.
2. При 200С реакція протікає за 2 хв. За скільки часу протікатиме ця ж реакція при 50 0 С, якщо g = 2?
3. Константа швидкості реакції інверсії тростинного цукру при 25 0 С дорівнює 9,67 10 - 3 хв - 1 , а при 40 0 С становить 73,4 10 - 3 хв -1 . Визначити енергію активації цієї реакції у вказаному інтервалі температур.
Контрольні питання та завдання
1. Швидкість хімічних реакцій, відмінність середньої швидкості миттєвої.
2. Запишіть математичний вираз закону мас для хімічних реакцій:
2А + В = А 2 В
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3
3. Залежність швидкості хімічної реакції від природи речовин, що реагують, від температури. Закон Вант-Гоффа, рівняння Арреніуса. Гомогенний та гетерогенний каталіз. приклади. Механізм дії каталізатора. Енергія активації хімічної реакції.
4. Константа швидкості реакції А + 2В = АВ 2 дорівнює 210 -3 л/(моль с). Обчисліть її швидкість у початковий момент, коли СА = СО = 0,4 моль/л і через деякий час. На цей момент концентрація речовини АВ 2 склала 0,1 моль/л.
5. горіння метану в кисні, якщо збільшити концентрацію кисню в 5 разів?
6. Хімічна реакція протікає за рівнянням А + В = С. У початковий момент часу СА = 2,7 моль/л, СО = 2,5 моль/л. Через 0,5 годин концентрація речовини А зменшилася і стала рівною СА = 2,5 моль/л. Обчисліть концентрацію речовин В і С до цього моменту та середню швидкість у зазначений проміжок часу.
7. У скільки разів слід збільшити тиск, щоб швидкість хімічної реакції 2NO 2 + O 2 = 2NO 2 збільшилась у 1000 разів?
8. У скільки разів зміниться швидкість хімічної реакції при зменшенні температури від 70 до 30 0 С, якщо коефіцієнт температури дорівнює 3.
9. На скільки градусів потрібно підвищити температуру, щоб швидкість хімічної реакції збільшилась у 81 раз? Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3?
10. Обчислити температурний коефіцієнт деякої хімічної реакції, якщо за підвищення температури від 10 до 50 0 З швидкість хімічної реакції збільшилася 16 раз.
Приклади виконання завдань
приклад 1.Напишіть математичний вираз закону мас для наступних хімічних реакцій:
Відповідь.Для реакції (1) швидкість залежить від концентрації SО 2 , для реакції (2) – лише від концентрації Н 2 .
приклад 2.Як зміниться швидкість хімічної реакції
4Al(к) + 3O 2 (г) = 2Al 2 O 3 (к),
якщо концентрацію кисню збільшити утричі?
Рішення
1. Записуємо вираз залежності швидкості хімічної реакції від концентрації речовин, що реагують: V 1 = k 3 .
2. При збільшенні концентрації кисню в 3 рази та швидкість хімічної реакції зростає: V 2 = k 3 .
V 2 / V 1 = ¾¾¾¾¾¾¾¾ = 27
Відповідь.При збільшенні концентрації кисню втричі швидкість хімічної реакції збільшується в 27 раз.
приклад 3.Як зміниться швидкість хімічної реакції
2Al(к) +3Cl 2 (г) = 2AlCl 3 (к)
зі збільшенням тиску в 2 рази?
Рішення.
1. Записуємо вираз залежності швидкості хімічної реакції від концентрації речовин, що реагують: V 1 = k 3 .
2. При збільшенні тиску вдвічі концентрація хлору також збільшується вдвічі. Отже, V2 = k3.
3. Зміна швидкості хімічної реакції дорівнює
V 2 / V 1 = ¾¾¾¾¾¾¾ = 8
Відповідь.При збільшенні тиску вдвічі швидкість даної хімічної реакції збільшується у 8 разів.
приклад 4.Температурний коефіцієнт швидкості хімічної реакції дорівнює 2,5. Як зміниться її швидкість а) у разі підвищення температури реакційної суміші від 60 до 100 про З; б) при зниженні температури від 50 до 30°С.
Рішення
1. Залежність швидкості хімічної реакції від температури визначається правилом Вант – Гоффа. Його математичний вираз:
V 2 = V 1 γ (t2 - t1) / 10 .
Отже, а) V 2 / V 1 = 2,5 (100-60) / 10 = 2,5 4 = 39,06;
б) V 2 / V 1 = 2,5 (30-50) / 10 = 2,5 -2 = 1/6,25 = 0,16.
Відповідь.При підвищенні температури на 40 про швидкість цієї реакції збільшується в 39,06 рази, при зниженні температури на 20 про швидкість хімічної реакції зменшується в 6,25 рази і становить лише 0,16 швидкості хімічної реакції при температурі 50 про С.
Тема. Хімічна рівновага
Контрольні питання та завдання
1. Оборотні та незворотні хімічні реакції. Навести приклади. Основні ознаки незворотності реакцій. Хибна хімічна рівновага.
2. Закон чинних мас для оборотних хімічних реакцій. Фізичний зміст константи хімічної рівноваги.
3. Запишіть вираз для константи хімічної рівноваги для наступних хімічних реакцій:
3Fe(к) + 4H 2 O(г) Fe 3 O 4 (к) + 4H 2 (г)
CaO(к) + CO 2 (г) CaCO 3 (к)
Ca(к) + C(к) +3/2O 2 (г) CaCO 3 (к)
4. Принцип Ле – Шательє. Навести приклади.
5. Як впливає збільшення тиску на зміщення хімічної рівноваги у наступних реакціях:
H 2 (г) + J 2 (г) 2HJ (г)
CO(г) + Cl 2 (г) COCl 2 (г)
2NO(г) + O 2 (г) 2NO 2 (г)
C(к) + CO 2 (г) 2CO(г)
6. У напрямку прямої або зворотної реакції зміститься хімічна рівновага в наступних реакціях при зниженні температури:
2H 2 S(г) + 3O 2 (г) 2SO 2(г) + 2H 2 O(г) DH< 0
2N 2 (г) + O 2 (г) 2N 2 O(г) DH > 0
2SO 2 (г) + O 2 (г) 2SO 3 (г) + 192,74 кДж
N 2 O 4 (г) 2NO 2 (г) - 54,47 кДж
7. Діями яких факторів можна змістити хімічну рівновагу у бік прямої реакції:
C(к) + H 2 O(г) CO(г) + H 2 (г) - 129,89 кДж
N 2 (г) + 3H 2 (г) 2NH 3 (г) DH< 0
8. Хімічне рівновагу реакції 2SO 2 (г) + O 2 (г) = 2SO 3 (г) встановилося при наступних концентраціях реагуючих речовин: = 0,2 моль/л, = 0,05 моль/л, = 0,09 моль/л. Як зміниться швидкість прямої реакції, швидкість зворотної реакції, якщо об'єм газової суміші зменшити у 3 рази?
9. Обчисліть рівноважну концентрацію водню та хлору у хімічній реакції: H 2 (г) + Cl 2 (г) = 2HCl(г), якщо вихідні концентрації С(H 2) = 0,5 моль/л, С (Сl 2) = 1,5 моль/л, а рівноважна концентрація хлороводню = 0,8 моль/л. Обчисліть константу хімічної рівноваги.
10. За деякої температури склад рівноважної суміші наступний: m(CO) = 11,2 г, m(Сl 2) = 14,2 г, m(COCl 2) = 19,8 г, її об'єм 10 л. Обчисліть константу рівноваги хімічної реакції CO(г) + Cl2(г) COCl2(г)
Приклади виконання завдань
приклад 1.Напишіть математичний вираз для константи хімічної рівноваги реакції Ca 3 N 2 (к) + 6H 2 O(г) = 3Ca(OH) 2 (к) + 2NH 3 (г).
Рішення.У математичному вираженні для константи хімічної рівноваги (закон мас для оборотних реакцій) не враховується участь речовин у твердій і рідкій фазі. Отже,
Відповідь.Константу рівноваги визначає відношення рівноважних концентрацій аміаку та води, що перебувають у газовій фазі.
приклад 2.Для реакції CoO(к) + CO(г) = Co(к) + CO 2 (г) розрахуйте константу хімічної рівноваги, якщо на момент рівноваги прореагувало 80 % СО, початкова концентрація СО дорівнює 1,88 моль/л.
Рішення
1. Математичний вираз для константи хімічної рівноваги Кс = /.
2. Рівноважні концентрації СО та СО 2 . Рівноважна концентрація СО буде меншою від вихідної (частина речовини – 80 % - вступила в хімічну реакцію:
[ЗІ] = З (ЗІ) вих. - З (СО)прореаг. = 1,88 - (1,88 · 80) / 100 =
0,376 моль/л.
Рівноважна концентрація СО 2 дорівнює:
[З 2 ] = З (З) прореаг. = (1,88 · 80) / 100 = 1,504 моль / л.
3. У математичний вираз для константи хімічної рівноваги підставляємо значення рівноважних концентрацій СО та СО 2:
Кс = 1,504/0,376 = 4.
Відповідь.Константа хімічної рівноваги цієї реакції дорівнює 4; що свідчить про те, що в цей момент швидкість прямої реакції в 4 рази вище швидкості зворотної реакції.
приклад 3.В яку сторону буде зміщено хімічну рівновагу реакції 2NiO(к) + CO 2 (г) + H 2 O(г) = (NiOH) 2 CO 3 (к) DH o< 0
а) зі збільшенням тиску, б) зі збільшенням температури? Запропонуйте оптимальну зміну термодинамічних параметрів Т та Р для збільшення виходу продукту реакції.
Рішення
1. Відповідно до принципу Ле-Шательє збільшення тиску зміщує рівновагу хімічної реакції у напрямку, що супроводжується зменшенням обсягу реакційної системи. При збільшенні тиску рівновагу цієї реакції зсувається вправо (швидкість прямої реакції вище, ніж зворотної).
2. Відповідно до принципу Ле-Шательє збільшення температури зміщує хімічну рівновагу у бік ендотермічної реакції. Отже, зі збільшенням температури рівновагу цієї реакції зміщується вліво (швидкість зворотної реакції вище, ніж прямий).
3. Для збільшення виходу продукту хімічної реакції утворення гідроксокарбонату нікелю (II) слід збільшити тиск та зменшити температуру.
приклад 4.Напишіть вираз для константи хімічної рівноваги реакції:
MgО(к) + H 2 (г) = Mg(к) + H 2 O(ж).
Чи впливає підвищення тиску на усунення хімічної рівноваги?
Рішення.Для гетерогенних реакцій у вираженні швидкості.
1. Основні поняття та постулати хімічної кінетики
Хімічна кінетика – розділ фізичної хімії, що вивчає швидкості хімічних реакцій. Основні завдання хімічної кінетики: 1) розрахунок швидкостей реакцій та визначення кінетичних кривих, тобто. залежності концентрацій реагуючих речовин від часу ( пряме завдання); 2) визначення механізмів реакцій щодо кінетичних кривих ( зворотне завдання).
Швидкість хімічної реакції описує зміну концентрацій реагуючих речовин за одиницю часу. Для реакції
a A + b B + ... d D+ e E + ...
швидкість реакції визначається наступним чином:
де квадратні дужки позначають концентрацію речовини (зазвичай вимірюється моль/л), t- Час; a, b, d, e- стехіометричні коефіцієнти у рівнянні реакції.
Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин, їхньої концентрації, температури та наявності каталізатора. Залежність швидкості реакції від концентрації описується основним постулатом хімічної кінетики. законом чинних мас:
Швидкість хімічної реакції в кожний момент часу пропорційна поточним концентраціям речовин, що реагують, зведеним в деякі міри:
,
де k- Константа швидкості (не залежить від концентрації); x, y- деякі числа, які називають порядком реакції з речовин A та B, відповідно. Ці числа взагалі ніяк не пов'язані з коефіцієнтами aі bу рівнянні реакції. Сума показників ступенів x+ yназивається загальним порядком реакції. Порядок реакції може бути позитивним чи негативним, цілим чи дробовим.
Більшість хімічних реакцій складається з кількох стадій, які називаються елементарними реакціями. Під елементарною реакцією зазвичай розуміють одиничний акт освіти чи розриву хімічного зв'язку, що протікає через утворення перехідного комплексу. Число частинок, що беруть участь в елементарній реакції, називають молекулярністюреакції. Елементарні реакції бувають лише трьох типів: мономолекулярні (AB + ...), бимолекулярні (A + B D + ...) і тримолекулярні (2A + B D + ...). Для елементарних реакцій загальний порядок дорівнює молекулярності, а порядки речовин дорівнює коефіцієнтам у рівнянні реакції.
ПРИКЛАДИ
Приклад 1-1.Швидкість утворення NO реакції 2NOBr (г) 2NO (г) + Br 2(г) дорівнює 1.6 . 10 -4 моль/(к. с). Чому дорівнює швидкість реакції та швидкість витрачання NOBr?
Рішення. За визначенням, швидкість реакції дорівнює:
Міль/(л. с).
З цього визначення слід, що швидкість витрачання NOBr дорівнює швидкості освіти NO зі зворотним знаком:
моль/(л.с).
Приклад 1-2.У реакції 2-го порядку A + B D початкові концентрації речовин A і B рівні відповідно 2.0 моль/л і 3.0 моль/л. Швидкість реакції дорівнює 1.2. 10 -3 моль/(л. с) при [A] = 1.5 моль/л. Розрахуйте константу швидкості та швидкість реакції при [B] = 1.5 моль/л.
Рішення. За законом діючих мас, у будь-який момент часу швидкість реакції дорівнює:
.
На час, коли [A] = 1.5 моль/л, прореагувало по 0.5 моль/л речовин A і B, тому [B] = 3 – 0.5 = 2.5 моль/л. Константа швидкості дорівнює:
Л/(моль. с).
На час, коли [B] = 1.5 моль/л, прореагувало по 1.5 моль/л речовин A і B, тому [A] = 2 – 1.5 = 0.5 моль/л. Швидкість реакції дорівнює:
Міль/(л. с).
ЗАВДАННЯ
1-1. Як виражається швидкість реакції синтезу аміаку 1/2 N 2 + 3/2 H 2 = NH 3 через концентрації азоту та водню? (Відповідь)
1-2. Як зміниться швидкість реакції синтезу аміаку 1/2 N 2 + 3/2 H 2 = NH 3 якщо рівняння реакції записати у вигляді N 2 + 3H 2 = 2NH 3 ? (Відповідь)
1-3. Чому дорівнює порядок елементарних реакцій: а) Сl + H 2 = HCl + H; б) 2NO + Cl2 = 2NOCl? (Відповідь)
1-4. Які з перерахованих величин можуть приймати: а) негативні; б) дробові значення: швидкість реакції, порядок реакції, молекулярність реакції, константа швидкості, стехіометричний коефіцієнт? (Відповідь)
1-5. Чи залежить швидкість реакції від концентрації продуктів реакції? (Відповідь)
1-6. У скільки разів збільшиться швидкість газофазної елементарної реакції A = 2D зі збільшенням тиску в 3 рази?
1-7. Визначте порядок реакції, якщо константа швидкості має розмірність 2/(моль 2 . с). (Відповідь)
1-8. Константа швидкості газової реакції 2-го порядку при 25 про дорівнює 10 3 л/(моль. с). Чому дорівнює ця константа, якщо кінетичне рівняння виражено через тиск в атмосферах?
1-9. Для газофазної реакції n-го порядку nA B виразіть швидкість освіти B через сумарний тиск. (відповідь)
1-10. Константи швидкості прямої та зворотної реакції дорівнюють 2.2 і 3.8 л/(моль. с). За яким із наведених нижче механізмів можуть протікати ці реакції: а) A + B = D; б) A + B = 2D; в) A = B + D; г) 2A = B. (відповідь)
1-11. Реакція розкладання 2HI H 2 + I 2 має 2-й порядок із константою швидкості k= 5.95. 10-6 л/(моль. с). Обчисліть швидкість реакції при тиску 1 атм та температурі 600 К. (відповідь)
1-12. Швидкість реакції 2-го порядку A + B D дорівнює 2.7. 10 -7 моль/(л. с) при концентраціях речовин A та B, відповідно, 3.0 . 10 -3 моль/л та 2.0 моль/л. Розрахуйте константу швидкості. (відповідь)
1-13. У реакції 2-го порядку A + B 2D початкові концентрації речовин A і B дорівнюють 1.5 моль/л. Швидкість реакції дорівнює 2.0. 10 -4 моль/(л. с) при [A] = 1.0 моль/л. Розрахуйте константу швидкості та швидкість реакції при [B] = 0.2 моль/л. (Відповідь)
1-14. У реакції 2-го порядку A + B 2D початкові концентрації речовин A та B рівні, відповідно, 0.5 та 2.5 моль/л. У скільки разів швидкість реакції при [A] = 0.1 моль/л менша від початкової швидкості? (Відповідь)
1-15. Швидкість газофазної реакції описується рівнянням w = k. [A] 2 . [B]. При якому співвідношенні між концентраціями А та В початкова швидкість реакції буде максимальною при фіксованому сумарному тиску? (Відповідь)
2. Кінетика простих реакцій
У цьому розділі ми складемо на основі закону мас і вирішимо кінетичні рівняння для незворотних реакцій цілого порядку.
Реакція 0-го порядку.Швидкість цих реакцій залежить від концентрації:
,
де [A] – концентрація вихідної речовини. Нульовий порядок зустрічається у гетерогенних та фотохімічних реакціях.
Реакції 1-го порядку.У реакціях типу A B швидкість прямо пропорційна концентрації:
.
При розв'язанні кінетичних рівнянь часто використовують такі позначення: початкова концентрація [A] 0 = a, поточна концентрація [A] = a - x(t), де x(t) - концентрація речовини, що прореагувала A. У цих позначеннях кінетичне рівняння для реакції 1-го порядку та його рішення мають вигляд:
Рішення кінетичного рівняння записують і в іншому вигляді, зручному для аналізу порядку реакції:
.
Час, протягом якого розпадається половина речовини A, називають періодом напіврозпаду t 1/2 . Він визначається рівнянням x(t 1/2) = a/2 і дорівнює
Реакція 2-го порядку.У реакціях типу A + B D + ... швидкість прямо пропорційна добутку концентрацій:
.
Початкові концентрації речовин: [A] 0 = a, [B] 0 = b; поточні концентрації: [A] = a- x(t), [B] = b - x(t).
При вирішенні цього рівняння розрізняють два випадки.
1) однакові початкові концентрації речовин A та B: a = b. Кінетичне рівняння має вигляд:
.
Розв'язання цього рівняння записують у різних формах:
Період напіврозпаду речовин A і B однаковий і дорівнює:
2) Початкові концентрації речовин A та B різні: a
b. Кінетичне рівняння має вигляд: 
.
Розв'язання цього рівняння можна записати так:
Періоди напіврозпаду речовин A та B різні: 
.
Реакції n-го порядку n A D + ... Кінетичне рівняння має вигляд:
.
Розв'язання кінетичного рівняння:
. (2.1)
Період напіврозпаду речовини A обернено пропорційний ( n-1)-й ступеня початкової концентрації:
. (2.2)
Приклад 2-1.Період напіврозпаду радіоактивного ізотопу 14 C – 5730 років. При археологічних розкопках було знайдено дерево, вміст C 14 в якому становить 72% від нормального. Який вік дерева?
Рішення.Радіоактивний розпад – реакція 1-го порядку. Константа швидкості дорівнює:
Час життя дерева можна знайти з розв'язання кінетичного рівняння з огляду на те, що [A] = 0.72 . [A] 0:
Приклад 2-2.Встановлено, що реакція 2-го порядку (один реагент) завершується на 75% за 92 хв при вихідній концентрації реагенту 0.24 М. Який час потрібно, щоб за тих самих умов концентрація реагенту досягла 0.16 М?
Рішення.Запишемо двічі рішення кінетичного рівняння для реакції 2-го порядку з одним реагентом:
,
де, за умовою, a= 0.24 M, t 1 = 92 хв, x 1 = 0.75. 0.24 = 0.18 М, x 2 = 0.24 - 0.16 = 0.08 M. Розділимо одне рівняння на інше:
Приклад 2-3.Для елементарної реакції n A B позначимо період напіврозпаду A через t 1/2, а час розпаду A на 75% - через t 3/4. Доведіть, що відношення t3/4/t1/2 не залежить від початкової концентрації, а визначається лише порядком реакції n.Рішення.Запишемо двічі рішення кінетичного рівняння для реакції n-го порядку з одним реагентом:
і поділимо одне вираження інше. Постійні величини kі aз обох виразів скоротяться, і ми отримаємо:
.
Цей результат можна узагальнити, довівши, що відношення часів, за які ступінь перетворення складе a і b залежить тільки від порядку реакції:
.
ЗАВДАННЯ
2-1. Користуючись розв'язком кінетичного рівняння, доведіть, що для реакцій 1-го порядку час t x, за яке ступінь перетворення вихідної речовини досягає xне залежить від початкової концентрації. (Відповідь)2-2. Реакція першого порядку протікає на 30% за 7 хв. За який час реакція завершиться на 99%? (Відповідь)
2-3. Період напіврозпаду радіоактивного ізотопу 137 Cs, який потрапив в атмосферу внаслідок Чорнобильської аварії – 29.7 років. Через який час кількість цього ізотопу становитиме менше 1% від вихідного? (Відповідь)
2-4. Період напіврозпаду радіоактивного ізотопу 90 Sr, який потрапляє в атмосферу при ядерних випробуваннях – 28.1 років. Припустимо, що організм новонародженої дитини поглинув 1.00 мг цього ізотопу. Скільки стронцію залишиться в організмі через а) 18 років, б) 70 років, якщо вважати, що він не виводиться з організму?
2-5. Константа швидкості реакції першого порядку SO 2 Cl 2 = SO 2 + Cl 2 дорівнює 2.2 . 10 -5 -1 при 320 про С. Який відсоток SO 2 Cl 2 розкладеться при витримуванні його протягом 2 год при цій температурі? (відповідь)
2-6. Константа швидкості реакції 1-го порядку
2N 2 O 5(г) 4NO 2(г) + O 2(г)
при 25 про С дорівнює 3.38. 10 -5 з -1. Чому дорівнює період напіврозпаду N 2 O 5? Чому дорівнюватиме тиск у системі через а) 10 с, б) 10 хв, якщо початковий тиск дорівнював 500 мм рт. ст. (Відповідь)
2-7. Реакцію першого порядку проводять із різними кількостями вихідної речовини. Чи перетнуться в одній точці на осі абсцис, що стосуються початкових ділянок кінетичних кривих? Відповідь поясніть.
2-8. Реакція першого порядку A2B протікає в газовій фазі. Початковий тиск дорівнює p 0 (B відсутня). Знайдіть залежність від тиску від часу. Через який час тиск збільшиться у 1.5 рази порівняно з початковим? Який ступінь перебігу реакції до цього часу? (Відповідь)
2-9. Реакція другого порядку 2A B протікає у газовій фазі. Початковий тиск дорівнює p 0 (B відсутня). Знайдіть залежність від тиску від часу. Через який час тиск зменшиться у 1.5 рази порівняно з початковим? Який ступінь перебігу реакції до цього часу? (Відповідь)
2-10. Речовину A змішали з речовинами B та C у рівних концентраціях 1 моль/л. Через 1000 с залишилося 50% речовини А. Скільки речовини А залишиться через 2000 с, якщо реакція має: а) нульовий, б) перший, в) другий, в) третій загальний порядок?
2-11. Яка з реакцій - першого, другого або третього порядку - закінчиться швидше, якщо початкові концентрації речовин дорівнюють 1 моль/л і всі константи швидкості, виражені через моль/л і с, дорівнюють 1? (Відповідь)
2-12. Реакція
CH 3 CH 2 NO 2 + OH - H 2 O + CH 3 CHNO 2 -
має другий порядок та константу швидкості k= 39.1 л/(моль. хв) при 0 про С. Був приготовлений розчин, що містить 0.004 М нітроетану та 0.005 М NaOH. Через який час відреагує 90% нітроетану?
2-13. Константа швидкості рекомбінації іонів H + і ФГ - (фенілгліоксинат) в молекулу НФГ при 298 К дорівнює k= 10 11.59 л/(моль. с). Розрахуйте час, протягом якого реакція пройшла на 99.999%, якщо вихідні концентрації обох іонів дорівнюють 0.001 моль/л. (Відповідь)
2-14. Швидкість окислення бутанолу-1 хлорнуватистою кислотою не залежить від концентрації спирту і пропорційна 2 . За який час реакція окислення при 298 К пройде на 90%, якщо вихідний розчин містив 0.1 моль/л HClO та 1 моль/л спирту? Константа швидкості реакції дорівнює k= 24 л/(моль. хв). (Відповідь)
2-15. При певній температурі 0.01 М розчин етилацетату омиляється 0.002 М розчином NaOH на 10% за 23 хв. Через скільки хвилин він буде омилений настільки ж 0.005 М розчином KOH? Вважайте, що ця реакція має другий порядок, а луги дисоційовані повністю.
2-16. Реакція другого порядку A + B P проводиться у розчині з початковими концентраціями [A] 0 = 0.050 моль/л та [B] 0 = 0.080 моль/л. Через 1 годину концентрація речовини А зменшилася до 0.020 моль/л. Розрахуйте константу швидкості та періоди напіврозпаду обох речовин.
ЗАНЯТТЯ 10 10-й клас(перший рік навчання)
Основи хімічної кінетики. Стан хімічної рівноваги План
1. Хімічна кінетика та сфера її вивчення.
2. Швидкість гомогенної та гетерогенної реакції.
3. Залежність швидкості реакції від різних факторів: природи речовин, що реагують, концентрації реагентів (закон діючих мас), температури (правило Вант-Гоффа), каталізатора.
4. Оборотні та незворотні хімічні реакції.
5. Хімічна рівновага та умови його зміщення. Принцип Ле Шательє.
Розділ хімії, що вивчає швидкості та механізми протікання хімічних реакцій, називається хімічною кінетикою. Одним із основних у цьому розділі є поняття швидкості хімічної реакції. Одні хімічні реакції протікають практично миттєво (наприклад, реакція нейтралізації в розчині), інші протягом тисячоліть (наприклад, перетворення графіту в глину при вивітрюванні гірських порід).
Швидкість гомогенної реакції - це кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється в результаті реакції за одиницю часу в одиниці об'єму системи:
Іншими словами, швидкість гомогенної реакції дорівнює зміні молярної концентрації будь-якої з реагуючих речовин за одиницю часу. Швидкість реакції – величина позитивна, у разі вираження її через зміну концентрації продукту реакції ставлять знак «+», а за зміни концентрації реагенту знак «–».
Швидкість гетерогенної реакції - це кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється в результаті реакції за одиницю часу на одиниці поверхні фази:
Найважливіші чинники, що впливають швидкість хімічної реакції, – природа і концентрація реагентів, температура, присутність каталізатора.
Вплив природи реагентівпроявляється в тому, що за тих самих умов різні речовини взаємодіють один з одним з різною швидкістю, наприклад:
При збільшенні концентрації реагентівзбільшується кількість зіткнень між частинками, що призводить до збільшення швидкості реакції. Кількісно залежність швидкості реакції від концентрації реагентів виражається закономірністю в масах (К.М.Гульдберг і П.Вааге, 1867 р.; Н.І.Бекетов , 1865 р.). Швидкість гомогенної хімічної реакції при постійній температурі прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин у ступенях, рівних їх стехіометричним коефіцієнтам (концентрації твердих речовин при цьому не враховуються), наприклад:
де А та В – гази або рідини, k –константа швидкості реакції, що дорівнює швидкості реакції при концентрації реагентів 1 моль/л. Константа kзалежить від властивостей реагуючих речовин та температури, але не залежить від концентрації речовин.
Залежність швидкості реакції від температуриописується експериментальним правилом Вант-Гоффа (1884 р.). При підвищенні температури на 10° швидкість більшості хімічних реакцій збільшується в 2–4 рази:
де – температурний коефіцієнт.
Каталізаторомназивається речовина, що змінює швидкість хімічної реакції, але не витрачається в результаті цієї реакції. Розрізняють позитивні каталізатори (специфічні та універсальні), негативні (інгібітори) та біологічні (ферменти, або ензими). Зміна швидкості реакції у присутності каталізаторів називається каталізом. Розрізняють гомогенний та гетерогенний каталіз. Якщо реагенти та каталізатор знаходяться в одному агрегатному стані, каталіз є гомогенним; у різних – гетерогенним.
Гомогенний каталіз:
гетерогенний каталіз:
Механізм дії каталізаторів є дуже складним та не вивченим до кінця. Існує гіпотеза про утворення проміжних сполук між реагентом та каталізатором:
А+ кат. ,
У АВ + кат.
Для посилення дії каталізаторів застосовують промотор; існують також каталітичні отрути, що послаблюють дію каталізаторів.
На швидкість гетерогенної реакції впливають величина поверхні поділу фаз(ступінь подрібненості речовини) та швидкість підведення реагентів та відведення продуктів реакції від поверхні розділу фаз.
Усі хімічні реакції поділяються на два типи: оборотні та незворотні.
Необоротними називаються хімічні реакції, що протікають лише в одному напрямку, тобто. продукти цих реакцій не взаємодіють один з одним із утворенням вихідних речовин. Умови незворотності реакції – утворення осаду, газу чи слабкого електроліту. Наприклад:
BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl,
K 2 S + 2HCl = 2KCl + H 2 S,
HCl + NaOH = NaCl + H2O.
Оборотними називаються реакції, що протікають одночасно в прямому та зворотному напрямках, наприклад:
При протіканні оборотної хімічної реакції швидкість прямої реакції спочатку має максимальне значення, а потім зменшується внаслідок зменшення концентрації вихідних речовин. Зворотна реакція, навпаки, в початковий час має мінімальну швидкість, яка поступово збільшується. Таким чином, у певний момент часу настає стан хімічної рівноваги, При якому швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції. Стан хімічної рівноваги є динамічним – продовжують протікати як пряма, і зворотна реакції, але оскільки швидкості їх рівні, то концентрації всіх речовин у реакційної системі не змінюються. Ці концентрації називаються рівноважними.
Відношення констант швидкостей прямої та зворотної реакцій є постійною величиною і називається константою рівноваги ( До р ) . Концентрації твердих речовин не входять у вираз константи рівноваги. Константа рівноваги реакції залежить від температури і тиску, але не залежить від концентрації речовин, що реагують, і від присутності каталізатора, який прискорює хід як прямої, так і зворотної реакції. Чим більше Дор, то вище практичний вихід продуктів реакції. Якщо Дор > 1, то системі переважають продукти реакції; якщо Дор< 1, в системе преобладают реагенты.
Хімічне рівновагу є рухомим, тобто. при зміні зовнішніх умов може збільшуватися швидкість прямої чи зворотної реакції. Напрямок зміщення рівноваги визначається п р і н ц і п о м, сформульованим французьким ученим Ле Шательє в 1884 р. Якщо на рівноважну систему виявляється зовнішнє вплив, то рівновага зміщується у бік тієї реакції, яка протидіє цьому впливу. На зміщення рівноваги впливають зміни концентрації реагентів, температури та тиску.
Збільшення концентрації реагентів та виведення продуктів призводять до зміщення рівноваги у бік прямої реакції.
При нагріванні системи рівновага зміщується у бік ендотермічної реакції, при охолодженні – у бік екзотермічної.
Для реакцій, у яких беруть участь газоподібні речовини, підвищення тиску зміщує рівновагу у бік реакції, що протікає із зменшенням числа молекул газу. Якщо реакція протікає без зміни числа молекул газоподібних речовин, зміна тиску ніяк не впливає на зміщення рівноваги.
