4. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагентов и от давления
Скорость реакции зависит от концентрации реагентов. Чем больше концентрация реагирующих веществ, тем чаще сталкиваются молекулы и тем быстрее происходит реакция.
Рис. \(1\). Влияние концентрации веществ на скорость реакции
Зависимость скорости гомогенной реакции от концентраций реагентов выражается законом действующих масс .
Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов.
В кинетическом уравнении концентрация вещества возводится в степень, равную коэффициенту перед его формулой в уравнении реакции.
для реакции \(A + B = C\) выражение для расчёта скорости реакции записывается следующим образом: v = k ⋅ c ( A ) ⋅ c ( B ) .
Для реакции \(2A + B = C\) концентрация реагента \(A\) возводится в квадрат: v = k ⋅ c 2 ( A ) ⋅ c ( B ) .
Коэффициент \(k\) — это константа скорости. Она соответствует скорости реакции, если концентрации равны \(1\) моль/дм³.
Обрати внимание!
Скорость реакций с участием газов зависит также от давления , так как при изменении давления в \(n\) раз во столько же раз изменяется концентрация веществ. Повышение давления происходит при сжатии газов, т. е. при уменьшении объёма.
Примеры решения задач
Пример \(1\). Определим, во сколько раз увеличится скорость реакции между азотом и кислородом, если концентрации реагирующих веществ увеличить в \(2\) раза.
2. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В → А2В, если концентрацию вещества А увеличить в 2 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза?
2. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В → А2В, если концентрацию вещества А увеличить в 2 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза?
Ответ: увеличится в 2 раза.
Источник:
Решебник по химии за 11 класс (О.С.Габриелян, 2002 год),
задача №2
к главе «Глава 3. Химические реакции. §13. Скорость химических реакций».
Во сколько раз изменится скорость прямой реакции
2.4 РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ “ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ”
(для нехимических специальностей)
1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции N 2 (г)+3Н2(г)2 NH 3 (г), если давление в системе увеличить в 2 раза?
Увеличение давления в системе в 2 раза равносильно уменьшению объема системы в 2 раза. При этом концентрации реагирующих веществ возрастут в 2 раза. Согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна v н = k · [ N 2 ] · [ H 2 ] 3 . После увеличения давления в 2 раза концентрации азота и водорода увеличатся в 2 раза, и скорость реакции станет равна v к = k · 2[ N 2 ] · 2 3 [ H 2 ] 3 = k · 32[ N 2 ] · [ H 2 ] 3 . Отношение v к. / v н показывает, как изменится скорость реакции после изменения давления. Следовательно, v к / v н =k · 32[ N 2 ] · [ H 2 ] 3 /( k · [ N 2 ] · [ H 2 ] 3 )=32. Ответ: скорость реакции увеличится в 32 раза.
2. В реакции С( т)+2 H 2 (г) CH 4 (г) концентрацию водорода уменьшили в 3 раза. Как изменится скорость реакции?
Согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна v н = k · [ H 2 ] 2 . После уменьшения концентрации водорода в 3 раза скорость станет равна v к = k · (1/3) 2 [ H 2 ] 2 =1/9 k [ H 2 ] 2 . После изменения концентрации водорода скорость изменится следующим образом: v к /vн=1/9 k [ H 2 ] 2 /( k [ H 2 ] 2 )=1/9. Ответ: скорость реакции уменьшится в 9 раз.
3. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 10 до 30 o С ( γ =3)?
При увеличении температуры с 10 до 30 o С скорость реакции в соответствии с правилом Вант-Гоффа возрастает:
v 2 / v 1 = γ ( t 2- t 1)/10 , где t 2 =30 o C , t 1 =10 o C , а v 2 и v 1 – скорости реакции при данных температурах. Получаем v 2 / v 1 =3 (30–10)/10 =3 2 = 9 т.е. скорость реакции увеличится в 9 раз. Ответ: 9.
1) повышении температуры; 2) уменьшении давления; 3) увеличении давления?
Все вещества в системе – газы. В соответствии с принципом Ле Шателье , повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, приводящей к меньшему количеству молей газов, т.е. в сторону образования Н2О. Следовательно, повышение давления в системе смещает равновесие реакции вправо. Ответ: при увеличении давления.
5. В какую сторону сместится равновесие реакции 2 SO 2 (г)+ O 2 (г)2 SO 3 (г); Δ H
6. Определите константу равновесия реакции
NOCl 2 (г)+ NO (г) 2NOCl(г), если при некоторой температуре равновесные концентрации веществ составляют [NOCl2]=0,05; [NO]=0,55; [ NOCl ]=0,08 моль/ л .
Константа равновесия обратимой химической реакции равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Значение каждой из концентраций должно быть возведено в степень, равную стехиометрическому коэффициенту перед соответствующим веществом в уравнении реакции. Поэтому
Примеры решения задач. Задача 1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции n2(г)+3н2(г)↔ 2nh3(г), если давление в системе увеличить в 2 раза?
Задача 1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции N2(г)+3Н2(г)↔ 2NH3(г), если давление в системе увеличить в 2 раза?
Увеличение давления в системе в 2 раза равносильно уменьшению объема системы в 2 раза. При этом концентрации реагирующих веществ возрастут в 2 раза. Согласно закону действующих масс, начальная скорость реакции равна υн = k ∙[N2]∙[H2] 3 . После увеличения давления в 2 раза концентрации азота и водорода увеличатся в 2 раза, и скорость реакции станет равна υк = k ∙2[N2]∙2 3 [H2] 3 = k ∙16[N2]∙[H2] 3 . Отношение υ к ./υн показывает, как изменится скорость реакции после изменения давления. Следовательно, υ к /υн = k ∙16[N2]∙[H2] 3 / k ∙[N2]∙[H2] 3 =16.
Ответ: скорость реакции увеличится в 16 раз.
Задача 2. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе: 2SO2(г) + O2(г) ↔2SO3(г), если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?
Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO2] = а,
[O2] = b, [SO3] = c. Согласно закону действия масс, скорости и прямой и обратной реакций до изменения объема
υпр = k · а 2 · b; υобр = k 1· с 2.
После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO2] = 3 a, [O2] = 3 b, [SO3] = 3 c. При новых концентрациях скорости υ’ прямой и обратной реакций: υ’пр = k ·(3 a) 2 ·(3 b) = 27· k · a 2 · b; υ’обр= k 1·(3 с) 2 = = 9· k 1· с 2 . Отсюда
Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной – только в девять раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SO3.
Задача 3. В реакции С(т)+2H2(г) ↔ CH4(г) концентрацию водорода уменьшили в 3 раза. Как изменится скорость реакции?
Согласно закону действующих масс, начальная скорость реакции равна υн= k ∙[H2] 2 . После уменьшения концентрации водорода в 3 раза скорость станет равна υк= k ∙(1/3) 2 [H2] 2 =1/9 k [H2] 2 . После изменения концентрации водорода скорость изменится следующим образом: υк/υн=1/9 k [H2] 2 / k [H2] 2 =1/9.
Ответ: скорость реакции уменьшится в 9 раз.
Задача 4. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 10 до 30 o С (γ = 3)?
При увеличении температуры с 10 до 30 o С скорость реакции в соответствии с правилом Вант-Гоффа возрастает:
где t 2=30 o C, t 1=10 o C, а υ2 и υ1 – скорости реакции при данных температурах.
Получаем υ2/υ1=3 (30–10)/10 =3 2 =9, т.е. скорость реакции увеличится в 9 раз.
Задача 5. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70 o С, если температурный коэффициент реакции равен 2.
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле
Следовательно, скорость реакции при температуре 70 o С больше скорости реакции при температуре 30 o С в 16 раз.
Задача 6. Равновесие реакции 2H2(г)+O2(г) ↔ 2H2O(г); ∆ H
1) при уменьшении давления; 2) при увеличении давления?
Все вещества в системе – газы. В соответствии с принципом Ле Шателье, повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, приводящей к меньшему количеству молей газов, т.е. в сторону образования Н2О. Следовательно, повышение давления в системе смещает равновесие реакции вправо.
Ответ: при увеличении давления.
Задача 7. В какую сторону сместится равновесие реакции 2SO2(г)+O2(г)↔ 2SO3(г); ∆ H
Задача 8. Определите константу равновесия реакции NOCl2(г)+NO(г) ↔ 2NOCl(г), если при некоторой температуре равновесные концентрации веществ составляют [NOCl2]=0,05; [NO]=0,55; [NOCl]=0,08 моль/л.
Константа равновесия обратимой химической реакции равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Значение каждой из концентраций должно быть возведено в степень, равную стехиометрическому коэффициенту перед соответствующим веществом в уравнении реакции. Поэтому
Задача 9. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:
Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – разложения РСl5?
Смещением, или сдвигом химического равновесия, называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется по принципу Ле Шателье: а) так как реакция разложения PCl5 эндотермическая (∆ Н > 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру; б) так как в данной системе разложение PCl5 ведет к увеличению объема газообразных веществ (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещение равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации PCl5, так и уменьшением концентрации PCl3 или Cl2.
Задача 10. Один моль аммиака поместили в сосуд объемом 20 л и нагрели до 600 o C. Давление в сосуде оказалось равным 435 кПа. Рассчитайте степень разложения аммиака.