Методичні вказівки для підготовки до лабораторних робіт з курсу хімії (Хімічна кінетика і хімічна рівновага. Розчини. Закони ідеальних розчинів. Розчини електролітів. Гідроліз солей)

                                            Лабораторна  робота  №  5

                       ХІМІЧНА КІНЕТИКА. ХІМІЧНА РІВНОВАГА.

       Хімічна кінетика

      Розділ хімії, який розглядає швидкості і механізми хімічних процесів, називається  хімічною  кінетикою. Швидкість хімічної реакції - число елементарних актів взаємодії за одиницю часу. Для гомогенних реакцій швидкість визначається  як зміна концентрацій вихідних речовин або продуктів реакції  за одиницю часу.

       Середня швидкість реакції в проміжках часу  Dt = t₂ – t₁

      де    Dc = c₂ - c₁ – зміна концентрації.

        Для продуктів реакції перед відношенням ставиться знак ¢¢плюс¢¢ , для  вихідних речовин – знак ¢¢мінус¢¢. Істинна швидкість реакції в момент часу t Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин, їх концентрації, температури, наявності каталізатора.

    Вплив концентрації. Порядок і молекулярність реакції.

    Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин описується  кінетичним    рівнянням, яке визначається експериментально.

    Для реакції aA + bB = Cc + dD;  v = kC_А^nA C_B^nB , де С_А і С_В      - концентрації компонентів  А і В;  nA і nB – порядки   реакції   по компонентах А і В.

    Порядком   реакції  по даному компоненту   називається показник ступеня при концентрації  цього компонента в кінетичному рівнянні_-  Загальний порядок реакції   n дорівнює сумі порядків реакції по окремих компонентах: n = n_A + n_B;  k – константа швидкості реакції, яка чисельно дорівнює швидкості реакції при концентрації реагуючих речовин чи їх добутку, що дорівнює 1;  значення k  не залежить від концентрацій реагуючих речовин і є сталим  при сталій температурі.

    Кінетичне рівняння залежить від механізму реакції, тобто  від того, через які стадії відбувається даний процес. Якщо  реакція відбувається в одну стадію, вона називається  простою. Найчастіше реакції  є  складними, тобто перетворення вихідних речовин у кінцеві проходить через ряд  елементарних  стадій.
    Для простих реакцій чи елементарних стадій справедливий закон діючих мас:  при постійній температурі швидкість хімічної реакції прямо пропорційна  добутку концентрацій реагуючих речовин у   ступенях, що дорівнюють їх стехіометричним коефіцієнтам.

    Наприклад,  для  реакції  Н₂ + І₂ ®2НІ, яка є простою реакцією першого порядку по Н₂ і І₂, сумарний порядок дорівнює 2, кінетичне рівняння має  вигляд  v = k[H₂][I₂].

    Для  складних реакцій   кінетичне рівняння не відповідає стехіометричному. Так, для    реакції  2N₂O₅ = 4NO₂ + O₂    кінетичне  рівняння таке:  v = k[N₂O₅]. Реакція  відбувається через стадії:

                                    N₂O₅  =  N₂O₃ + O₂;                                                                  (1)

                                    N₂O₅ + N₂O₃  =  4NO₂.                                                             (2)

    Перша стадія, більш повільна, лімітує швидкість усієї реакції і визначає її перший порядок по  N₂O₅.

    Число молекул, які беруть участь в елементарному акті хімічного перетворення, називається   молекулярністю. Так, перша стадія – мономолекулярна, друга - бімолекулярна. Для простих реакцій порядок і молекулярність співпадають, для складних - не співпадають.

    Приклад 1.  Визначити вид кінетичного рівняння для реакцій в газовій фазі:

A + B + 2D = F + L, якщо при збільшенні концентрації С_А в 2, 3, 4  раза   швидкість реакції v збільшилась в   2, 3, 4  раза,  при такому ж збільшенні C_B не змінилась, а C_D – збільшилось в 4, 9, 16 раз. Як зміниться швидкість реакції при збільшенні тиску в 2 рази?

     Розв’язок:

     З умови задачі виходить, що v залежить прямопропорційно від C_A, не             залежить від C_B і пропорційна квадрату C_D, тобто  v = kC_A¹C_B⁰C_D². Отже, реакція першого порядку - по A, нульового - по B, другого - по D. Загальний порядок реакції дорівнює  1+ 0 + 2 = 3.

         При підвищенні тиску в 2 рази концентрація кожної речовини в газовій фазі     зростає в 2 рази. Тоді

         Відповідь: кінетичне рівняння має  вигляд v = k C_A¹C_B⁰C_D²; швидкість реакції збільшується в 8 разів.

     Вплив температури

    В більшості випадків швидкість реакції збільшується при підвищенні температури. Згідно з   правилом   Вант-Гоффа, при збільшенні температури на 10 ^оС швидкість реакції збільшується в 2 – 4 рази, тобто

Правило Вант-Гоффа     можна  також  виразити так:

    де   γ - температурний  коефіцієнт швидкості реакції, який  показує, в скільки разів підвищується швидкість реакції при збільшенні температури  на 10°.

    Приклад  2.  Визначити, в скільки разів збільшиться швидкість  реакції при  збільшенні температури на 40 ^оС, якщо температурний коефіцієнт швидкості цієї реакції дорівнює 3.

    Розв’язок.

     Згідно з правилом Вант-Гоффа  розраховуємо відношення  швидкостей  при     збільшенні температури:

         Відповідь: швидкість реакції  збільшиться в 81 раз.

 Залежність константи швидкості від температури  встановлюється рівнянням Арреніуса:

  де А - передекспоненціальний множник, який характеризує загальне число співударів молекул, сприятливих в просторовому відношенні;

Е_а – енергія активації, Дж/моль – різниця між енергією, необхідною для взаємодії і середньою енергією молекул; Т – абсолютна  температура; R – універсальна  газова стала; -- доля активних зіткнень.

    Збільшення швидкості реакції з підвищенням температури, пов’язане зі зростанням числа активних молекул.

    Приклад 3. Розрахувати  енергію  активації  реакції,  якщо при температурі   Т₁  = 273 К   константа рівноваги  k дорівнює 4,04^.10^-5 c^-1, а при  T₂ = 280 K           k = 7,72^.10^-5 c^-1.

    Розв’язок:

     Використовуємо рівняння Арреніуса.

    R = 8,3 Дж/(моль ^. К);    lnA = 2,3^. lgA;

 

         Відповідь: енергія активації дорівнює 58750 Дж/моль.

    Вплив каталізатора

    Збільшення швидкості хімічної реакції під впливом специфічних речовин, кількість яких не змінюється, називається  каталізом.Речовини, які збільшують швидкість реакції,  називаються каталізаторами, речовини, які уповільнюють реакції – інгібіторами.

    Каталізатори беруть участь у реакції, але в результаті перетворень виділяються в числі продуктів у хімічно незмінному стані.

    Процес при цьому відбувається  іншим шляхом, який характеризується меншою енергією активації, що й пояснює збільшення швидкості реакції. Якщо реагенти, каталізатор і проміжні сполуки знаходяться в одній фазі, мова йде  про гомогенний каталіз; якщо реагенти і каталізатор знаходяться в різних фазах, а перехідний стан утворюється на межі поділу фаз – про гетерогенний каталіз.

    Хімічна рівновага

    В основному хімічні реакції є оборотними, тобто можуть одночасно проходити в двох взаємно протилежних напрямках. Якщо швидкості прямої і зворотної реакції рівні, в системі встановлюється хімічна рівновага, яка при даній температурі характеризується константою рівноваги.  Так, для реакції 

                          аА + вВ « сС + dD

константа рівноваги виражається рівнянням:

 

Відповідно до закону діючих мас (ЗДМ) константа рівноваги будь-якої  (простої чи складної) оборотної реакції – величина стала при сталій температурі. Вона може бути розрахована, якщо відомі вихідні концентрації речовин і рівноважна концентрація одного з реагентів.

Приклад 4. Для реакції A + 2B « L + 3M   вихідні концентрації  становлять:  [A] = 2 моль/л; [B] = 3 моль/л, а рівноважна концентрація [L] = 0,5 моль/л. Визначити К_с (загальний об’єм залишається постійним).