28. СИСТЕМА
1)N2O4(Г)=2NO2(Г), ∆НОР-И>0
2)О3(Г)=3О2(Г), ∆НОР-И<0
3)N2(Г)+2O2(Г)=2NO2(Г),
∆НОР-И >0
ВОЗМОЖНОСТЬ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО
РАВНОВЕСИЯ а) возможно, т.к. энтальпийный и
энтропийный фактор действуют в разных направлениях б) невозможно, т.к. энтальпийный и
энтропийный фактор вызывают прямую реакцию в) невозможно, т.к. энтальпийный и энтропийный фактор вызывают обратную реакцию
Ответы к тесту на стр. 200
Тестовые задания для самоконтроля по теме II на стр. 290 Ответы к тестовым заданиям для самоконтроля по теме II на стр. 313
ТЕМА III. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
3.1. Химическая кинетика. Скорость химической реакции и факторы, на нее влияющие
Химическая кинетика – это раздел химии, изучающий вопрос о скорости химических реакций и о факторах на нее влияющих. Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни и даже годы. Кроме того, одна и та же реакция может в одних
44
условиях, например при повышенной температуре, протекать быстро, а в других,- например при охлаждении медленно. При практическом использовании химических реакций, при рассмотрении биохимических реакций в живом организме важно знать, с какой скоростью будет протекать данная реакция в тех или иных условиях, и как нужно изменить эти условия для того, чтобы реакция протекала с требуемой скоростью.
Скоростью реакции в гомогенной системе называется изменение концентрации одного из реагирующих или образующихся веществ в единицу времени в единице объема.
V |
C |
2 |
C |
|
|
|
1 |
||
|
|
|
||
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
||
где С2 и С1 – концентрации веществ (моль/л), соответствующие времени τ2 и τ1 (в сек или мин).
Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единице поверхности фазы.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакции, относятся следующие: природа реагирующих веществ, их концентрации или давления для газов, температура, присутствие в системе катализатора и растворителя.
Влияние природы реагирующих веществ. При рассмотрении вопроса о скорости химической реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе, и реакции, протекающие в гетерогенной системе. С
наибольшей скоростью протекают гомогенные реакции.
Например, реакции в газовой фазе или реакции в растворах электролитов.
Гетерогенные реакции более медленные и их скорость зависит от площади поверхности раздела. Поэтому основной
45
фактор, влияющий на скорость гетерогенных реакций – это степень измельчения реагентов.
Влияние концентрации реагирующих веществ или давления для газов. Необходимым условием того, чтобы между частицами исходных веществ, произошла химическая реакция, является их столкновение друг с другом. Поэтому скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы исходных веществ. Число соударений тем больше, чем больше концентрация каждого из исходных веществ.
Это находит свое подтверждение в законе действующих масс, открытом опытным путем К.М. Гульдбергом и П.Вааге в
1867 г:
Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, возведенных в степень их коэффициентов в уравнении реакции (стехиометрических коэффициентов).
Для реакции аА + вВ → С
V
KC |
a |
C |
b |
A |
|
||
|
B |
|
,
где СА и СВ – молярные концентрации реагентов А и В; а и b – стехиометрические коэффициенты при А и В; К – константа скорости данной реакции, которая
численно равна скорости химической реакции при концентрациях веществ А и В равных единице. Константа скорости химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, и не зависит от концентрации.
Т.к. концентрация газов пропорциональна их давлению, то в математическое выражение закона действующих масс для газовых систем вместо концентраций можно подставлять
величины парциальных давлений:
V
KP |
a |
P |
b |
|
|
||
A |
|
B |
|
.
Закон действующих масс применим как для гомогенных, так и для гетерогенных систем. Но, в случае гетерогенных систем в математическое выражение закона действующих масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в
46
газовой фазе или в растворе. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно представляет собою постоянную величину и поэтому входит в константу скорости и в закон действующих масс не пишется.
Запишем математическое выражение закона действующих масс для скорости следующих реакций:
1) Для гомогенной реакции в газовой фазе: 3Н2 г + N2 г = 2NH3 г
V KC |
H 2 |
3C |
N2 |
или V KP |
3 P |
|
|
H 2 |
N2 |
2) Для гетерогенной реакции: MgО кр + СО2 г = MgСО3 кр
V KCCO2
или
V KPCO2
3) Для гомогенной реакции в растворе:
НCl р-р + KОНp-p = КCl p-p + Н2О V KCНСlCКОН
4) Для гетерогенной реакции разложения твердого вещества скорость реакции равна константе:
to |
V K |
2 КСlO3 кр 2 КСl кр + 3O2 г |
Влияние температуры. Зависимость скорости реакции от температуры обычно описывают уравнением Аррениуса, которое устанавливает зависимость константы скорости реакции от температуры. Уравнение Аррениуса в простейшем виде
можно записать как
|
|
E |
|
|
|
акт |
|
k A e |
RT |
||
|
|||
|
|
Здесь А характеризует частоту столкновений реагирующих молекул, R — универсальная газовая постоянная.
Ea- энергия активации - минимальный запас энергии частиц в момент столкновения, необходимый для протекания химической реакции.
Число столкновений между молекулами веществ при обычных условиях столь велико, что все реакции должны протекать практически мгновенно. Однако в действительности далеко не все реакции заканчиваются быстро. Это значит, что не всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к
47
образованию продуктов реакции. Для того чтобы произошла реакция, т.е. чтобы образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то столкновение будет неэффективным – не приведет к образованию новой молекулы. Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна для ослабления или разрыва связей, то столкновение может привести к образованию нового вещества.
Избыточная по сравнению со средней энергия, которой должны обладать молекулы необходимая для химического взаимодействия между ними, называется энергия активации. Энергию активации выражают в кДж/моль. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами.
Для приблизительной оценки влияния температуры на скорость реакции иногда используют так называемое «правило Вант-Гоффа».
Правило Вант-Гоффа. При повышении температуры на 10о скорость или константа скорости реакции возрастает в 2-4 раза, для ферментативных реакций – в 7-8 раз.
V |
|
|
K |
|
|
|
t |
t |
|
|
|
t |
|
|
2 |
|
1 |
||
t |
2 |
|
|
2 |
|
10 |
|
||
V |
K |
|
|
||||||
|
|
t |
|
|
|
|
|
||
t |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
,
где Vt1 и Vt2 – скорости реакции при температурах t1 и t2; Kt1, Kt2 – константы скорости;
γ – температурный коэффициент скорости реакции – число, показывающее, во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры на 10 градусов.
Влияние катализатора. Катализаторы - это вещества,
изменяющие скорость химической реакции и сохраняющие свой состав после окончания реакции. Катализэто изменение скорости реакции под влиянием катализатора. Различают положительный, или собственно катализ – увеличение скорости
48