- •Самостоятельная работа № 3 по химии
- •3. Разложение пентаоксида азота по реакции
- •Пример 4. Определение константы химического равновесия
- •Раздел 2. Приобретение компетенций и закрепление навыков
- •Б) Домашнее задание № 3 для закрепления знаний теоретического материала
- •По теме «Скорость химической реакции, её зависимость от
- •Природы реагентов, концентрации и температуры. Химическое
- •Равновесие. Условия смещения равновесия»
Самостоятельная работа № 3 по химии
Раздел 1. Обучающие примеры с алгоритмами решения по теме
«Скорость химической реакции, её зависимость от природы реагентов, концентрации и температуры. Химическое равновесие. Условия смещения равновесия»
Пример 1.Расчеты, основанные на применении закона действующих масс для
химических процессов, проходящих в гомогенной и гетерогенной среде
1. В результате реакции цинка сульфида с соляной кислотой за 6 мин образовалось 10,2 л сероводорода (н. у.). При взаимодействии цинка селенида в тех же условиях за такой же промежуток времени образовалось 4,48 л селеноводорода. Можно ли утверждать, что первая реакция протекает с большей скоростью?
Решение. Поскольку речь идет о химических процессах, запишем вначале уравнения реакций, о которых идет речь в задаче:
↑ и↑.
Уравнения реакций показывают, что объемы выделяющихся газов в первой и второйреакциях эквивалентны количествам веществи, израсходованных в процессе. Это означает, чтои.
Поскольку количество вещества любого газа при нормальных условиях прямо пропорционально его объему, отнесенному к молярному объему газа (), то;
и .
Следовательно, и количество вещества цинка сульфида за 6 мин уменьшилось на 0,45 моль , а количество вещества цинка селенида уменьшилось только на 0,20 моль.
Согласно уравнению средней скорости химического процесса . В этом уравнении объем реакционного сосудаVпримем равным 1 л, а промежуток времени Δτ известен по условию задачи, он равен 6 мин или. Подставив значенияVи Δτ в уравнение для скорости и произведя расчеты, получим:
;
.
И тогд.
Как показывают расчеты, скорость реакции взаимодействия соляной кислоты с цинка сульфидом в 2 раза больше, чем скорость реакции с цинка селенидом.
Ответ: да, можно утверждать, что первая реакция протекает с большей скоростью, т.к..
2. В реакции гидрирования ацетилена до этана концентрацию водорода увеличили в 6 раз, а концентрацию ацетилена уменьшили в 12 раз, поддерживая при этом температуру в системе постоянной. Определите, как изменилась скорость этой реакции.
Решение. В задаче речь идёт о реакции, которую условно можно принять за элементарную, одностадийную, гомогенную, протекающую по уравнению
.
Применим к этому процессу закон действующих масс, обозначив через – скорость реакции в начальный момент времени и через– скорость реакции после изменения концентраций реагирующих веществ. Тогда получим:
и
.
Чтобы узнать, как изменилась скорость реакции, разделим на:
Следовательно, в результате изменения концентраций водорода и ацетилена скорость реакции возросла в 3 раза.
Ответ: скорость реакции возросла в 3 раза.
3. Скорость процесса окисления аммиака кислородом, протекающего по уравнению
,
увеличилась в 512 раз. Определите, как изменилось при этом давление в зоне реакции.
Решение. Поскольку в реакции участвуют только газообразные реагенты, то их концентрации в объеме реакционного сосуда можно заменить парциальными давлениями. Применим к этому процессу закон действующих масс, обозначив через Р̃ парциальное давление каждого из компонентов в смеси, черезx– неизвестную величину, на которую изменилось давление в системе, через– скорость реакции в начальный момент времени и через– скорость реакции после изменения давления в системе. Тогда получим:
и.
И далее
. Откуда;;. Следовательно, давление в системе было увеличено в 2 раза.
Ответ: давление увеличено в 2 раза.
4. Реакция между веществамиподчиняется уравнению:. При начальных концентрациях реагентовискорость этой реакции была равна. Определите константу скорости реакции и установите, как изменится её скорость, когда в реакционном пространстве останется лишьвещества.
Решение. Запишем выражение закона действующих масс, которому подчиняются реагентыв этом химическом процессе:. По начальным концентрациям реагентов и скорости реакции вычислим её константу скорости:
, и далее.
Для расчета скорости реакции через определённый промежуток времени определим, если в сосуде осталось= 0,01 моль/л.
В реакцию вступили 0,02 реагентат.к..
Из уравнения реакции видно, что вещества расходуется в 2 раза больше, следовательно,, и=0,01.
Отсюда .
И тогда .
Ответ: скорость уменьшилась в 75 раз.
5. Через некоторое время после начала реакции, протекающей по уравнению
,
концентрации участвующих в ней веществ стали равными ():;;. Определите, какими были концентрации хлороводорода и кислорода в начале реакции, и как изменилась скорость этого процесса, если объем реакционного пространства оставался постоянным.
Решение. Запишем уравнение закона действующих масс для указанного процесса окисления хлороводорода к моменту, когда в системе уже образовалось 0,30 моль/л газообразного хлора:, и решим его:
.
Начальные концентрации и будут большена величину израсходованного количества веществаи, затраченных на образование 0,30 моль/л хлора. Уравнение реакции показывает, что на образование 2 мольрасходуется 4 мольи 1 моль. Следовательно, на образование 0,30 мольпотребуетсяи. Тогда начальные концентрации реагентов будут равны ():
;
.
В этих выражениях и. Поскольку объем системынеизвестен, его условно можно принять равным 1 л.
Теперь рассчитаем начальную скорость реакции:
Отношение скоростей составит величину , что доказывает уменьшение скорости в 11,35 раза.
Ответ: в начальный момент времени концентрации реагентов были равны ():;. Скорость реакции уменьшилась в 11,35 раза.
Пример 2. Определение порядка химической реакции и времени её протекания
1. Рассчитайте константу скорости реакции первого порядка, учитывая, что за 25 мин прореагировала четвертая часть участвующих в ней веществ.
Решение. Зависимость константы скорости реакции первого порядка от концентрации и времени протекания определяется уравнением:
.
Пусть начальная концентрация реагента , тогда через времяего концентрациястанет равной. Подставим значенияив уравнение для, переведя предварительно время в секунды, и произведем вычисления:
.
Ответ: константа скорости реакции первого порядка.
2. Константа скорости реакции первого порядка равнапри начальной концентрации участвующих в ней веществ, равной 1 моль/л. Определите, какое количество вещества реагентов останется не прореагировавшим через 10 ч после начала реакции.
Решение. Преобразуем относительноуравнение зависимости константы скорости реакции первого порядка от времени её протекания и получим:
, далееи окончательно.
Подставим в полученное выражение известные данные из условия задачи, преобразовав время в секунды, и произведем расчеты:
. отсюда
Ответ: через 10 ч после начала реакции в системе останется не прореагировавшими 0,409 моль реагентов.
3. Реакция разложения иодоводорода по уравнению
протекает с константой скорости . Рассчитайте время, за которое прореагирует 99% исходного вещества, если начальная концентрация была равна 1.
Решение. Уравнение химической реакции указывает на второй порядок зависимости скорости от концентрации. Связывающее их математическое выражение
.
Преобразуем его относительно времени τ: .
Подставим в полученное выражение известные данные, имея в виду, что к моменту времени τ не прореагировавшим останется 1% иодоводорода, что соответствует его молярной концентрации . И тогда
.
Ответ: 99% иодоводорода прореагирует за 148,6 ч.
4. Изучение кинетики окислительно-восстановительной реакции, протекающей по уравнению
,
показало, что её скорость пропорциональна концентрации каждого из реагентов в первой степени. Экспериментально получено, что при смешивании иодноватой и сернистой кислот с равными концентрациями, концентрация каждой из них через 40 с после начала опыта равнялась 0,25 моль/л, а через 60 с – 0,20 моль/л. Рассчитайте начальную концентрацию реагентов и константу скорости этой реакции.
Решение. В условии задачи указывается на второй порядок окислительно-восстановительной реакции, что подтверждает и само уравнение. Применим к нему выражение зависимости константы скорости от времени протекания реакции и концентрации:
.
Поскольку константа скорости не зависит от концентрации реагентов, то, используя значения концентрации реагентов за различные промежутки времени, мы получим следующее уравнение: .
Решая это уравнение относительно , получим:и далее, откуда.
Найденное значение начальной концентрации реагента подставим в выражение дляи найдем:.
Ответ:.
Пример 3. Вычисления зависимости скорости и константы скорости химической реакции от температуры по правилу Вант-Гоффа и уравнению Аррениуса. Расчеты энергии активации.
1. Определите, как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 800С. Температурный коэффициент скорости этой реакции равен 3.
Решение. Для реакций, протекающих в газовой фазе, понижение температуры в реакционной среде приводит к уменьшению скорости процесса. Следовательно, на вопрос «как изменится скорость» необходимо найти значение, где– скорости реакции при температурах.
Соотношение скоростей при различных температурах можно определить по уравнению Вант-Гоффа:
, где– температурный коэффициент Вант-Гоффа.
Подставим значения из условия задачи в данное уравнение и произведем расчеты:
.
Ответ: скорость реакции уменьшилась в 81 раз.
2. Для реакции радиоактивного превращения первого порядка установлено, что период полураспада составляетс при 323 К ис при 353 К. Определите температурный коэффициент константы скорости радиоактивного разложения вещества.
Решение.Зависимость константы скорости реакции первого порядка от периода полураспада вещества определяется выражением.
А температурная зависимость константы скорости реакции определяется выражением .
Используя данные задачи, определим значения константы скорости реакции и при температурахи:;
.
Тогда . И далее: и.
Ответ: температурный коэффициент реакции радиоактивного распада равен 1,88.