Cinetica ed equilibrio in chimica. Cinetica chimica ed equilibrio. Cinetica chimica. Equilibrio chimico

La cinetica chimica è una branca della chimica che studia la velocità delle reazioni chimiche. Le reazioni chimiche possono avvenire in una fase omogenea (omogenea): HCl + Na. OH = Na. Cl + H 2 O e al confine di fase (eterogeneo): Zn + 2 HCl = H 2 + Zn. Cl2

La velocità di una reazione eterogenea è la variazione della quantità di sostanza che entra in una reazione (o che si forma come risultato di essa) per unità di tempo per unità di superficie dell'interfaccia: Vheter = ± ∆n / (∆ S) (1)

La velocità di una reazione omogenea è la variazione della quantità di una sostanza che entra in una reazione (o si forma come risultato di essa) per unità di tempo per unità di volume del sistema: Vhom. = ± ∆n / (∆ V) (2) poiché C = ∆n/V (concentrazione C-molare), quindi Vgom. = ± ∆С / ∆ (3)

1. Dipendenza della velocità di reazione dalla natura dei reagenti Le sostanze con legami polari ionici e covalenti nelle soluzioni acquose interagiscono con alte velocità. Ciò è dovuto alla loro dissociazione in ioni che reagiscono facilmente tra loro. KCl+Ag. NO 3 Ag. Cl+Na. NO 3 Ag+ + Cl- Ag. Cl

Le sostanze con legami covalenti non polari e poco polari interagiscono con diversi V. Tutto dipende dalla loro attività chimica. Ad esempio, la reazione tra H 2 e F 2 avviene molto rapidamente (con esplosione) a temperatura ambiente, e la reazione tra H 2 e Br 2 avviene lentamente quando riscaldato: H 2 + F 2 2 HF H 2 + Br 2 2 HBr

2. Influenza della concentrazione delle sostanze reagenti L'interazione tra le molecole è possibile durante la collisione reciproca, quando gli atomi di una molecola cadono nella sfera di azione dei campi elettrici creati dagli atomi di un'altra molecola. È in queste condizioni che si verificano le transizioni elettroniche, a seguito delle quali si formano nuove molecole. Non tutte le collisioni danno luogo a un'interazione, ma solo una piccola parte di esse lo fa.

Maggiore è il numero di collisioni, cioè maggiore è la concentrazione delle sostanze di partenza, maggiore sarà V. Legge dell'azione di massa (legge di K. Guldberg e P. Waage): A temperatura costante, la velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti in potenze pari ai loro coefficienti stechiometrici nell'equazione di reazione.

Per la reazione 2 A + BC, l'equazione cinetica secondo la legge dell'azione di massa ha la forma: V = k CA 2 CB, dove CA e CB sono rispettivamente le concentrazioni delle sostanze A e B; k è la costante della velocità di reazione. La costante di velocità dipende dalla natura dei reagenti, dalla temperatura e dalla presenza di un catalizzatore, ma non dipende dalla loro concentrazione.

È numericamente uguale alla velocità della reazione chimica in condizioni in cui la concentrazione di ciascuna delle sostanze di partenza è 1 mol/l. La legge dell'azione di massa vale per le reazioni semplici. Se una reazione procede attraverso più fasi successive o parallele, la legge si applica a ciascuna di esse separatamente, ma non alla reazione nel suo insieme.

Le concentrazioni di solidi non sono incluse nell'equazione cinetica della reazione. Per la reazione eterogenea WO 3(tv) + 3 H 2 (g) W(tv) + 3 H 2 O(g), l'equazione cinetica ha la 3a forma: V = k CH 2

Nella cinetica chimica, le reazioni sono classificate in base a due parametri: molecolarità e ordine di reazione. La molecolarità di una reazione è determinata dal numero di molecole la cui interazione simultanea determina una trasformazione chimica. In base a questo criterio le reazioni si dividono in mono-, bi- e trimolecolari. La probabilità che tre molecole entrino in collisione contemporaneamente è molto piccola.

Tali reazioni procedono in modo più complesso, attraverso fasi successive o parallele. Reazione monomolecolare: I 2 2 I, V = k CI 2 Reazione bimolecolare: H 2 +I 2 2 HI V = k CI 2 CH 2 o 2 HI H 2 +I 2 V = k CHI 2 Reazioni trimolecolari: 2 NO +O 2 2 NO 2 V = k CNO 2 CO 2

L'ordine complessivo di una reazione è la somma delle potenze nell'equazione cinetica. L'ordine di una reazione chimica per un dato componente è un numero pari al grado in cui la concentrazione della sostanza entra nell'equazione cinetica. Ad esempio, reazione: a. A + b. Nel villaggio C+d. D, V = k C A a CBb. L'ordine generale della reazione è n = a + b, l'ordine nel componente A è a e nel componente B – b.

Le reazioni si dividono in reazioni del primo, del secondo e del terzo ordine. Per le reazioni semplici, l'ordine di reazione e la molecolarità sono gli stessi. Per i processi a più fasi, non sono la stessa cosa. La velocità dell'intero processo è determinata dalla velocità più bassa alla quale si verifica una delle fasi del processo. L'equazione cinetica è scritta solo per questa fase è detta limitante.

3. L'influenza della temperatura sulla velocità di reazione. Regola di Van't Hoff: quando la temperatura aumenta di 10 C, la velocità di una reazione chimica aumenta di 2-4 volte. - coefficiente di temperatura, mostra quante volte V cambia quando t cambia di 10 C, Vt 1 e Vt 2 - velocità di reazione alle temperature t 1 e t 2.

All’aumentare di t aumenta il numero di collisioni molecolari. Tuttavia, secondo i calcoli, il numero totale di collisioni di molecole con un aumento della temperatura di 10 aumenta solo di 1,6 volte, mentre il numero di molecole reagite aumenta del 200-400%. S. Arrhenius ha suggerito che la ragione è un aumento del numero di molecole attive, cioè quelle la cui collisione porta alla formazione di un prodotto.

L'energia di attivazione (Ea) è l'energia che devono avere le molecole per scontrarsi efficacemente; R – costante universale dei gas (8,31 J/(mol*K), temperatura T (K), costante di velocità di reazione k.

E Ea AB C H percorso di reazione Quanto più Ea, tanto meno V. E viceversa.

Durante la reazione, i legami tra gli atomi nelle molecole delle sostanze di partenza si rompono o si indeboliscono. In questo caso si forma un composto intermedio instabile: un complesso attivato, che ha una grande riserva di energia. Quando si rompe, si formano i prodotti di reazione. La differenza tra l'energia del complesso attivato e l'energia media delle molecole originali è l'energia di attivazione.

4. L'influenza di un catalizzatore sulla velocità di una reazione chimica I catalizzatori sono sostanze che modificano la velocità di una reazione, ma alla fine del processo rimangono invariati sia nella composizione che nella massa. Il fenomeno di variazione della velocità di una reazione in presenza di catalizzatori è chiamato catalisi. La catalisi può essere positiva e negativa, omogenea ed eterogenea.

L'essenza della catalisi è che il catalizzatore (catalisi positiva), formando un composto intermedio con il reagente, abbassa l'energia di attivazione della reazione. A + B = AB A + K = AK AK + B = AB + K Con catalisi negativa (inibizione), l'energia di attivazione aumenta.

E Ea e Ea AB C H percorso di reazione L'attività del catalizzatore dipende dalla sua natura, nonché dalle dimensioni e dalle proprietà della sua superficie (porosa o altamente dispersa).

Equilibrio chimico La maggior parte dei processi chimici sono reversibili. Per il caso generale possiamo scrivere a. A+b. Avanti Cristo. C+d. D La velocità della reazione diretta ha l'espressione V 1 = k 1[A]a[B]b. Man mano che la concentrazione dei reagenti diminuisce, diminuisce. L'accumulo di prodotti di reazione crea le condizioni per il verificarsi di processo inverso, la cui velocità V 2 = k 2[C]c[D]d aumenta.

Dopo un po' di tempo le velocità si equalizzeranno. Lo stato del sistema in cui la velocità delle reazioni dirette e inverse è uguale è chiamato equilibrio chimico. Le concentrazioni di reagenti e prodotti corrispondenti allo stato di equilibrio sono chiamate concentrazioni di equilibrio.

Legge dell'azione di massa per XR: il rapporto tra i prodotti delle concentrazioni di equilibrio delle sostanze sui lati sinistro e destro dell'equazione, elevato alle potenze dei loro coefficienti stechiometrici, rappresenta un valore costante, indipendentemente dalle condizioni in cui si svolge la reazione si verifica se la temperatura rimane costante.

Azione di vario fattori esterni porta ad uno spostamento dell’equilibrio chimico. Principio di Le Chatelier: Influenza esterna su un sistema che si trova in uno stato di equilibrio, porta ad uno spostamento dell'equilibrio nella direzione in cui l'effetto dell'impatto prodotto viene indebolito.

Temperatura: il suo aumento accelera le reazioni dirette e inverse a vari livelli. Il processo endotermico accelera maggiormente, quindi aumentare la temperatura aiuta a spostare l'equilibrio verso la reazione endotermica. Pressione (per reazioni in fase gassosa). Se la reazione avviene con un aumento del numero di moli di gas, una diminuzione della pressione sposta l'equilibrio a destra.

Concentrazione. All'aumentare della concentrazione di uno dei reagenti l'equilibrio si sposta a destra; quando uno dei prodotti della trasformazione viene aggiunto alla miscela di reazione l'equilibrio si sposta a sinistra. L'uso di catalizzatori non sposta l'equilibrio, poiché accelera (rallenta) la velocità delle reazioni sia dirette che inverse, ma contribuisce a stabilire più rapidamente l'equilibrio.

Ad esempio, per la reazione di equilibrio 3 H 2 + N 2 2 NH 3; H 0 è possibile spostare XP a destra: 1. Aumentando o, o diminuendo la concentrazione 2. Aumentando la pressione, P 3. Diminuendo la temperatura, T

Cinetica chimicaè una branca della chimica che studia la velocità delle reazioni chimiche. Le reazioni chimiche possono verificarsi a velocità diverse (da piccole frazioni di secondo a decenni e intervalli di tempo più lunghi). Quando si considera la questione delle velocità di reazione, è necessario distinguere tra reazioni omogenee ed eterogenee. Sistemi omogenei sono costituiti da una fase (ad esempio, qualsiasi miscela di gas) e eterogeneo– da più fasi (ad esempio acqua con ghiaccio). Faseè una parte del sistema separata dalle altre parti da un'interfaccia, durante la transizione attraverso la quale avviene un brusco cambiamento di proprietà.

Velocità di reazione omogeneaè la quantità di sostanza che reagisce o si forma durante una reazione per unità di tempo in un volume unitario del sistema. Velocità di reazione eterogeneaè la quantità di sostanza che reagisce o si forma durante una reazione per unità di tempo per unità di superficie della fase (o massa, volume della fase solida, quando è difficile determinare la dimensione della superficie di un solido):

v omogeno = ; v eterogeno = . Quelli. velocità di reazione omogenea può essere definito come variazione della concentrazione di una qualsiasi delle sostanze che reagiscono o si formano durante la reazione, che si verifica nell'unità di tempo.

La maggior parte delle reazioni chimiche sono reversibili, cioè possono verificarsi sia in direzione diretta che inversa. Consideriamo una reazione reversibile:

Velocità delle reazioni dirette e inverse sono legati alle concentrazioni dei reagenti dalle seguenti equazioni:

v x.r., pr =k pr [A] a ×[B] b e v x.r. arr =k arr [C] c ×[D] d

Nel tempo, la velocità della reazione diretta diminuirà a causa del consumo di reagenti UN E IN e una diminuzione delle loro concentrazioni. Al contrario, la velocità della reazione inversa man mano che i prodotti si accumulano CON E D crescerà. Pertanto, dopo un certo periodo di tempo, le velocità delle reazioni dirette e inverse diventeranno uguali tra loro. Si stabilirà uno stato del sistema in cui non ci sono flussi di materia ed energia, chiamato equilibrio chimico. Tutti i processi reversibili non procedono completamente, ma solo verso uno stato di equilibrio, in cui, dalla condizione v x.r. pr = v x.r. arr. segue:

k pr /k arr =[C] c ×[D] d / [A] a ×[B] b =K

Dove K- costante di equilibrio chimico, che dipende dalla temperatura e dalla natura dei reagenti, ma non dipende dalla concentrazione di questi ultimi. Questa è un'espressione matematica della legge dell'azione di massa, che consente di calcolare la composizione di una miscela di reazione all'equilibrio.

I fattori più importanti che influenzano la velocità di reazione sono:

1. La natura delle sostanze reagenti;

2. Concentrazioni di sostanze reagenti;

3. Fattore di temperatura;

4. Disponibilità di catalizzatori.

In alcuni casi, la velocità delle reazioni eterogenee dipende anche dall'intensità del movimento del liquido o del gas vicino alla superficie su cui avviene la reazione.

1) L'influenza della concentrazione dei reagenti. Immaginiamo l'equazione di una reazione chimica in vista generale: aA+bB+…=, allora v x.r. =k[A] a [B] b è essenzialmente una notazione matematica legge dell’azione di massa, scoperto sperimentalmente da K. Guldberg e P. Waage nel 1864-1867. Secondo questa legge, a temperatura costante v, ch.r. è proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti, e ciascuna concentrazione è compresa nel prodotto in misura pari al coefficiente che compare davanti alla formula di una data sostanza nella equazione di reazione. Il valore della costante di velocità di reazione (k) dipende dalla natura dei reagenti, dalla temperatura e dalla presenza di catalizzatori, ma non dipende dalla concentrazione delle sostanze.

2) Dipendenza v x.r. dalla temperatura e dalla natura delle sostanze reagenti.Energia di attivazione E a (in kJ/mol) è l'energia in eccesso che le molecole devono avere affinché il loro urto porti alla formazione di una nuova sostanza. E e le diverse reazioni sono diverse. Questo fattore influenza la natura delle sostanze reagenti su v ch.r. . Se E a<40 кДж/моль (т.е. мала), то скорость такой реакции велика (например, ионные реакции в растворах, протекающие практически мгновенно). Если Е а >120 kJ/mol (cioè molto significativo), allora la velocità di tale reazione è insignificante (ad esempio, la reazione di sintesi dell'ammoniaca N 2 + 3H 2 = 2NH 3 - la velocità di questa reazione a T ordinaria a causa di valori elevati di E a è così piccolo che si può notare che la perdita è quasi impossibile).

Nel 1889, il famoso chimico svedese Arrhenius derivò da dati sperimentali un'equazione che metteva in relazione la costante di velocità con la temperatura e l'energia di attivazione. Successivamente, questa equazione ha ricevuto una giustificazione teorica. Secondo Arrhenius, la costante di velocità dipende in modo esponenziale dalla temperatura: k=kmax×exp(-E a /RT), dove R è la costante universale dei gas pari a 8,31 J/mol×K; k max - fattore pre-esponenziale, che ha il significato del valore massimo possibile della costante di velocità con energia di attivazione pari a zero o indefinitamente alta temperatura, quando tutte le collisioni delle molecole dei reagenti diventano attive. L'equazione di Arrhenius è spesso utilizzata in forma logaritmica: lnk=lnkmax -E a /RT.

Aumentando v.r. con l'aumento della temperatura è solitamente caratterizzato coefficiente di temperatura della velocità di reazione– un valore che indica quante volte aumenta la velocità della reazione in esame quando la temperatura del sistema aumenta di 10 gradi. Il coefficiente di temperatura (g) è diverso per le diverse reazioni. A temperature ordinarie, il suo valore per la maggior parte delle reazioni è compreso tra 2 e 4 (cioè g hr = 2-4 volte).

Catalizzatori sono sostanze che non vengono consumate nella reazione, ma ne influenzano la velocità. Viene chiamato il fenomeno della modifica della velocità di reazione sotto l'influenza dei catalizzatori catalisi, e queste stesse reazioni lo sono catalitico. L'azione del catalizzatore è dovuta ad una diminuzione del limite di attivazione dell'interazione chimica, ad es. diminuzione dell’energia di attivazione. Sotto l'influenza dei catalizzatori, le reazioni possono essere accelerate milioni o più volte. Inoltre, alcune reazioni non avvengono affatto senza catalizzatori. I catalizzatori sono ampiamente utilizzati nell'industria.

Distinguere omogeneo E catalisi eterogenea. A catalisi omogenea il catalizzatore e i reagenti formano una fase (gas o soluzione) e quando catalisi eterogenea– il catalizzatore è nel sistema come fase indipendente. Un esempio di catalisi omogenea è la decomposizione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno in presenza di catalizzatori Cr 2 O 7 2-, WO 4 2-, ecc. Un esempio di catalisi eterogenea è l'ossidazione del biossido di zolfo in triossido utilizzando il contatto metodo per produrre acido solforico dai gas di scarico della produzione metallurgica: SO 2 +0,5O 2 +H 2 O=(kt)=H 2 SO 4.

Compito 1. Definire il concetto di velocità di una reazione chimica. Descrivere quantitativamente (ove possibile) come influenzano la velocità di reazione condizioni esterne(concentrazione, temperatura, pressione). Calcola quante volte cambierà la velocità di reazione H 2 + C1 2 = 2HC1 quando la pressione raddoppia;

Soluzione.

La velocità di una reazione chimica u è il numero di atti elementari di interazione per unità di tempo, per unità di volume per reazioni omogenee o per unità di superficie di interfaccia per reazioni eterogenee. La media si esprime variando la quantità di sostanza N sostanza consumata o ricevuta per unità di volume V per unità di tempo t. La concentrazione è espressa in mol/l e il tempo in minuti, secondi o ore.

υ = ± dC/dt,

dove C – concentrazione, mol/l

Unità di velocità di reazione mol/l s

Se in alcuni istanti di tempo t 1 e t 2 le concentrazioni di una delle sostanze di partenza sono pari a c 1 e c 2, allora in un periodo di tempo Δt = t 2 – t 1, Δc = c 2 – c 1

Se una sostanza si consuma, allora mettiamo il segno “-”; se si accumula, mettiamo il segno “+”.

Velocità di reazione chimica dipende dalla natura dei reagenti, dalla concentrazione, dalla temperatura, dalla presenza di catalizzatori, dalla pressione (che coinvolgono i gas), dal mezzo (nelle soluzioni), dall'intensità della luce (reazioni fotochimiche).

Dipendenza della velocità di reazione dalla natura dei reagenti. Ogni processo chimico ha una certa energia di attivazione E a. Inoltre, la velocità di reazione. maggiore è, minore è l'energia di attivazione.

La velocità dipende dalla forza dei legami chimici nelle sostanze di partenza. Se questi legami sono forti, allora E a è grande, ad esempio N 2 + 3H 2 = 2NH 3, quindi il tasso di interazione è basso. Se E aè uguale a zero, allora la reazione procede quasi istantaneamente, ad esempio:

HCl (soluzione) + NaOH (soluzione) = NaCl (soluzione) + H 2 O.

Soluzione.

Fe 2 O 3 (t) + 3CO (g) = 2Fe (t) + 3CO 2 (g)

Se reagiscono 3 moli di CO si formano 3 moli di CO 2

2 moli di CO 2 - x

x = 2 mol, ⇒ concentrazione iniziale ref = uguale + 2 mol = 1 + 2 = 3 mol.

Problema 3. Il coefficiente di temperatura della reazione è 2,5. Come cambierà la sua velocità quando si raffredda la miscela di reazione a causa di un cambiamento di temperatura da 50 °C a 30 °C?

Attività 4. Calcolare la velocità di reazione tra soluzioni di cloruro di potassio e nitrato d'argento, le cui concentrazioni sono rispettivamente 0,2 e 0,3 mol/l e k=1,5∙10 -3 l∙mol -1 ∙s -1

Soluzione.

AgNO3 + KCl = AgCl↓ + KNO3

v= k··

v= 1,5∙10 -3 0,2 0,3 = 9 10 -5 mol/l·s

Quindi la velocità di reazione è v= 9·10 -5 mol/l·s

Problema 5. Come dovrebbe essere modificata la concentrazione di ossigeno in modo che la velocità della reazione elementare omogenea: 2 NO (g) + O 2 (g) → 2 NO 2 (g) non cambi quando la concentrazione di ossido di azoto (II) si riduce di 2 volte?

Soluzione.

2 NO (g) + O 2 (g) → 2 NO 2 (g)

La velocità della reazione diretta è:

v1= k2

Quando la concentrazione di NO diminuisce di 2 volte, la velocità della reazione diretta diventa pari a:

υ2= k2 = 1/4 k2

quelli. la velocità di reazione diminuirà di 4 volte:

υ2 /υ1 = 1/4 k2 / k2 = 4

Per garantire che la velocità di reazione non cambi, la concentrazione di ossigeno deve essere aumentata 4 volte.

Purché υ 1 = υ2

1/4 k2x = k2

Problema 6. Con un aumento della temperatura da 30 a 45 o C, la velocità di una reazione omogenea aumenta di 20 volte. Qual è l'energia di attivazione della reazione?
Soluzione.
Applicando , otteniamo:
ln 20 = E a /8,31 (1/303 – 1/318),
da qui

Ea = 160250 J = 160,25 kJ

Problema 7. La costante di velocità per la reazione di saponificazione dell'etere di acetato di etile: CH 3 COOC 2 H 5 (soluzione) + KOH (soluzione) → CH 3 COOC (soluzione) + C 2 H 5 OH (soluzione) è 0,1 l /mol∙min. La concentrazione iniziale di acetato di etile era 0,01 mol/l e quella dell'alcali era 0,05 mol/l. Calcolare la velocità di reazione iniziale e il momento in cui la concentrazione dell'etere diventa pari a 0,008 mol/l.

Soluzione.

CH 3 SOOC 2 H 5 (soluzione) + KOH (soluzione) → CH 3 COOC (soluzione) + C 2 H 5 OH (soluzione)

La velocità della reazione diretta è:

υ inizio= k [CH 3 SOOS 2 H 5 ] [KON]

υ inizio = 0,1 0,01 0,05 = 5 10 -5 mol/l min

Nel momento in cui la concentrazione dell'etere diventa pari a 0,008 mol/l, il suo consumo sarà ridotto

[CH 3 SOOS 2 H 5 ] consumo = 0,01 – 0,008 = 0,002 mol/l

Ciò significa che in questo momento è stato consumato anche l'alcali [KOH] consumo = 0,002 mol/l e la sua concentrazione diventerà uguale

[CON] con = 0,05 – 0,002 = 0,048 mol/l

Calcoliamo reazione veloce nel momento in cui la concentrazione dell'etere diventa 0,008 mol/l e quella degli alcali 0,048 mol/l

υ con = 0,1 0,008 0,048 = 3,84 10 -5 mol/l min

Problema 8. Come modificare il volume della miscela di reazione del sistema:
8NH 3 (g) + 3Br 2 (l) → 6NH 4 Br (k) + N 2 (g) in modo che la velocità di reazione diminuisca di 60 volte?

Soluzione.

Diminuire reazione veloceè necessario aumentare il volume del sistema, ad es. ridurre la pressione e quindi ridurre la concentrazione del componente gassoso - NH 3. La concentrazione di Br 2 rimarrà costante.

La velocità iniziale della reazione diretta era pari a:

v1= k8

all'aumentare della concentrazione di ammoniaca, la velocità della reazione diretta diventa pari a:

υ2= k8 = kx88

υ2/υ1= k x 8 8/k 8 = 60

Dopo aver cancellato tutte le costanti, otteniamo

Pertanto, per ridurre la velocità di reazione di 60 volte, è necessario aumentare il volume di 1,66 volte.

Attività 9. In che modo la produzione di cloro nel sistema sarà influenzata da:
4HCl (g) + O2 (g) ↔2Cl2 (g) + 2H2O (l); ΔÝ circa 298 = −202,4 kJ
a) aumento della temperatura; b) ridurre il volume totale della miscela; c) diminuzione della concentrazione di ossigeno; d) introduzione di un catalizzatore?

Soluzione.

4HCl (g) + O2 (g) ↔2Cl2 (g) + 2H2O (l); ΔÝ circa 298 = −202,4 kJ

ΔН o 298 ˂ 0, quindi, la reazione è esotermica, quindi, secondo il principio di Le Chatelier, all'aumentare della temperatura l'equilibrio si sposterà verso la formazione delle sostanze di partenza (verso sinistra), cioè la produzione di cloro diminuirà.
Al diminuire della pressione l'equilibrio si sposta verso la reazione che avviene con un aumento del numero di molecole di sostanze gassose. IN in questo caso in equilibrio, il lato di formazione delle sostanze di partenza si sposta (a sinistra), cioè anche la produzione di cloro diminuirà.
Anche una diminuzione della concentrazione di ossigeno sposterà l’equilibrio a sinistra e ridurrà il rilascio di cloro.
L'introduzione di un catalizzatore nel sistema aumenta la velocità delle reazioni sia dirette che inverse. In questo caso, la velocità con cui si raggiunge lo stato di equilibrio cambia, ma la costante di equilibrio non cambia e l’equilibrio non si sposta. La produzione di cloro rimarrà invariata.

Problema 10. Nel sistema: PCl 5 ↔ PCl 3 + Cl 2
l'equilibrio a 500 oC si è stabilito quando la concentrazione iniziale di PCl 5, pari a 1 mol/l, è scesa a 0,46 mol/l. Trovare il valore della costante di equilibrio alla temperatura indicata.

Soluzione.

PCl5 ↔ PCl3 + Cl2

Scriviamo l'espressione per la costante di equilibrio:

K =· ̸

Troviamo la quantità di PCl 5 spesa per la formazione di PCl 3 e Cl 2 e le loro concentrazioni di equilibrio.

Flusso = 1 – 0,46 = 0,54 mol/l

Dall'equazione di reazione:

Da 1 mol di PCl 5 si forma 1 mol di PCl 3

Da 0,54 mol PCl 5 x mol PCl 3 si formano

x = 0,54 moli

Allo stesso modo, da 1 mol di PCl 5 si forma 1 mol di Cl 2

da 0,54 mol PCl 5 si forma da mol Cl 2

y = 0,54 mol

A= 0,54·0,54/0,46 = 0,63.

Problema 11. La costante di equilibrio della reazione: COCl 2 (g) ↔ CO (g) + C1 2 (g) è 0,02. La concentrazione iniziale di COCl2 era 1,3 mol/l. Calcolare la concentrazione di equilibrio di Cl 2. Quale concentrazione iniziale di COCl 2 dovrebbe essere presa per aumentare di 3 volte la resa di cloro?

Soluzione.

COCl2(g) ↔ CO(g) + C12(g)

Scriviamo l'espressione per costanti di equilibrio:

K =[СО]· ̸ [СОСl 2 ]

Sia [CO] uguale = uguale = x, allora

[COCl2] equivale a = 1,3 – x

Sostituiamo i valori nell'espressione for costanti di equilibrio

0,02 = x x/(1,3 - x)

Trasformiamo l'espressione in un'equazione quadratica

x2 + 0,02x – 0,026 = 0

Risolvendo l'equazione, troviamo

Ciò significa [CO] uguale = uguale = 0,15 mol/l

Aumentando di 3 volte la resa di cloro otteniamo:

Uguale = 3 0,15 = 0,45 mol/l

La concentrazione iniziale [COCl 2 ] ex2 a questo valore di Cl 2 è pari a:

[СОСl 2] è uguale a2= 0,45 0,45/0,02 = 10,125 mol/l

[СОСl 2 ] ref2= 10,125 + 0,45 = 10,575 mol/l

Pertanto, per aumentare di 3 volte la resa di cloro, la concentrazione iniziale di COCl 2 dovrebbe essere pari a [COCl 2 ] ex2 = 10,575 mol/l

Problema 12. L'equilibrio nel sistema H 2 (g) + I 2 (g) ↔ 2HI (g) è stato stabilito alle seguenti concentrazioni di partecipanti alla reazione: HI - 0,05 mol/l, idrogeno e iodio - 0,01 mol/l ciascuno. Come cambieranno le concentrazioni di idrogeno e iodio quando la concentrazione di HI aumenta a 0,08 mol/l?

Soluzione.

H2(g) + I2(g) ↔ 2HI (g)

Troviamo il valore costanti di equilibrio di questa reazione:

K = 2̸ ·

K = 0,05 2 ̸ 0,01 0,01 = 25

Quando la concentrazione di HI aumenta a 0,08 mol/l, l'equilibrio si sposterà verso la formazione delle sostanze di partenza.

Dall'equazione di reazione si può vedere che si formano 2 mol HI, 1 mol H 2 e 1 mol I 2.

Indichiamo le nuove concentrazioni di equilibrio con l'incognita x.

Uguale2 = 0,08 - 2x Uguale2 = Uguale2 = 0,01 + x

Troviamo x utilizzando l'espressione per la costante di equilibrio:

K = ( 0,08 - 2х) 2 ̸ [(0,01 + x) · (0,01 + x)] = 25

Risolvendo le equazioni troviamo:

Uguale2 = uguale2 = 0,01 + 0,004 = 0,0014 mol/l

Problema 13. Per la reazione: FeO (k) + CO (g) ↔Fe (k) + CO 2 (g), la costante di equilibrio a 1000 o C è 0,5. Le concentrazioni iniziali di CO e CO 2 erano rispettivamente 0,05 e 0,01 mol/l. Trovare le loro concentrazioni di equilibrio.

Soluzione.

FeO (k) + CO (g) ↔Fe (k) + CO 2 (g)

Scriviamo l'espressione per costanti di equilibrio:

K =[CO2] ̸ [CO]

Sia la concentrazione all’equilibrio:

[CO] equivale a = (0,05 – x) mol/l [CO 2 ] equivale a = (0,01 + x) mol/l

Sostituiamo i valori nell'espressione per la costante di equilibrio:

A= (0,01 + x)/(0,05 – x) = 0,5

Risolvendo l'equazione, troviamo x:

[CO] equivale a = 0,05 – 0,01 = 0,04 mol/l [CO 2 ] equivale a = 0,01 + 0,01 = 0,02 mol/l

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Equilibrio chimico

La cinetica chimica è una branca della chimica che studia la velocità di una reazione chimica e i fattori che la influenzano.

La fattibilità fondamentale del processo è giudicata dal valore della variazione dell'energia di Gibbs del sistema. Tuttavia non dice nulla sulla reale possibilità di una reazione in determinate condizioni, né dà un’idea della velocità e del meccanismo del processo.

Lo studio delle velocità di reazione consente di chiarire il meccanismo delle trasformazioni chimiche complesse. Ciò crea una prospettiva per il controllo del processo chimico e consente la modellazione matematica dei processi.

Le reazioni possono essere:

1. omogeneo– si verificano in un mezzo (nella fase gassosa); passare nella sua interezza;

2. eterogeneo– non si verificano nello stesso ambiente (tra sostanze in fasi diverse); passare all'interfaccia.

Sotto velocità della reazione chimica comprendere il numero di eventi di reazione elementare che si verificano per unità di tempo per unità di volume (per reazioni omogenee) e per unità di superficie (per reazioni eterogenee).

Poiché la concentrazione dei reagenti cambia durante una reazione, la velocità è solitamente definita come la variazione della concentrazione dei reagenti nell'unità di tempo ed è espressa in

. In questo caso, non è necessario monitorare i cambiamenti nella concentrazione di tutte le sostanze incluse nella reazione, poiché il coefficiente stechiometrico nell'equazione di reazione stabilisce la relazione tra le concentrazioni, ad es. quando il tasso di accumulo di ammoniaca è doppio del tasso di consumo di idrogeno.
. . Perché non può essere negativo, quindi mettono "-".

Velocità nell'intervallo di tempo

– vera velocità istantanea– Derivata 1a della concentrazione rispetto al tempo.

La velocità delle reazioni chimiche dipende:

1. dalla natura delle sostanze reagenti;

2. sulla concentrazione dei reagenti;

3. dal catalizzatore;

4. sulla temperatura;

5. dal grado di macinazione del solido (reazioni eterogenee);

6. dall'ambiente (soluzioni);

7. dalla forma del reattore (reazioni a catena);

8. dall'illuminazione (reazioni fotochimiche).

La legge fondamentale della cinetica chimica è legge dell’azione di massa: la velocità di una reazione chimica è proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti nella reazione

: , – costante di velocità della reazione chimica

Significato fisico

A .

Se la reazione coinvolge non 2 particelle, ma di più

, quindi: ~ in potenze pari ai coefficienti stechiometrici, ovvero: , dove è un indicatore dell'ordine della reazione nel suo insieme (reazioni del primo, secondo, terzo... ordine).

Determina il numero di particelle che partecipano a questo evento di reazione molecolarità della reazione:

monomolecolare ( ) bimolecolare ( ) trimolecolare.

Non ce ne sono più di 3, perché... La collisione di più di 3 particelle contemporaneamente è improbabile.

Quando una reazione avviene in più fasi, il totale

reazione = stadio più lento (stadio limitante).

La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura è determinata empiricamente non la regola di Hoff: quando la temperatura aumenta di

, la velocità della reazione chimica aumenta di 2–4 volte: . ,
– coefficiente di temperatura della velocità della reazione chimica.

Non tutte le collisioni di molecole sono accompagnate dalla loro interazione. La maggior parte delle molecole rimbalzano come palline elastiche. E solo quelli attivi interagiscono tra loro durante una collisione. Le molecole attive hanno un certo eccesso

Ma rispetto alle molecole inattive, quindi, nelle molecole attive i legami tra loro sono indeboliti.

L'energia necessaria per trasferire una molecola in uno stato attivo è l'energia di attivazione

. Più è piccolo, più le particelle reagiscono, maggiore è la velocità della reazione chimica.

Grandezza

dipende dalla natura dei reagenti. È inferiore alla dissociazione, il legame meno forte nei reagenti.

Modifica

durante la reazione: rilasciato (esotermico)

All’aumentare della temperatura aumenta quindi il numero di molecole attive

Cinetica chimica

Equilibrio chimico

La cinetica chimica è una branca della chimica che studia la velocità di una reazione chimica e i fattori che la influenzano.

Le reazioni possono essere:

1. omogeneo– si verificano in un mezzo (nella fase gassosa); passare nella sua interezza;

2. eterogeneo– non si verificano nello stesso ambiente (tra sostanze in fasi diverse); passare all'interfaccia.

Poiché la concentrazione dei reagenti cambia durante una reazione, la velocità è solitamente definita come la variazione della concentrazione dei reagenti per unità di tempo ed è espressa in . In questo caso, non è necessario monitorare i cambiamenti nella concentrazione di tutte le sostanze incluse nella reazione, poiché il coefficiente stechiometrico nell'equazione di reazione stabilisce la relazione tra le concentrazioni, ad es. A il tasso di accumulo di ammoniaca è il doppio del tasso di consumo di idrogeno.

. . Perché non può essere negativo, quindi mettono "-".

Velocità nell'intervallo di tempo – vera velocità istantanea– Derivata 1a della concentrazione rispetto al tempo.

La velocità delle reazioni chimiche dipende:

1. dalla natura delle sostanze reagenti;

2. sulla concentrazione dei reagenti;

3. dal catalizzatore;

4. sulla temperatura;

5. dal grado di macinazione del solido (reazioni eterogenee);

6. dall'ambiente (soluzioni);

7. dalla forma del reattore (reazioni a catena);

8. dall'illuminazione (reazioni fotochimiche).

La legge fondamentale della cinetica chimica è legge dell’azione di massa: la velocità di una reazione chimica è proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti nella reazione

dove è la costante di velocità della reazione chimica

Significato fisico a .

Se la reazione coinvolge non 2 particelle, ma più, allora: ~ in potenze pari ai coefficienti stechiometrici, cioè: , Dove

– indicatore dell'ordine della reazione nel suo complesso (reazioni del primo, secondo, terzo... ordine).

Determina il numero di particelle che partecipano a questo evento di reazione molecolarità della reazione:

Monomolecolare ()

Bimolecolare ( )

Trimolecolare.

Non ce ne sono più di 3, perché... La collisione di più di 3 particelle contemporaneamente è improbabile.

Quando una reazione avviene in più fasi, la reazione complessiva = la fase più lenta (fase limite).

La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura è determinata empiricamente non la regola di Hoff: con un aumento della temperatura di , la velocità di una reazione chimica aumenta di 2–4 volte: .

dove è il coefficiente di temperatura della velocità della reazione chimica.

L'energia necessaria per trasferire una molecola allo stato attivo è l'energia di attivazione. Più è piccolo, più le particelle reagiscono, maggiore è la velocità della reazione chimica.

Il valore dipende dalla natura delle sostanze reagenti. È inferiore alla dissociazione, il legame meno forte nei reagenti.

Cambiamento durante la reazione:

Rilasciato (esotermico)

All'aumentare della temperatura, il numero di molecole attive aumenta e quindi aumenta.

La costante della reazione chimica è correlata a

dove è il fattore pre-esponenziale (relativo alla probabilità e al numero di collisioni).

A seconda della natura delle sostanze reagenti e delle condizioni della loro interazione, atomi, molecole, radicali o ioni possono prendere parte agli atti elementari delle reazioni.

I radicali liberi sono estremamente reattivi; le reazioni dei radicali attivi sono molto piccole ().

La formazione di radicali liberi può verificarsi durante la decomposizione di sostanze a temperatura, illuminazione, sotto l'influenza di radiazioni nucleari, durante scariche elettriche e forti influenze meccaniche.

Molte reazioni avvengono attraverso meccanismo a catena. La particolarità delle reazioni a catena è che un atto primario di attivazione porta alla trasformazione di un numero enorme di molecole delle sostanze di partenza.

Per esempio: .

A temperature ordinarie e illuminazione diffusa, la reazione procede estremamente lentamente. Quando una miscela di gas viene riscaldata o esposta a una luce ricca di raggi UV (luce solare diretta, luce del fuoco), la miscela esplode.

Questa reazione procede attraverso processi elementari separati. Innanzitutto, a causa dell'assorbimento di un quanto di energia dai raggi UV (o dalla temperatura), la molecola si dissocia in radicali liberi - atomi: , poi , poi ecc.

Naturalmente è possibile che i radicali liberi entrino in collisione tra loro, provocando la rottura della catena: .

Oltre alla temperatura, anche la luce ha un effetto significativo sulla reattività delle sostanze. L'effetto della luce (visibile, UV) sulle reazioni è studiato dal ramo della chimica - fotochimica.

I processi fotochimici sono molto diversi. Durante l'azione fotochimica, le molecole delle sostanze reagenti, assorbendo quanti di luce, si eccitano, cioè diventare reattivi o scomporsi in ioni e radicali liberi. La fotografia si basa su processi fotochimici: l'effetto della luce sui materiali fotosensibili (fotosintesi).

Uno dei metodi più comuni per accelerare le reazioni chimiche nella pratica chimica è catalisi. Catalizzatori- sostanze che modificano una reazione chimica a causa della partecipazione a interazioni chimiche intermedie con i componenti della reazione, ma ripristinano le loro proprietà dopo ogni ciclo di interazione intermedia Composizione chimica.

L'aumento della reazione catalitica è associato a un minor numero di nuovi percorsi di reazione. Perché nell'espressione for entra in un esponente negativo, quindi anche una piccola diminuzione provoca un molto elevato ingrandimento reazione chimica.

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