Влияние изменения концентрации

Лекция 6.

Химическая кинетика. Скорость химических реакций.

Понятие о катализе

Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, оставаясь к концу реакции неизменными как качественно, так и количественно, называются катализаторами.

Процесс, осуществляемый в присутствии катализатора, называется катализом, а реакции, в которых скорость изменяется в результате введения в реакционную систему катализаторов, называются каталитическими.

В лабораторной практике часто для получения кислорода используют реакцию разложения бертолетовой соли:

2KClO_3(т) = 2KCl_(т)+ O_2(г)

Даже при очень сильном нагревании процесс протекает медленно, но если до нагревания добавить немного MnO₂, то скорость реакции значительно возрастет. По окончании реакции практически весь оксид марганца (IV) оказывается неизменным как качественно, так и количественно.

В зависимости от того, находится катализатор в том же агрегатном состоянии, что и реагирующие вещества, или же нет, различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Особенность гомогенного катализа заключается в том, что катализатор и исходные реагирующие вещества находятся в одной и той же фазе. Простейшим примером гомогенного катализа является окисление SO₂до SO₃ в присутствии оксида азота (IV):

SO₂₍_ж₎ + NO₂₍_ж₎ + H₂O₍_ж₎= H₂SO₄₍_ж₎ + NO₍_г₎

Образующийся NO окисляется кислородом воздуха до NO₂ и вновь вовлекается в реакцию: 2NO + O₂ = 2NO₂.

Гетерогенный катализ характеризуется тем, что катализатор находится в ином фазовом состоянии по сравнению с реагирующими веществами. Например, в контактном способе получения серной кислоты, окисление SO₂ кислородом осуществляется в присутствии твердого катализатора. Механизм гетерогенного катализа гораздо сложнее гомогенного.

Химическое равновесие

Для обратимой гомогенной реакции аА + бБ = вВ + гГ согласно закону действия масс, скорости прямой U₁ и обратной U₂ реакции соответственно равны:

U₁ = k₁·[А]^а·[Б]^б и U₂ = k₂·[В]^в·[Г]^г

(1)

Химическое равновесия наступает тогда, когда скорость прямой реакции становится равной скорости обратной реакции:

U₁ = U₂	(2)
k₁·[А]^а·[Б]^б= k₂·[В]^в·[Г]^г	(3)
	(4)

Отношение констант скоростей прямой и обратной реакции является величиной постоянной для данной реакции при неизменных условиях. Эта величина обозначается К_р и называется константой равновесия – отношение произведения концентраций продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ в степенях, соответствующих стехиометрических коэффициентов.

Например, для обратимой гомогенной реакции:

4HCl + O₂ ↔ 2H₂O + 2Cl₂

константа равновесия равна

При определении константы равновесия обратимого гетерогенного процесса, концентрации твердых веществ не учитываются.

Например, константа равновесия обратимого гетерогенного процесса

MgCO_3(т) ↔ MgO_(т) + СО_2(г)

записывается в следующем виде:

К_р = [СО₂]

Пример.

Определить состав смеси в момент равновесия для реакции 2С + О₂↔ 2СО, если было взято 6 моль углерода, 5 моль кислорода и в реакцию вступило 40 % кислорода.

Решение:

Число моль кислорода, вступившего в реакцию:

5·0,4 = 2 моль,

тогда не прореагировало кислорода:

5 – 2 = 3 моль.

Согласно уравнению реакции

1 моль О₂ образует 2 моль СО

2 моль О₂ образует х моль СО

х = 4 моль.

Образовалось 4 моль СО.

1 моль О₂ реагирует с 2 моль С

2 моль О₂ реагирует с у моль С

у = 4 моль.

Вступило в реакцию 4 моль углерода.

Осталось углерода в момент равновесия:

6 – 4 = 2 моль.

Ответ: в равновесной смеси содержится 3 моля О₂, 2 моля С и 4 моля СО.

Принцип Ле Шателье

При изменении температуры системы или концентрации реагентов скорости прямой и обратной реакции всегда меняются по-разному. Это приводит к изменению концентраций веществ в системе, и данный процесс продолжается до тех пор, пока в новых условиях скорости прямой и обратной реакции будут равны. В этом случае вновь устанавливается равновесие, но уже при иных, чем раньше, концентрациях. Нарушение равновесия, вызванное изменением одного из условий существования данной системы, называется смещением или сдвигом химического равновесия.

При смещении равновесия важно знать, в каком направлении оно будет происходить при изменении одного из условий (температуры, концентрации, давления) протекания реакции. Качественно направление смещения равновесия можно предсказать, пользуясь принципом Ле Шателье: изменение одного из условий проведения реакции (температуры, концентрации, давления) вызывает смещение равновесия в направлении той реакции, которая противодействует этому изменению.

Влияние изменения концентрации

При увеличении концентрации исходных веществ равновесие сдвигается в сторону образования продуктов реакции (в сторону прямой реакции). При уменьшении концентрации исходных веществ равновесие сдвигается в сторону обратной реакции.

При увеличении концентрации продуктов реакции равновесие сдвигается в сторону исходных веществ (в сторону обратной реакции). При уменьшении концентрации продуктов реакции равновесие сдвигается в сторону прямой реакции.

Влияние температуры

Повышение температуры сдвигает равновесие в сторону эндотермической реакции, понижение температуры – в сторону экзотермической.

Влияние давления

Изменение давления вызывает сдвиг равновесия только в том случае, когда количество газообразных веществ до и после реакции отличаются друг от друга.

Увеличение давления смещает равновесие в сторону реакции, которая уменьшает количество молекул газообразных веществ. Понижение давления смещает равновесие в сторону реакции, которая увеличивает количество молекул газообразных веществ.

Рассмотрим, как влияет изменение концентрации компонентов, температуры и давления на реакцию синтеза аммиака:

N₂ + 3H₂↔ 2NH₃ + Q, ΔH = -92 кДж

Данная реакция является гомогенной, обратимой.

Прямая реакция является экзотермической (выделяется теплота +Q и уменьшается энтальпия системы -ΔH).

Обратная реакция является эндотермической (поглощается теплота -Q и увеличивается энтальпия системы +ΔH).

В данной реакции увеличение концентрации азота или водорода вызывает смещение равновесия в сторону прямой реакции, при которой концентрация азота и концентрация водорода уменьшаются. При уменьшении содержания, например, азота, равновесия смещается в сторону обратной реакции, т.е. в сторону диссоциации (разложения) аммиака, при которой концентрация азота увеличивается.

Поскольку синтез аммиака – процесс экзотермический, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции, надо понизить температуру. При повышении температуры равновесие сместится в сторону обратной реакции, и выход аммиака уменьшится.

Согласно уравнению, прямая реакция сопровождается уменьшением объема, т.к. из 4 моль исходных газообразных продуктов образуется 2 моль газообразного аммиака. Таким образом, увеличение давления сдвигает равновесие в сторону прямой реакции.

Дата добавления: 2020-11-27; просмотров: 115; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!