Хімічна кінетика та рівновага

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра хімії

 

 

Мовчан В.В., Часова Е.В., Мовчан О.Г.

 

 

Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу загальна хімія

 

Хімічна кінетика та рівновага

  Затверджено на засіданні кафедри хімії КТУ

ЗМІСТ

1. Теоретична частина____________________________________ 4

1.1. Загальні уявлення____________________________________ 4

1.2. Швидкість хімічних реакцій___________________________ 4

1.3. Закон діючих мас____________________________________ 6

1.4. Енергія активації____________________________________ 8

1.5. Вплив температури на швидкість реакції________________ 9

1.6. Каталіз____________________________________________ 10

1.7. Хімічна рівновага___________________________________ 12

1.8. Вплив зовнішніх факторів на хімічну рівновагу. Принцип ле Шательє 15

2. Лабораторна робота___________________________________ 17

Дослід 1. Вплив концентрації реагуючих речовин на швидкість реакції в гомогенній системі 17

Дослід 2. Вплив температури на швидкість реакції в гомогенній системі 18

Дослід 3. Вплив величини поверхні розділу реагуючих речовин на швидкість реакції в гетерогенній системі. Взаємодія крейди(мармуру) з соляною кислотою.____ 19

Дослід 4. Вплив каталізатора на швидкість реакції. Каталітичний розклад пероксиду водню. 19

Дослід 5. Вплив концентрації реагуючих речовин на зміщення рівноваги 19

Література_____________________________________________ 20

 

 

Теоретична частина

Загальні уявлення

 

Розділ хімії, який вивчає перебіг хімічних процесів за певний час, має назву хімічної кінетики.

2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г), = - 456,4 кДж характеризується значним зменшенням ізобарного потенціалу, тобто є можливість… Розглядаючи питання хімічної кінетики, треба розрізняти гомоген­ні і гетерогенні реакції. Хімічні реакції, які…

Швидкість хімічних реакцій

Швидкість хімічних реакцій характеризує інтенсивність хімічного процесу, тобто число елементарних актів взаємодії або розкладання за одиницю часу в одиниці об'єму (для гомогенних реакцій)абона одиницю поверхні поділу фаз (для гетерогенних реакцій).

Для гомогенних процесів, що відбуваються без зміни об'єму, швидкість хімічної реакції визначають як зміну концентрацій реагуючих речовин або продуктів реакції за одиницю часу.

Зміна концентрацій дорівнює різниці між концентрацією С₂, що відповідає моменту часу τ₂, і початковою концентрацією С₁ в момент часу τ₁. Тоді середня швидкість реакції дорівнює:

(1)

Чим менший проміжок часу ∆τ, тим менша зміна концентрації ∆С і тим ближче відношення ∆С/∆τ до істинної швидкості хімічної ре­акції. Відомо, що концентрації речовин у хімічному процесі змінюються безперервно (рис. 1), тому правильніше описувати хімічний процес у певний момент часу за допомогою істинної швидкості реакції. Точний математичний вираз істинної швидкості реакції є перша похідна від концентрації за часом:

(2)

Оскільки швидкість хімічних реакцій завжди додатна і характеризується зміною концентрацій реагуючих речовин (С₂ < С₁), то величина ∆С (dC) буде від'ємна і відношення ∆С/∆τ (dC/dτ) у формулах (1), (2) треба брати із знаком «мінус». Якщо швидкість реакції визначають за зміною концентрації одного з продуктів реакцій (див. рис. 1), то величина ∆С (dC)додатна і відношення ∆С/∆τ (dC/dτ) у формулах (1), (2) треба брати із знаком «плюс». Швидкість хімічних реакцій,

 

а б

Рис. 1. Зміна концентрацій С реагуючих речовин (а) та продуктів реакції (б).

як правило, вимірюють у моль/(дм³∙с). Істинна швидкість реакцій дорівнює тангенсу кута нахилу дотичної до кривої залежності концен­трації від часу (див. рис. 1):

= tg α.

Значення швидкості, розраховані за зміною концентрацій вихідних речовин або продуктів реакції, можуть бути різними, якщо всі коефі­цієнти в рівнянні реакції не дорівнюють одиниці. Так. швидкість реакції

Н₂+І₂=2НI,

виміряна за зміною концентрації НІ, вдвоє більша за швидкість, виміряну за зміною концентрації водню або йоду. Справді, концентра­ція НІ більша за концентрацію водню в два рази, тому

Швидкість хімічних реакцій залежить від природи реагуючих речовин, їх концентрацій, температури, наявності каталізатора і деяких інших зовнішніх факторів.

Закон діючих мас

Отже. швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентра­цій реагуючих речовин у степенях, які дорівнюють коефіцієнтам, що стоять перед… Для взаємодії двох молекул, наприклад водню і йоду за рівнянням Н2+I2=2НI,

Енергія активації

Частина молекул у системі внаслідок перерозподілу енергії завжди має певний надмір енергії порівняно з середньою енергією молекул. Тому вони можуть… Наявність енергетичного бар'єру призводить до того, що багато які реакції,… ∆H = Eпр - Евих

Вплив температури на швидкість реакції

, (4) де А — множник Арреніуса, пропорційний числу зіткнень молекул. Якщо концентрації реагуючих речовин дорівнюють 1 моль/л, то рівняння Арреніуса (4) дає змогу виразити залежність…

Каталіз

Речовини, які уповільнюють швидкість хімічних процесів, а самі при цьому не змінюються, називаються інгібіторами. З наведеного визначення може здатись, що каталізатор не бере участі в хімічній… Механізм дії каталізаторів різний. Найпоширенішою формою дії каталізатора є утворення проміжних сполук з реагуючими…

Хімічна рівновага

Необоротними хімічними реакціями нази­ваються реакції, які відбуваються лише в одному напрямі. З погляду термодинаміки, відповідно до рівняння для… До необоротних реакцій належать, наприклад, розкладання пер­манганату калію… 2КМп04 = К2МпО4 + МпО2 + 02, розкладаннябертолетової солі за рівнянням

Отже, константа рівноваги не залежить від концентрації речовин, а залежить від природи реагуючих речовин і температури реакції.

Вплив зовнішніх факторів на хімічну рівновагу. Принцип ле Шательє

Характер зміни рівноваги залежно від зовнішніх факторів можна визначити за принципом ле Шательє. Цей принцип, відкритий у 1882 p. французьким вченим А. ле Шательє,… Розглянемо принцип ле Шательє на прикладі рівноважної системи

Збільшення концентрацій реагуючих речовин або зменшення концентрацій продуктів реакції зміщує рівновагу в напрямку прямої реакції.

Принцип ле Шательє має велике практичне значення, особливо для хімічної промисловості. Наприклад, при синтезі аміаку підвищення температури зменшує…

Лабораторна робота

В даній роботі досліджуються: швидкості гомогенних та гетерогенних реакцій; вплив на швидкість реакцій концентрації, температури та каталізаторів; хімічна рівновага та вплив на неї зовнішніх умов.

Дослід 1. Вплив концентрації реагуючих речовин на швидкість реакції в гомогенній системі

Na2S2O3 + H2SO4 = S + H2O + SO2 + Na2SO4 Насправді зазначена реакція відбувається за таким механізмом: 1) Na2S2O3 + H2SO4 = H2S2O3 + Na2SO4

Дослід 2. Вплив температури на швидкість реакції в гомогенній системі

Нагрійте склянку з водою (на плитці чи доливши гарячої води) на 10о вище від початкової температури і проведіть аналогічний дослід з розчинами в… На міліметровому папері побудуйте графік впливу температури на швидкість… Зробіть висновки: чи проходить графік цієї залежності через початок координат, який температурний коефіціент швидкості…

Дослід 3. Вплив величини поверхні розділу реагуючих речовин на швидкість реакції в гетерогенній системі. Взаємодія крейди(мармуру) з соляною кислотою.

Виберіть два невеликих однакових за розмірами шматочки крейди (мармуру). Один з них розітріть в ступці до одержання порошку. Порошок пересипте на листок паперу. Налийте в дві пробірки по 3 мл розчину соляної кислоти і одночасно в одну помістіть шматочок крейди, а в другу – висипте порошок. В якій пробірці реакція пройшла швидше і чому? Складіть рівняння взаємодії крейди з соляною кислотою і рівняння швидкості даної реакції.

Дослід 4. Вплив каталізатора на швидкість реакції. Каталітичний розклад пероксиду водню.

В пробірку налийте 1 мл 3%-ного розчину пероксиду водню і внесіть в неї шпателем невелику кількість порошку оксиду кремнію(IV). Чи відбувається розклад пероксиду водню? В ту ж пробірку внесіть декілька крупинок MnO₂ і спостерігайте бурхливе виділення газу. Внесіть в пробірку тліючу лучинку. Що відбувається? Який газ виділяється при розкладі пероксиду водню? Складіть відповідне рівніння. До якого типу каталізу відноситься дана реакція?

Дослід 5. Вплив концентрації реагуючих речовин на зміщення рівноваги

В 4 пробірки налийте по 2 мл світло-червоного розчину тіоціанату (роданіду) заліза (цей розчин готує лаборант шляхом змішування розчинів… Запишіть свої спостереження. Складіть рівняння відповідної оборотної реакції і… - які речовини знаходяться в досліджуваному розчині в стані рівноваги?

Література

2. Васильева З.Г., Грановская А.А., Таперова А.А. Лабораторные работы по общей и неорганической химии. Л.: Химия, 1986.- 238 с. 3. Григор’єва В.В., Самійленко В.М., Сич А.М. Загальна хімія: Підручник для… 4. Семишин В.И. Лабораторные работы по общей химии. Учебн. пособие для вузов. -М.:Высш. шк., 1971.- 272 с.