1 Министерство образования Российской Федерации Тюменская государственная архитектурно-строительная академия Кафедра Общей и специальной химии МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к самостоятельной работе по теме: «ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И РАВНОВЕСИЕ В ГОМОГЕННЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ» для студентов всех специальностей 1 курса Тюмень -2005 2 Химическая кинетика и равновесие в гомогенных и гетерогенных системах: д.х.н., профессор ПИМНЕВА Л.А., ст. преподаватель ДОЛМАТОВА Н.Н., методические указания к самостоятельной работе для студентов всех специальностей, дневное отделение – 1 курс, 1 семестр, Тюмень: ТюмГАСУ, 2005 год, стр. 23 Рецензент: к.х.н., Полещук И.Н. (степень, звание, Фамилия, Имя, Отчество) Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры: Протокол № _________от «_____» __________________2005 г. Учебно-методический материал утвержден на УМС университета: Протокол №_______ от «_____» __________________2005 г. Тираж___100____ экземпляров 3 ВВЕДЕНИЕ Предлагаемое методическое указание предназначено для студентов дневного отделения всех специальностей университета и соответствует учебной программе по общей химии. Руководство содержит 29 вариантов заданий и служит для контроля знаний и самостоятельной подготовки студентов по теме: «Химическая кинетика и равновесие в гомогенных и гетерогенных системах». 4 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Химическая кинетика изучает скорость химической реакции (v), которую определяют как изменение концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени (τ) при постоянном реакционном объеме системы. Различают среднюю (vср) и истинную (v) скорости химической реакции. Выражение для средней скорости реакции можно записать: где с р , с р - изменение концентрации в ходе химической реакции; - время протекания реакции. Скорость реакции зависит от: 1). концентрации реагирующих веществ; 2). температуры реакции; 3). природы реагирующих веществ; 4). наличия катализатора. Если реагирующие вещества находятся в газообразном или жидком состоянии, т.е. система гомогенная, то скорость реакции зависит от концентрации всех реагирующих компонентов или от парциального давления их паров. 5 Если один из реагентов находится в твердой фазе (гетерогенная система), то скорость химической реакции зависит от общей поверхности твердого вещества. Количественная зависимость между скоростью реакции и концентрациями реагирующих веществ выражается законом действия масс: Скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для условной системы 3А + 2В= С скорость реакции согласно закону действия масс можно записать следующим образом: v = k[A]3[B]2. Влияние температуры на скорость химической реакции определяется правилом Вант-Гоффа: / 10 , 2 1 где v1 и v2 – соответственно начальная и конечная скорости реакции; γ – температурный коэффициент Вант-Гоффа; – изменение температуры. Большинство химических реакций носит обратимый характер. Состояние, при котором скорости прямой и обратной реакции равны, называется химическим равновесием. Химическое равновесие характеризуется константой равновесия. Например, для обратимой гомогенной реакции 6 N2 + 3H2 ↔ 2NH3 константа химического равновесия запишется следующим образом: NH 3 2 . 3 N 2 H 2 В гетерогенной системе в выражении константы равновесия концентрации твердых и кристаллических веществ не учитываются. Константа химического равновесия зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и давления. Изменение этих параметров вызывает смещение химического равновесия в системе и переход ее в новое равновесное состояние. Направление смещения химического равновесия определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, производить какое-либо внешнее воздействие, то в этой системе самопроизвольно возникают процессы, стремящиеся ослабить произведенное воздействие. 7 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ВАРИАНТ 1 1. Напишите выражение для скорости следующего химического процесса: Н2 + Cl2 ↔ 2HCl. 2. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе: 2SO2 + O2 ↔ 2SO3, если объем газовой смеси умень- шить в три раза? В какую сторону сместится равновесие? 3. В процессе реакции, протекающей по уравнению 2А + 3В→ С, за определенный период времени концентрация вещества А уменьшилась на 0,3 моль/л. Как изменится при этом концентрация вещества В? ВАРИАНТ 2 1. Записать выражение для константы равновесия гомогенной системы: N2 + 3H2 ↔ 2NH3 2. Чему равна скорость химической реакции, если концентрация одного из реагирующих веществ в начальный момент времени равна 1,2 моль/л, а через 30 минут стала равной 0,3 моль/л. 3. Как изменится скорость химической реакции при увеличении давления в 2 раза: Zn(к) + H2O(г) → ZnO(к) + H2(г) 8 ВАРИАНТ 3 1. Написать выражение для скорости прямой и обратной реакций химического процесса: 2NO + O2 ↔ 2NO2. 2. При взаимодействии SO2 и O2 концентрация кислорода уменьшилась за 1 час на 0,25 моль/л. Как изменится при этом концентрация SO2 и чему равна средняя скорость реакции? 3. Обратимая реакции протекает в газовой фазе и в уравнении прямой реакции сумма стехиометрических коэффициентов больше, чем в уравнении обратной реакции. Как будет влиять на равновесие в этой системе изменение давления? Объясните. ВАРИАНТ 4 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: СаО(к) + СО2(г) ↔ СаСО3 (к). 2. Начальные концентрации исходных веществ в реакции 2SO2 + O2 ↔ 2 SO3 были равны 1,6 моль/л SO2 и 1,2 моль/л O2. Найдите концентрации этих веществ в тот момент, когда образовалось 0,6 моль/л SO3 . 3. Если объем газовой смеси уменьшить в три раза, как изменится скорость прямой и обратной реакций в системе: CO + Cl2 ↔ COCl2. Как повлияет это на равновесие в системе? 9 ВАРИАНТ 5 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции 4NH3 + 3O2 ↔ 2N2 + 6 H2O. 2. Температурный коэффициент реакции равен 2,5. Как изменится ее скорость при повышении температуры от 80 до 140°С? 3. Как следует изменить температуру и давление в системе: CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2 H2, ΔH›0, чтобы повысить выход водорода? ВАРИАНТ 6 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: FeO(к) + H2(г) → Fe(к) + H2O(ж). 2. В гомогенной системе СО + Cl2 ↔ COCl2 равновесные концен- трации составляют: [СО]= 0,2 моль/л; [Cl2] =0,3 моль/л и [COCl2]= 1,2 моль/л. Вычислите константу равновесия системы. 3. Как изменится скорость прямой и обратной реакции в системе: 2SO2(г) + O2(г) ↔ 2SO3 (г), если уменьшить объем реактора в 2 раза? Повлияет ли это на равновесие в системе? 10 ВАРИАНТ 7 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой реакции: Н2 + Cl2 ↔ 2HCl. 2. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60°С, если температурный коэффициент скорости данной реакции равен 2? 3. При каких условиях равновесие следующей химической реакции 4 Fe(к) + 3O2(г) ↔ Fe2O3(к) будет смещаться в сторону разложения оксида железа? ВАРИАНТ 8 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой реакции: 2Н2О ↔ 2Н2 + О2 2. В системе 2NO2 ↔ 2NO + O2 равновесные концентрации реа- гирующих веществ составляют: [NO2]= 0,6 моль/л; [NO]= 0,24 моль/л и [O2]= 0,12 моль/л. Найдите константу равновесия и исходную концентрацию двуокиси азота. 3. Как повлияет на выход хлора в системе 4HCl(г) + O2(г) ↔ 2Cl2(г) + 2H2O(г), ΔH°298= − 202кДж уменьшение концентрации кислорода и увеличение объема реактора? 11 ВАРИАНТ 9 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции: N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г) 2. Константа равновесия гомогенной системы СО + Н2О ↔ СО2 + Н2 при 850 °С равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если [СО]исх = 3 моль/л и [Н2О]исх = 2 моль/л. 3. Как повлияет на выход хлора в системе 4HCl(г) + O2(г)→ 2Cl2(г)+ 2H2O(г), ΔH°298 = −202 кДж повышение температуры и уменьшение общего объема смеси? ВАРИАНТ 10 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции 2СО + 2Cl2 ↔ 2СОCl2. 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70°С, если температурный коэффициент равен 2? 3. Как повлияет на смещение равновесия реакции 2Н2(г)+ О2(г)↔ 2Н2О(г), ΔH°298 = 137 ккал а). понижение температуры; б). уменьшение давления? 12 ВАРИАНТ 11 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции: SO3(г) + C(к) ↔ SO2(г) + CO(г). 2. Исходные концентрации NO и Cl2 в гомогенной системе 2NO + Cl2 ↔ 2NOCl составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к этому моменту прореагировало 20% NO. 3. В какую сторону сместится равновесие реакции H2S(г) ↔ H2(г) + S(к), ΔH°298 = − 10 ккал а) при понижении температуры; б) при повышении давления? ВАРИАНТ 12 1. Почему в выражение для скорости химической реакции или константы равновесия не входят концентрации веществ, находящихся в твердой фазе? 2. Как изменить давление в системе, чтобы скорость хим. реакций: MnO2(к) + 4HCl(г) → MnCl2(к) + Cl2(г) увеличить в 16 раз? 3. Начальные концентрации HCl, О2 и Cl2, участвующих в реакции 4HCl + O2 → 2Cl2 + 2H2O были соответственно равны 4,2; 1,8 и 0,01 моль/л. Определите концентрации всех реагирующих веществ после того, как концентрация О2 уменьшится до 1 моль/л. 13 ВАРИАНТ 13 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции: 2H2S(г) + 3О2(г)↔ 2SO2(г)+ 2Н2О(г) 2. Константа равновесия гомогенной системы N2 + 3H2 ↔ 2NH3 при t = 400°С равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концентрации азота. 3. В какую сторону сместится равновесие при повышении температуры в системах: N2O4(г) ↔ 2NO2(г), ΔH°298 = − 13.6 ккал; 2CO(г) + O2(г) ↔ 2CO2(г), ΔH°298 = 136 ккал? ВАРИАНТ 14 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции: Fe2O3(к) + CO(г) ↔ 2FeO(к) + CO2(г) 2. Константа равновесия гомогенной системы СО + Н2О ↔СО2 + Н2 при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации [СО]= 0,1моль/л, [Н2О]= 0,4 моль/л. 3. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции – образования водяных паров в системе С(к) + Н2О(г) ↔ СО(г) + Н2(г). 14 ВАРИАНТ 15 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции: СаО(к)+ 3С(к)↔СаС2(к)+СО(г). 2. Равновесие в гомогенной системе: 4HCl + O2 ↔ 2Cl2 + 2H2O установилось при следующих концентрациях веществ: [Н2О]= 0,14 моль/л; [Cl2]= 0,14 моль/л; [HCl]= 0,20моль/л; [O2]= 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода. 3. Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО в системе СО2(г)+ С(к) ↔ 2СО(г)? ВАРИАНТ 16 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции: H2(г) + J2(г) ↔ 2HJ(г) . 2. Реакция идет по уравнению 2NO + O2 ↔ 2 NO2. Концентрации исходных веществ: [NO]= 0,03 моль/л; [O2]= 0,05 моль/л. Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию кислорода до 0,1 моль/л и концентрацию оксида азота до 0,06 моль/л? 3. Как повлияет на смещение равновесия реакции 2Н2(г)+ О2(г) ↔ 2Н2О(г), ΔH°298 = 137 ккал а). увеличение температуры; б). понижение концентрации кислорода? 15 ВАРИАНТ 17 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции: 4HCl(г) + O2(г) ↔ 2Cl2(г) + 2H2O(ж) 2. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе при понижении температуры на 30°С, если температурный коэффициент скорости данной реакции равен 3? 3. В каком направлении сместится равновесие в системе N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г); ΔH°298 = 22 ккал а). при повышении температуры; б). при увеличении концентрации. ВАРИАНТ 18 1. Напишите выражение для скорости следующей химической реакции: SO3(г) + C(к) ↔ SO2(г) + CO(г). 2. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60°С, если температурный коэффициент скорости данной реакции равен 2? 3. В какую сторону сместится равновесие реакции в системах: 2Н2+ О2 ↔ 2Н2О; СО2(г) + С(к) ↔ 2СО(г) ; NH4NO3(к) = N2O(г) + 2H2O(г) при повышении давления? 16 ВАРИАНТ 19 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: СаСО3(к) ↔ СаО(к) + СО2(г) 2. Реакция идет по уравнению H2 + J2 ↔ 2HJ. Константа скорости этой реакции при 508°С равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ: [Н2] = 0,04 моль/л; [J2] = 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и скорость ее, когда [Н2]= 0,03 моль/л. 3. В какую сторону сместится равновесие при повышении давления и концентрации исходных веществ в системе 2NO2(г) ↔ N2O4(г)? ВАРИАНТ 20 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: 2H2S(г) + 3О2(г)↔ 2SO2(г)+ 2Н2О(г) 2. Реакция идет по уравнению N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г). Концентрации участвующих в ней веществ были: [N2]= 0,08 моль/л; [H2]= 1,5 моль/л;[NH3]= 0,1 моль/л. Вычислите концентрацию водоро да и аммиака, если [N2]= 0,5 моль/л. 3. В какую сторону будет смещаться равновесие при понижении температуры и повышении давления в системе: PbO(к)+CO(г) = Pb(к)+CO2(г); ΔH = −64 кДж 17 ВАРИАНТ 21 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: С(графит) + СО2(г) ↔ 2СО(г) 2. Температурный коэффициент реакции равен 2,5. Как изменится ее скорость при охлаждении реакционной смеси от 50 до 30°С? 3. В какую сторону будет смещаться равновесие при повышении температуры и давления в системе: 2СО(г) + О2(г) ↔ 2СО2(г); ΔН = −566 кДж. ВАРИАНТ 22 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: СаО(к) + 3С(к) → СаС2(к) + СО(г). 2. Реакция идет по уравнению N2 + O2 ↔ 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции были: [N2]= 0,049 моль/л и [O2]= 0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент, когда [NО]= 0,005 моль/л. 3. В какую сторону сместится равновесие при повышении давления и температуры в системе: N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г) ; ΔН = −92,4 кДж ? 18 ВАРИАНТ 23 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: H2 + J2 ↔ 2HJ. 2. При повышении температуры на 20°С скорость реакции возросла в 9 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции и во сколько раз увеличится ее скорость при повышении температуры на 30 и на 100°С? 3. Если объем газовой смеси уменьшить в три раза, то как изменится скорость прямой и обратной реакции в системе: 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 ? Как повлияет это на равновесие в системе? ВАРИАНТ 24 1. Напишите выражение скорости следующего химического процесса 4HCl(г) + O2(г) ↔ 2Cl2(г) + 2H2O(ж). 2. Температурный коэффициент равен 2,5. Как изменится ее скорость при повышении температуры в реакционном пространстве от 60 до 120°С? 3. Если при данной температуре константа скорости прямой реакции имеет большее значение, чем константа скорости обратной, какая из них будет экзотермической? 19 ВАРИАНТ 25 1. Напишите выражение скорости следующего химического процесса: S(к) + O2(г) = SO2(г) 2. Найдите константу скорости реакции 2А + В → С, зная, что при концентрациях исходных веществ А и В, соответственно равных 0,5 и 0,6 моль/л, ее скорость составляет 0,018 моль/л·мин. 3. В какую сторону сместится равновесие при повышении давления и концентрации исходных веществ в системе: H2(г) + Br2(г) ↔ 2 HBr(г). ВАРИАНТ 26 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: NaNO2(ж) + H2O(ж) ↔ HNO2(ж) + NaOH(ж). 2. Концентрации NO и O2, образующих NO2 были соответственно равны 0,03 и 0,05 моль/л. Как изменится скорость реакции, если концентрацию кислорода увеличить до 0,1, а окиси азота до 0,06 моль/л? 3. Как следует изменить температуру и давление, чтобы повысить выход водорода в следующей реакции: СН4(г) + СО2(г) ↔ 2СО(г) + 2Н2(г); ΔН= − 132 ккал. 20 ВАРИАНТ 27 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: СаО(к) + СО2(г) ↔ СаСО3(к) 2. Начальные концентрации исходных веществ в системе: СО(г) + Cl2(г) →СОCl2(г) были равны 0,3 моль/л для СО и 0,2 моль/л для Cl2 . Во сколько раз увеличится скорость реакции, если концентрацию оксида углерода повысить до 0,6 моль/л, а концентрацию хлора – до 1,2 моль/л? 3. Как следует изменить концентрацию и давление в системе СО(г) + Н2О(г) ↔ СО2(г) + Н2(г) чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции? ВАРИАНТ 28 1. Напишите выражение для константы равновесия следующей обратимой химической реакции: СО(г) + Н2О(г) ↔ СО2(г) + Н2(г) 2. При синтезе аммиака к данному моменту времени прореагировало 0,9 моль/л водорода, а его начальная концентрация была равна 1,4 моль/л. Определите концентрацию оставшегося водорода и прореагировавшего азота. 3. Какими способами в системе 2SO2(г) + O2(г) ↔ 2 SO3(г); ΔH<0 можно сместить равновесие в сторону большего выхода SO3 при заданной концентрации SO2? 21 ВАРИАНТ 29 1. Напишите выражение скорости следующей химической реакции: KClO + CO2 + H2O = KHCO3 + HClO. 2. Найти константу равновесия реакции N2O4↔ 2NO2, если начальная концентрация N2O4 составляла 0,08 моль/л, а к моменту равновесия продиссоциировало 50% N2O4. 3. Указать, какими изменениями концентраций реагирующих веществ можно сместить вправо равновесие реакции СО2(г) + С(графит) ↔ 2СО(г). 22 ЛИТЕРАТУРА 1. А.И. Артеменко, И.В. Тикунова, В.А. Малеванный. Справочное руководство по химии.- М.: Высшая школа, 2002. 2. Н.Л. Глинка. Задачи и упражнения по общей химии.- М.: Интеграл-пресс, 2002. 3. Н.В. Коровин. Общая химия.- М.: Высшая школа, 2000. 4. Н.Б. Любимова. Вопросы и задачи по общей и неорганической химии.- М.: высшая школа, 1990. 23 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 3 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ 7 ЛИТЕРАТУРА 22