Дробышев Евгений Юрьевич, учитель химии

Дробышев Евгений Юрьевич, учитель химии
Макеевская общеобразовательная школа I-III ст. №4, г. Макеевка
zhe-drobyshev@yandex.ru
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ
РЕАКЦИЙ»
АННОТАЦИЯ
Программа профильного уровня по химии в 11 классе, предусматривает
более углубленное изучение темы «скорость химической реакции», чем в
8 классе, где тему рассматривают обзорно. Как правило задачи на
скорость химической реакции вызывают «проблемы» не только у
школьников, но и у первокурсников. Причина этого - не достаточное
количество знаний и умений полученных в школе. В таком типе задач
может быть совсем мало числовых данных, а может не быть и вообще.
Большинство школьников сразу «теряются» и не осознают на сколько
эти задачи на самом деле просты. Предлагаемые задачи можно
использовать не только на уроках, но и в качестве материала для
подготовки учащихся к химическим олимпиадам. К тому же, именно
решение таких задач развивает понятие о том, что химическими
реакциями можно управлять.
Одной из главных задач современной химии является изучение
влияния различных веществ на скорость течения определенных химических
реакций.
Знание
механизма
преобразований
позволяет
управлять
химическим процессом.
Химическая кинетика - раздел физической химии, изучающий
скорость химических реакций. Скорость химической реакции определяется
изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Чаще
всего концентрация вещества выражается количеством молей вещества,
которые содержатся в 1 литре (моль / л). Приведем гипотетическое уравнение
реакции:
А → В.
Будем считать объем, давление и температуру реакции постоянными
величинами. Как изменится скорость данной реакции за определенный
промежуток времени t1-t2? Пусть в момент времени t1, концентрация
вещества А составляла С1А =
𝑣1
, тогда в момент времени t2 концентрация
𝑉
вещества А будет равна СА2 =
𝑣2
𝑉
. Для определения скорости химической
реакции записываем выражение:
v=
𝑣1 𝑣2
−
𝑉 𝑉
𝑡2 −𝑡1
=
𝑣1 −𝑣2
𝑉
𝑡2 −𝑡1
=
𝐶1 −𝐶2
𝑡2 −𝑡1
=
∆𝐶 моль
∆𝑡
[
л∙с
]
Где: v - скорость реакции, моль/(л ∙ с); С - молярная концентрация,
моль/л; V - объем системы, л; t - время, с.
Во время реакции вещество А расходуется, его становится меньше, в
этом случае будет справедливым выражение:
v=-
∆𝐶
∆𝑡
.
В то время, как вещество А расходуется, вещество В накапливается. В
этом случае справедливым будет другое выражение:
v=+
∆𝐶
∆𝑡
.
Исходя из этого можно сделать вывод, что скорость химической реакции
может принимать как положительные так и отрицательные значения.
На скорость химической реакции влияет ряд факторов, в частности:
• природа реагирующих веществ;
• площадь поверхности контакта веществ;
• катализаторы;
• температура;
• концентрация реагирующих веществ.
Рассмотрим влияние температуры и концентрации на скорость реакции более
подробно.
Температура. Известно, что при повышении температуры на каждые 10 0С,
скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. Это утверждение известно, как
правило Вант-Гоффа, и имеет математическое выражение:
v𝑡2
v𝑡1
=𝛾
𝑡2 −𝑡1
10
.
Где: γ - температурный коэффициент реакции,
v𝑡2
v𝑡1
- изменение скорости
реакции, в результате повышения температуры от t1 до t2.
Примеры решения задач
Задача 1. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении
температуры от 200 до 600С, если температурный коэффициент реакции 3.
60−20
v𝑡2
= 3 10 = 34 = 81.
v𝑡1
Скорость реакции увеличивается в 81 раз.
Задача 2. Определить температурный коэффициент реакции, если во время
повышения температуры с 200 до 500С, скорость реакции возросла в 27 раз.
27 = 𝛾
Концентрация.
50−20
10
Зависимость
30
= 𝛾 10 = 𝛾 3 ;
скорости
3
√27 = 3.
реакции
от
концентрации
описывается законом действия масс: скорость химической реакции прямо
пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, в
степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам. Для реакции хА +
УВ
= АХВУ, уравнение скорости будет иметь вид:
v = k∙[A]x∙[B]y.
В данном уравнении величина k - константа равновесия, (константа
равновесия равна скорости реакции, при условии, что произведение
концентраций реагентов равно единице), [A]x, [B]y - концентрации веществ А
и В, моль / л.
Системой в химии называют вещество или вещества, находящиеся во
взаимодействии и мысленно отделены от окружающего мира. Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные) системы. В
гомогенной системе не имеется поверхности раздела фаз между отдельными
частями системы.
В гомогенных системах закон действия масс выполняется всегда. Так, для
реакции синтеза аммиака из простых веществ N2(газ) + 3H2(газ) = 2NH3(газ)
уравнение скорости будет иметь вид:
v = k∙[N2]∙[H2]3.
В гетерогенных системах имеется поверхность раздела фаз. Фаза - часть
системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при
переходе через которую, свойства меняются скачкообразно. При таких
условиях в уравнение скорости будут входить только концентрации
газообразных или растворенных веществ, ведь взаимодействие твердого
вещества происходит только на его поверхности. Например, для реакции
CaO(тв) + СО2(газ) = СаСО3(тв), уравнение скорости запишем так:
v = k∙[CO2].
Для реакции: 2Al(тв) + 3Br2(газ) = 2AlBr3(тв)
v = k∙[Br2]3;
для реакции: 2NO2(газ)+О2(газ) = 2NO2(газ)
v = k∙[NO2]2∙[O2].
Примеры решения задач
Задача 1. Во сколько раз изменится скорость реакции
2NO(газ) + O2(газ) = 2NO2 (газ) если объем газовой смеси уменьшился в три раза?
Запишем уравнение скорости до изменения объема системы:
2
v = 𝑘 ∙ 𝐶𝑁𝑂
∙ 𝐶𝑂2
2
Концентрации реагентов можем выразить так:
𝐶𝑁𝑂2 =
𝑣𝑁𝑂2
𝑣𝑂
; 𝐶𝑂2 = 2 .
𝑉
𝑉
Подставим данные значения в уравнение скорости:
v1 =
𝑣𝑁𝑂
k∙( 2 )2
𝑉
∙
𝑣 𝑂2
𝑉
=
2
𝑣𝑁𝑂
2 ∙𝑣
𝑂2
𝑉3
;
Если объем уменьшен в три раза, уравнение скорости примет вид:
v2 =
𝑣𝑁𝑂
k∙( 1 2 )2
𝑉
3
∙
𝑣 𝑂2
1
𝑉
3
=
𝑣𝑁𝑂2 ∙𝑣𝑂
2
(1/3𝑉)3
=
2
27∙𝑣𝑁𝑂
∙𝑣
2 𝑂2
𝑉3
;
Сопоставим уравнения скоростей до и после уменьшения объема:
2
27 ∙ 𝑣𝑁𝑂
∙ 𝑣𝑂2
2
v1
3
𝑉
=
2
v2
𝑣𝑁𝑂2 ∙ 𝑣𝑂2
𝑉3
= 27.
Скорость реакции увеличится в 27 раз.
Задача 2. Как изменится скорость прямой и обратной реакций
2SO2(газ)+О2(газ) = 2SO3(газ) если: а) концентрация оксида серы(IV) увеличится в
два раза; б) концентрация оксида серы(VI) уменьшится в два раза?
а). До изменения концентрации уравнение скорости имеет вид:
v = k∙[SO2]2∙[O2].
Если концентрацию SO2 увеличить в два раза, уравнение будет иметь вид:
v = k∙(2∙[SO2])2∙[O2] = 4∙1=4.
Скорость реакции увеличится в 4 раза.
б). Если происходит уменьшение концентрации SO3 в два раза, уравнения
скорости запишем так:
v = k∙[SO3]2;
1
v = k∙( [SO3])2 = ¼[SO3] = 0,25.
2
Скорость обратной реакции уменьшится в 0,25 раз.
Задача 3. Во сколько раз увеличится скорость реакции 2NO(газ)+О2(газ) =
2NO2(газ) если давление повысили в два раза?
До повышения давления уравнение скорости имеет вид:
v = k∙[NO]2∙[O2].
Если давление повысить в два раза, то и концентрации реагентов увеличатся
в два раза, уравнение скорости имеет вид:
v = k∙2([NO]2)∙2[O2] - 22∙2=8.
Скорость реакции увеличится в 8 раз.
Задача 4. Как изменится скорость реакции FeCl3+3KCNS=Fe(CNS)3+3KCl в
растворе, если смесь разбавили водой в два раза?
В растворе протекает ионная реакция:
Fe3+ + 3CNS- = Fe(CNS)3.
Уравнение скорости:
v = k∙[Fe3+]∙[CNS-]3.
Будем считать, что до разбавления концентрации ионов равны: [Fe3+] = х
моль/л, [CNS-]= y моль/л. Тогда уравнение скорости можем записать в таком
виде:
v = k∙х∙у3.
После разбавления водой в два раза концентрации ионов составляют:
[Fe3+]
= х/2 моль/л, [CNS-]=y/2 моль/л. Уравнение скорости имеет вид:
v = k∙x/2∙(y/3)3 =
𝑘∙𝑥∙𝑦 3
2∙23
= 16.
Скорость реакции уменьшится в 16 раз.
Задача 5. Во сколько раз изменится скорость 2NO + O2 = 2NO2, во время,
когда прореагирует 20% исходной стехиометрической смеси газов?
Запишем уравнение скорости до изменения концентрации реагентов:
v = k∙СNO2∙CO2
Составим таблицу:
С, моль/л
2NO +
O2 = 2NO2
Исходная
CNO
CO2
В реакции
0,2CNO
0,2CO2
После реакции
0,8CNO
0,8CO2
После того, как прореагировало 20% смеси, уравнение скорости запишем так:
v = k∙(0,8CNO)2∙0,8CO2 = k∙0,512∙CNO2∙CO2
Рассчитаем изменение скорости реакции:
2
v1
𝑘 ∙ 𝐶𝑁𝑂
∙ 𝐶𝑂2
=
= 1,953.
2
v2 𝑘 ∙ 𝐶𝑁𝑂
∙ 𝐶𝑂2 ∙ 0,512
Скорость реакции изменится в 1,953 раз.
Задача 6. Через некоторое время после начала окисления SO2 в SO3 скорость
реакции уменьшилась в 2,197 раз. Определите выход SO3.
Составляем таблицу:
v, моль
2SO2 + O2
= 2SO3
Исходная
2x
x
0
В реакции
2y
y
2y
После реакции
2x-2y
x-y
2y
Запишем соответствующие уравнения скорости:
v1 = k∙(2x)2∙x = 4kx3;
v2 = k∙(2x-2y)2∙(x-y)=k∙22∙(x-y)2∙(x-y) = 4k(x-y)3.
Из условия известно, что скорость уменшилась в 2,197 раз, можем записать
виражение:
v1
4𝑘𝑥 3
=
= 2,197.
v2 4𝑘(𝑥 − 𝑦)3
Упростим уравнение и получим:
𝑥
= 1,3; 𝑦 = 0,231𝑥.
𝑥−𝑦
Теперь можем рассчитать выход:
η=
0,231𝑥∙100%
𝑥
= 23,1%.
Задача 7. Во сколько раз необходимо повысить давление, чтобы скорость
образования СО2 по реакции 2CO + O2 = 2CO2 возросла в 1000 раз?
Уравнение скорости до повышения давления имеет вид:
v1 = k∙[CO]2∙[O2].
После повышения давления в х раз скорость реакции описывается
уравнением:
v2 = k∙x[CO]2∙x[O2].
Поскольку из условия известно, что скорость реакции должна увеличится в
1000 раз, составляем выражение:
v1
𝑘 ∙ [𝐶𝑂]2 ∙ [𝑂2 ]
=
= 1000;
v2 𝑘 ∙ 𝑥[𝐶𝑂]2 ∙ 𝑥[𝑂2 ]
1000 = x3;
3
x = √1000 = 10.
Давление необходимо повысить в 10 раз.
Перечень ссылок:
1. Розанцев Г.М., Николаевский А.Н., Швед Е.Н., Конкурсные задачи по
химии и их решение: Донецк, НОРД-ПРЕСС, 2004.
2. Витинг Л.М., Резницкий Л.А., Задачи и упражнения по общей химии.
Издательство Московского университета, 1976.