Химическая кинетика и равновесие, самостоятельная работа

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