Transcript Химическая кинетика и равновесие
КАФЕДРА ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Химическая кинетика и равновесие
Зачем изучают химическую кинетику?
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4( к) , ΔН = -1117 кДж/моль
К счастью, в обычных условиях эта реакция идет очень медленно…
N 2 + 3H 2 → 2NH 3
Скорость этой реакции нужно увеличивать.
2KNO 3 + S + 3C → K 2 S + 3CO 2 + N 2
Кинетику этой и подобных реакций исследуют особенно тщательно!
Демонстрация ролика 1
Энергия активации
E Е акт
Исходные вещества
ΔН
Продукты
Е акт – это то избыточное количество энергии (по сравнению со средней величиной), которой должна обладать молекула в момент столкновения, чтобы быть способной к данному химическому взаимодействию.*
*В.А.Киреев «Краткий курс физической химии» Ход реакции Теория столкновений:
1.
Протекание реакции обусловлено столкновениями между реагирующими частицами.
2.
Каждое столкновение приводит к реакции только в том случае, если его энергия превосходит некоторую минимальную энергию.
Гомогенные и гетерогенные реакции
Гомогенные реакции протекают в объеме фазы: 2NO (г) + O 2 (г) = 2NO 2 (г) HCl + NaOH = NaCl + H 2 O (в растворе) Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз:
Fe 2 O 3 (к) + 3CO (г) = Fe (к) + 3CO 2 (г)
n co 2 n 2
Что такое скорость реакции?
Измеряем объем СО 2 Реакция мрамора с соляной кислотой
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O V ~ n 2 n 1 t 2 – t 1 n 1 t 1 t 2 t
Если объем системы не меняется
V = C 2 C 1 t 2 – t 1
или
V = Δ C Δ t
Факторы, влияющие на скорость химических реакций
Для гомогенных реакций •Природа реагентов •Их концентрация •Температура •Катализатор Для гетерогенных реакций + •Величина поверхности раздела между фазами •Скорость доставки реагентов к межфазной поверхности
С
Закон действующих масс
аА + bВ = …
v = k
(
C
A ) n (
C
B ) m
Для многих реакций v = k
(
C
A ) a (
C
B ) b
Например, для
2NO + O 2 = 2NO 2
v = k
(
C
NO ) 2 ∙
C
O2
Для гетерогенных реакций
CuO (к) + H 2 (г) = Cu (к) + H 2 O (г)
v = k
∙
C Н 2
Задача . Во сколько раз возрастет скорость реакции 2NO + O 2 = 2NO 2 при увеличении давления в 3 раза?
T
Правило Вант-Гоффа
t 2 1 t 2 - t 1 10 γ
=
2 ÷ 4
При повышении Т доля активных молекул с Е > Е акт значительно возрастает
Кат
Катализатор изменяет энергию активации Реакция
Е
акт
Е
* акт , кДж/моль 2NH 3 = N 2 + 3H 2 300 105 Катализатор ― Ni, нанесённый на Al 2 O 3 Скорость реакции возрастает в е 41 раз
Катализатор нейтрализации выхлопных газов автомобиля Керамический монолит, пронизанный множеством каналов, покрыт слоем Al 2 O 3 , на который нанесены
Rh Pd Pt
Химическое равновесие
T =
const H 2 + Cl 2 = 2HCl H 2 + I 2 (г) ⇄ 2HI В состоянии равновесия
→ ←
v = v
Три признака химического равновесия Динамический характер равновесия
C
N 2 NH 3 V V V
Равновесная смесь
N 2 + 3H 2 2NH 3
Равновесие
V = k ∙ 3
C
N 2 ∙
C
H 2 2 V = k ∙
C
NH 3
Константа равновесия
Н 2 + I 2 ⇄ 2HI →
v = k
[H 2 ] [I 2 ]
←
v = k
[HI] 2 (
T =
const)
K
=
k k
аА + bВ
⇄
сС + dD [C] c [D] d
K = —————
[A] a [B] b
K
не зависит от С, но зависит от Т К >> 1 ― выход реакции высок, К < 1 ― низок
К С
и К
Р
m n PV = — RT P = — RT =
const
K P =
M V
P
2 (HI) P(H 2 ) ∙ P(I 2 )
∙
C
Fe 2 O 3( к) + 3СО (г)
⇄
K P =
2Fe (к) + 3СО 2(г)
P
2 (Fe) Р(Fe 2 O ∙ 3 )
Р
∙ 3 (СО
Р
3 2 ) (СО)
K P = Р
3 (СО 2 )
Р
3 (СО) В гетерогенных системах константа равновесия учитывает Р или С только летучих веществ
Смещение равновесия
Н 2 + I 2
⇄ ⇚
влево 2HI HI Равновесие сместилось → ←
v = v
+ HI
v < v
→ ←
v* = v*
Принцип Ле Шателье
Р
N 2 + O 2 2Н 2 + О 2
⇄
Р
⇛
2 Н 2 О (г)
⇄
2NO
В конденсированных системах
Т
2 NO 2 ( г)
⇄
+
Т
⇚
−Т
⇛
N 2 O 4 (г) , ∆H° = − 57 кДж
Демонстрация ролика 2
2NH 3 (г)
⇄
N 2 (г) + 3H 2 (г), ∆H° = 92 кДж Р < 10 5 Па, Т = 800−1000 °С Катализатор не влияет на смещение химического равновесия