Кинетика химических реакций

Задание №1

Химическая термодинамика

1. Привести пример формулирования закона Гесса. Напишите математическое выражение следствий которые выплывают из закона Гесса.

Тепловой эффект (энтальпия) процесса зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути перехода его из одного состояния в другое.

Энтальпия реакции равна разности сумм энтальпий образования конечных и начальных участников реакций с учетом их стехиометрических коэффициентов.

ΔH = ΣΔH_{обр.конечн} – ΣΔH_{обр.нач}

Энтальпия реакции равна разности сумм энтальпий сгорания начальных и конечных реагентов с учетом их стехиометрических коэффициентов. ΔH = ΣΔH_{сгор.нач} – ΣΔH_{сгор.конечн}

Энтальпия реакции равна разности сумм энергий связей Eсв исходных и конечных реагентов с учетом их стехиометрических коэффициентов. В ходе химической реакции энергия затрачивается на разрушение связей в исходных веществах (ΣEисх) и выделяется при образованиии продуктов реакции (–ΣEпрод). Отсюда

ΔH° = ΣE_исх – ΣE_прод

Следовательно, экзотермический эффект реакции свидетельствует о том, что образуются соединения с более прочными связями, чем исходные. В случае эндотермической реакции, наоборот, прочнее исходные вещества.

При определении энтальпии реакции по энергиям связей уравнение реакции пишут с помощью структурных формул для удобства определения числа и характера связей.

Энтальпия реакции образования вещества равна энтальпии реакции разложения его до исходных веществ с обратным знаком.

ΔH_обр = –ΔH_разл

2. На основании справочных значений энтальпии создания _∆Н^°_f₂₉₈ определить тепловой эффект _∆Н^°₂₉₈(кДж) химической реакции А (табл. 7) при 298 К и стандартном давлении при условии, что все реагенты находятся в идеальном газоподобном состоянии.

Cl₂ + CO = COCl₂

_∆Н^°₂₉₈ = _∆Н^°_fCOCl₂- _∆Н^°_fCl₂ - _∆Н^°_fCO

Cl₂ = 0

CO = - 110.53

COCl₂ = - 219.50

Н^°₂₉₈ = -219.50 – 0 – ( - 110.53) = - 108.97 кДж

3. Определить изменение количества молей газоподобных веществ реакции А при 298 К и стандартом давлении.

Cl₂ + CO = COCl₂

_∆n = _∆ν = 1 - (1 + 1) = -1

4. Расчетать тепловой эффект реакции А при V = const и 298 К _∆U₂₉₈(кДж).

_∆U₂₉₈ =

_∆U₂₉₈ = - 108,97 · 10³ – (-1) · 8,31 · 298 = - 106,49 кДж

5. Напишите математическое выражение закона Кирхгофа в дифференциальном и интегральном виде.

Производная мольной энтальпии вещества по температуре при P = const представляет собой мольную теплоёмкость этого вещества при постоянном давлении:

Поэтому

Температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции равен изменению теплоемкости системы в ходе реакции.

Разделив переменные в уравнении и проинтегрировав его, получаем:

Здесь ΔHJ – постоянная интегрирования. При определённом интегрировании от Т₁ до Т₂ получим:

Если считать ΔС_р не зависящим от температуры, уравнение преобразуется к виду:

6. Для реакции А расчесать изменение средней теплоёмкости Т.

Cl₂= 35.74

CO = 29.99

COCl₂ = 67.50

7. Вычислить тепловой эффект (кДж) химической реакции А при постоянном давлении 1,0132·10⁵ Па и температуры Т при условии, что теплоёмкость всех веществ есть величина постоянная и равняется средней теплоёмкости при температуре Т.

Задание №2

Кинетика химических реакций

1. Что такое скорость химической реакции? В каких единицах она измеряется?

Скорость химической реакции, величина, характеризующая интенсивность реакции химической. Скоростью образования продукта реакции называется количество этого продукта, возникающее в результате реакции за единицу времени в единице объёма (если реакция гомогенна) или на единице площади поверхности (если реакция гетерогенна).

Скорость химической реакции измеряется в

2. Запишите основной постулат химической кинематики в общем виде и объясните физический смысл величин, которые в него входят.

K – const или удельная скорость

K = ω при

3. Какие факторы влияют на скорость химической реакции и на константу скорости реакции?

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции: концентрации с, температуры t , присутствия катализаторов, а также от некоторых других факторов (например, от давления - для газовых реакций, от измельчения - для твердых веществ, от радиоактивного облучения).

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.

4. На основании зависимости концентрации выходного вещества за время перехода реакции В (табл. 8) при постоянном объёме V – 1м³ и температуре Т. Начертите кинематическую кривую.

2F₂O = 2F₂ + O₂

T = 523K, t₁ = 10⁴с

t, c

0 1.0

1200 0.98

2400 0.97

6000 0.92

12000 0.85

18000 0.79

24000 0.74

5. Определите графическим методом настоящую скорость реакции в момент времени t₁.

ω = tgα

6. Вычислить ln C_вых и 1/С_вых для всех значений времени.

lg c

-6.907 1000

-6.927 1020.4

-6.938 1030.9

-6.99 1086.9

-7.07 1176.4

-7.14 1265.8

-7.2 1351.3

7. Начертить график зависимости ln С_вых= f (t) и 1/С_вых = а (t).

8.
На основании характера графиков сделать вывод порядка реакции В и выбрать соответствующее уравнение для расчета константы скорости реакции.

График прямолинеен в координатах 1/с от t данная реакция второго порядка.

9. Определить константу скорости реакции В.

10. Определить время, за которое прореагирует 10% количества выходного вещества.

11. Определите время, полупревращения для реакции В в секундах.

12. Напишите уравнение зависимости скорости химической реакции от температуры. Почему с повышением температуры скорость гомогенной химической реакции растёт?

Химические реакции, протекающие в гомогенных системах (смеси газов, жидкие растворы), осуществляется за счет соударения частиц. Однако, не всякое столкновение частиц реагентов ведет к образованию продуктов. Только частицы, обладающие повышенной энергией - активные частицы, способны осуществить акт химической реакции. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц и число активных частиц возрастает, следовательно, химические реакции при высоких температурах протекают быстрее, чем при низких температурах

Возрастание химические реакции при высоких температурах протекают быстрее, чем при низких температурах скорости реакции при нагревании в первом приближении подчиняется по следующему правилу. При повышении температуры на 10°С скорость химической реакции возрастает в два - четыре раза.

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант - Гоффа :

V– скорость реакции при t₂

V₀– начальная скорость реакции при t₁

γ – коэффициент скорости реакции

13. На основании константы скорости реакции В при температуре Т (п. 9) и констант скорости этой реакции при температурах Т₁ и Т₂, k₁и k₂(табл. 9) начертите график зависимости ln k = f(1/T).

Т 523 К_ср 0.148

Т₁548 К₁ 5.720·10^-2

Т₂583 К₂ 0,6908

lgK

Т 0.0019 К_ср -4.2

Т₁ 0.0018 К_{1 -}2.86

Т₂ 0.0017 К₂ -0.36

14. Что называется экспериментальной энергией активации химической реакции? От каких факторов она зависит?

Сильное изменение скорости реакции с изменением температуры объясняет теория активации. Согласно этой теории в химическое взаимодействие вступают только активные молекулы (частицы), обладающие энергией, достаточной для осуществления данной реакции. Неактивные частицы можно сделать активными, если сообщить им необходимую дополнительную энергию, - этот процесс называется активацией. Один из способов активации - увеличение температуры: при повышении температуры число активных частиц сильно возрастает, благодаря чему резко увеличивается скорость.

Энергия, которую надо сообщить молекулам (частицам) реагирующих веществ, чтобы превратить их в активные, называется энергией активации. Ее определяют опытным путем, обозначают буквой Е_a и обычно выражают в кДж/моль. Так, например, для соединения водорода и йода (Н₂ + I₂ = 2НI) Еа = 167,4 кДж/моль, а для распада йодоводорода (2НI = Н₂ + I₂) Е_а = 186,2 кДж/моль. Энергия активации Еa зависит от природы реагирующих веществ и служит характеристикой каждой реакции.

15. Определите графическим и аналитическим способом энергию активации реакции В в (кДж/моль).