Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Химическое равновесие

Скорость химической реакции измеряется качеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице объема системы (для гомогенной, т.е. однофазной реакции) или на единице площади поверхности раздела фаз (для гетерогенной, т.е. двухфазной реакции).

Для гомогенной реакции, протекающей при постоянном объеме,

V_гомог =DС/Dt (DС - изменение мольной концентрации какого-либо из веществ- исходных или конечных).

Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и присутствия в системе катализаторов.

Согласно закону действия масс при постоянной температуре скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции

2NO + O₂ = 2NO₂

выражение скорости по закону действия масс будет следующим:

V = k[NO]²[O₂],

где k - константа скорости реакции, ее значение зависит от природы реагирующих веществ.

При гетерогенных реакциях концентрации веществ в твердой фазе обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действия масс:

3Fe_(T) + 2CO_(г) = Fe₃C_(T) + CO_{2 (г)}

V = k[CO]²

Зависимость скорости (или константы скорости) от температуры может быть выражена уравнением

V_t+Dt = V_tg^Dt/10 ,

выражающим эмпирическое правило Вант-Гоффа: повышение температуры на каждые 10⁰С увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Здесь V_t- скорость реакции при температуре t, V_t+Dt - скорость реакции при повышенной температуре, g-температурный коэффициент скорости реакции.

Для обратимых реакций характерно состояние, называемое химическим равновесием, при котором скорости прямой и обратной реакций одинаковы и изменения концентраций реагирующих веществ, называемых равновесными, не происходит.

Так, для реакции А+2В « C+D по закону действия масс имеем:

                                  ®   ®           

V = k [A][B]² , V = k [C][D]

                                                             ®      ®             

В состоянии химического равновесия V = V, т.е. k [A]_R[B]²_R = k [C]_R[D]. Отсюда

® 

k / k = [C]_R[D]_R /([A]_R[B]²_R)= Kр,

 

где Кр - константа равновесия реакции. Численное значение константы равновесия характеризует выход данной реакции. Так, Кр>>1 при значительном превышении концентраций продуктов реакции над концентрациями исходных веществ, а это значит, что выход реакции велик. При Кр<<1 (по аналогичной причине) выход реакции мал.

Константа зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и не зависит от концентраций веществ. Независима она и от присутствия катализаторов. Изменение концентраций любого из веществ, составляющих равновесную систему, влечет за собой изменение концентраций всех остальных веществ, в итоге устанавливаются новые концентрации, но соотношение между ними вновь отвечает константе равновесия.

Процесс перехода от одного равновесного состояния к новому равновесию называется смещением химического равновесия. Направление этого смещения подчиняется принципу Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие будет ослаблено.

Константа равновесия химической реакции связана со стандартным изменением энергии Гиббса этой реакции уравнением

DG⁰= - 2,3RTlgK

Анализ уравнения показывает, что при отрицательных значениях DG равновесие смещено в направлении прямой реакции, и выход продуктов сравнительно велик, при положительном знаке DG⁰ равновесие смещено в сторону обратной реакции, и выход продуктов прямой реакции сравнительно мал.

 

Примеры решения задач

Пример 1. Сместится ли равновесие системы

 

4HCl_(г)+O_2(г) « 2Cl_2(г)+2H₂O_(г)+Q

если повысить давление в 2 раза; если повысить температуру ?

Решение. По закону действия масс имеем

                           ®    ®                 

V₀ = k [HCl]⁴ [O₂] , V₀ = k [Cl₂]²[H₂O]²

Для веществ в газовой фазе повышение давления в системе означает увеличение их концентраций в соответствующее число раз.

Тогда

                         ® ®                    

V = k [2HCl]⁴[2O₂], V = k [2Cl₂]²[2H₂O]²

 

или

 

          ®        ®                   ®                                  

V = 2⁴×2×k [HCl]⁴[O₂] = 32V₀, V = 2² ×2² ×k [Cl₂][H₂O] = 16V₀

То есть, скорость прямой реакции возрастет в 32 раза, а скорость обратной - в 16 раз.

Таким образом, равновесие системы нарушится и сместится в сторону прямой реакции.

На этот же вопрос можно ответить, используя принцип Ле Шателье .

Равновесие системы при повышении давления сместится так, чтобы ослабить это воздействие, т.е. в сторону реакции, идущей с понижением давления. А понижается давление по прямой реакции, т.к. она протекает с уменьшением числа газообразных молекул (обратная реакция идет, соответственно, с повышением давления). Следовательно, повышение давления в данной равновесной системе приведет к смещению равновесия в сторону прямой реакции.

Принцип Ле Шателье дает ответ и на второй вопрос задачи. При повышении температуры равновесие системы сместится так, чтобы ослабить это воздействие, т.е. в сторону реакции, идущей с поглощением тепла. По условию задачи прямая реакция - экзотермическая, идет с выделением тепла, значит, обратная - эндотермическая, идет с поглощением тепла. Следовательно, повышение температуры приведет к смещению равновесия в сторону обратной реакции.

В реальности закон действия масс неприменим к данной реакции в целом, поскольку одновременное столкновение более чем трех частиц крайне маловероятно. Реакции, в уравнения которых входит большее число частиц, протекают в несколько стадий, и закон действия масс применим лишь к отдельным стадиям процесса.

 

Пример 2. В системе А_(г) + 2В_(г) ® С_(г) равновесные концентрации равны: [А]_R = 0,06 моль/л; [В]_R = 0,12 моль/л; [С]_R = 0,216 моль/л. Найти константу равновесия и исходные концентрации веществ А и В.

Решение

Подставляем данные задачи в выражение константы равновесия:

К=[С]_р / ([А]_р[В]²_р) = 0,216 / (0,06×0,12²) = 250

Для нахождения исходных концентраций веществ А и В учтем, что, если известно изменение концентрации одного из веществ, то по уравнению реакции можно найти изменения концентраций всех других веществ, составляющих реакционную систему. Согласно уравнению реакции, из 1 моля А и 2 молей В образуется 1 моль С. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось 0,216 моля вещества С, то при этом было израсходовано 0,216 моля А и 0,216 × 2=0,432 моля В. Таким образом, искомые исходные концентрации равны:

[А]₀ = 0,06+0,216 = 0,276 моль/л

[В]₀ = 0,12+0,432 = 0,552 моль/л

 

Пример 3. Константа равновесия гомогенной системы

                 СО_(г)+Н₂О_(г) « СО_2(г)+Н_2(г)

при 850⁰С равна 1. Вычислить равновесные концентрации веществ, если исходные концентрации : [СО]₀=3 моль/л, [Н₂О]₀=2 моль/л.

Решение

Выражение константы равновесия данной реакции

К=[СО₂]_р[Н₂]_р / [СО]_р[Н₂О]_р

Пусть к моменту равновесия концентрация [СО₂]_р= х моль/л. Согласно уравнению реакции число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. По столько же молей (х) СО и Н₂О расходуется для образования х молей СО₂ и Н₂. Следовательно, равновесные концентрации всех веществ:

[СО₂]_р=[Н₂]_р= х моль/л; [СО]_р=(3-х) моль/л; [Н₂О]_р=(2-х) моль/л

Тогда

1=х² / (3-х)(2-х); х²=6-2х-3х+х²; 5х=6; х=1,2 моль/л.

Искомые равновесные концентрации:

[СО₂]_р=1,2 моль/л

[Н₂]_р=1,2 моль/л

[СО]_р=3-1,2=1,8 моль/л

[Н₂О]_р=2-1,2=0,8 моль/л

 

4. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,8. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры от 20 до 75⁰С ?

Решение

Отношение скоростей реакции при температурах 75⁰(V_t+Dt) и 20⁰(V_t) равно

V_t+Dt / V_t= g^Dt/10

Dt = 75-20 =55⁰; V_t+Dt / V_t = 2,8 ^5,5 = 287

Скорость реакции увеличится в 287 раз.

Задачи

 

81. Во сколько раз изменится скорость химической реакции N₂ (г)+ 3H₂ (г) = 2NH₃ (г), если: а) увеличить давление в 2 раза; б) увеличить концетрацию N₂ в 3 раза; в) понизить температуру на 40°С (g=3)?

82. Во сколько раз надо увеличить концентрацию CO₂ ,чтобы скорость реакции CO₂ (г)+C(г) = 2CO (г) увеличилась в 4 раза?

83. Во сколько раз надо увеличить давление, чтобы скорость реакции CaO (т) +CO₂ (г) = CaCO₃ (г) увеличилась в 12 раз?

84. При 1300 К константа равновесия реакции FeO (т) + CO (г)= Fe (т) + CO₂ (г) равна 0,5. Вычислить равновесные концентрации CO и CO₂, если исходные концентрации [CO]_исх = 0,05 моль/л и [CO₂]_исх = 0. В какую сторону сместится равновесие при увеличении концентрации СО?

85. При установлении равновесия: ZnO (т) + CO (г) = Zn (т) + CO₂ (г) концентрация [СО]=1моль/л, [СО₂]=1моль/л. Вычислите исходную концентра-

цию [СО]_исх , если исходная концентрация [CO₂]_исх равна нулю.

86. При установлении равновесия N₂ (г) + 3H₂ (г) = 2NH₃ (г) концентрация [N₂] = 0.02 моль/л, [H₂] = 7,2 моль/л и [NH₃] = 0,8 моль/л. Вычислите исходную концентрацию азота и водорода, если начальная концентрация аммиака равна нулю. В какую сторону сместится равновесие при увеличении давления.

87. При установлении равновесия 2CO () + O₂ () = 2CO₂ () + 566,2 кДж концентрация [CO]_(г) = 2 моль/л, [О₂]_(г) = 0,5 моль/л, и [CO₂]_(г) = 2моль/л. Вычислите исходную концентрацию CO и O₂ , если начальная концентрация CO₂ равна нулю. В какую сторону сместится равновесие при повышении температуры?

88. При установлении равновесия Fe₂O₃ (т) + 3CO (г) = 2Fe (т) + 3CO₂ (г) концентрация [CO] = 1моль/л и [CO₂] = 2моль/л. Вычислите исходную концентрацию [СО]_исх, если начальная концентрация CO₂ равна нулю.

89. Вычислите исходную концентрацию водорода: ZnO(т) + H₂ (г) =

= Zn(т) +H₂O (г), если константа равновесия при некоторой температуре равна 0,5, а равновесная концентрация [H₂O] = 0,6 моль/л. В какую сторону сместится равновесие при увеличении концентрации H₂O ?

90. В какую сторону сместится равновесие: а) при понижении давления;

б) при повышени температуры?

FeО (т) + H₂ (г) « Fe (т) + H₂O (г) –23кДж

Fe₂O₃ (т) +3SO₃ (г) « Fe₂(SO₄)₃ (т) – 1081кДж

TiO₂ (т) + 2C (т) + 2Cl₂ (г) « TiCl₄ (г) + 2CO (г) + 32,7 кДж

 

 

IX. Растворы.

Способы выражения содержания

растворенного вещества в растворе

 

Растворы - это гомогенные химические системы переменного состава, образованные двумя или несколькими веществами.

Состав раствора определяется количествами растворенного вещества и растворителя.

Существует несколько способов количественного выражения состава растворов в виде различных долей либо в виде различных концентраций растворенного вещества. Концентрацией раствора называется количество растворенного вещества, содержащееся в единице массы или объема раствора или растворителя.

Наиболее часто употребляемые в химии способы выражения содержания растворенного вещества в растворе следующие:

1) массовая доля w - отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора

w = (m_в / m_р-ра )× 100% (в долях или %);

2) мольная доля N - отношение количества растворенного вещества (в молях) к сумме количеств всех веществ, составляющих раствор:

N₁=n₁ / (n₁+n₂+n₃+...)   (в долях);

3) моляльность m - отношение количества растворенного вещества (в молях) к массе растворителя:

m=n / m_р-ля (моль/кг р-ля);

4) молярность С_м или М - отношение количества растворенного вещества (в молях) к объему раствора:

С_м=n / V (моль/ л);

5) эквивалентная концентрация или нормальность С_н - отношение числа эквивалентов растворенного вещества к объему раствора:

С_н=n_экв / V (экв/л или н)

6) титр (Т) - количество граммов растворенного вещества в 1см³ (мл) раствора

Т=m_в / V_(мл)  (г/мл).

Первые три вида концентраций - массовые, вторые три вида - объемные. Пересчет массовых концентраций в объемные и наоборот можно произвести только зная плотность раствора.

Примеры решения задач

Пример 1. Вычислите: массовую, моляльную, молярную, нормальную концентрации, мольную долю, титр раствора Н₃РО₄, полученного при растворении 18г кислоты в 282 мл воды, если его плотность 1,031 г/см³.

 

Решение

 Масса раствора 282+18=300г. Тогда массовая доля w=m_в / m_p-pa=18 / 300 = 0,06 (6%).

Для нахождения моляльности сначала вычисляем количество растворенного вещества n=m_в / М=18 / 98=0,184 моль. Тогда моляльность m=0,184 / 0,282=0,65 моль/кгН₂О.

Для определения мольной доли кислоты сначала вычисляем количества растворенного вещества (n₁) и растворителя (n₂):

n₁=18 / 98=0,184 моль n₂=282 / 18=15,67 моль.

Отсюда мольная доля N=0,184 / (0,184+15,67) =0,012.

При нахождении молярности используем уже найденное количество растворенного вещества n₁=0,184 моль в 300г раствора. Определяем объем раствора V=300 / 1,031 = 290,98 мл = 0,291 л; следовательно, молярность С_М=0,184/0,291=0,63 моль/л.

Для вычисления нормальности сначала определяем эквивалент Н₃РО₄

Э=1 / (1×3) = 0,33 моль

и находим число эквивалентов растворенного вещества в известном объеме раствора (0,291 л):

                           0,33 моль - 1экв

                           0,184 моль - х экв

                           х=0,56 экв.

Отсюда нормальность С_н = 0,56 / 0,291 = 1,92 н. 

Определяем титр раствора. Так как в 291 мл раствора содержится 18г кислоты, то

Т=18 / 291=0,0618 г/мл.  

 

Пример 2. На нейтрализацию 50 см³ раствора кислоты израсходовано 25 см³ 0,5 н. раствора щелочи. Чему равна нормальность кислоты?

Решение

Так как вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных количествах, то растворы равной нормальности реагируют в равных объемах. При разных нормальностях объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям, т.е.:

V₁ / V₂ = C_н,2 / C_н,1, или V₁C_н,1 = V₂ C_н,2,

 

50 C_н,1 = 25´0,5, откуда C_н,1= 25´0,5/50=0,25 н.

 

Пример 3. К 1 л 10% - ного раствора KOH (плотность 1,092 г/см³) прибавили 0,5 л 5% -ного раствора KOH (плотность 1,045 г/см³). Объем смеси довели до 2 л. Вычислите молярную концентрацию полученного раствора.

Решение

В 1 л 10%-го раствора содержится

1092´10/100 = 109,2 г KOH.

Масса 0,5 л 5% - ного раствора 1045´0,5 = 522,5 г. В этом растворе содержится

522,5´5/100 = 26,125 г KOH.

В общем объеме полученного раствора (2 л ) масса KOH составляет 109,2 + 26,125 = 135,325 г. Отсюда молярность этого раствора C_m = 135,325/(2´56,1) = 1,2 М, где 56,1 – молекулярный вес KOH.

 

Пример 4. Какой объем 96% - ной кислоты, плотность которой 1,84 г/см³ , потребуется для приготовления 3 л 0,4 н. раствора ?

Решение

Эквивалентная масса H₂SO₄ = М/2 = 98,08/2 = 49,04 г. Для приготовления 3 л 0,4 н. раствора требуется 49,04´0,4´3 = 58,848 г H₂SO₄. Масса 1 см³ 96%- ной кислоты 1,84 г. В этом растворе содержится

1,84´96/100 = 1,766 г H₂SO₄

Следовательно, для приготовления 3 л 0,4 н. раствора надо взять 58,848 / 1,766 = 33,32 см³ этой кислоты.

Задачи

 

91. Сколько мл 60% -ного раствора азотной кислоты (плотность 1,367 г/см³) и воды нужно для приготовления 1 л 10% -ного раствора азотной кислоты (плотность 1,054 г/см³).

92. Определить процентную концентрацию раствора, полученного при прибавлении 300 г воды к 250 г 15% -ного раствора едкого натра.

93. Вычислите молярную, нормальную, моляльную концентрацию и титр 20%-ного раствора хлорида натрия (плотность 1,148 г/см³).

94. Вычислите молярную и нормальную концентрацию раствора серной кислоты, в 200 мл которого содержится 9 г H₂SO₄.

95. До какого объема нужно довести раствор, содержащий 20 г NaOH, чтобы его концентрация была равна 0,2 М, 0,5 н.

96. Вычислите молярную, нормальную, моляльную концентрации 10%-ного раствора, азотной кислоты (плотность 1,056 г/см³).

97. Сколько мл 30%-ного раствора едкого кали (плотность 1,29 г/см³) необходимо для приготовления 3 л 0,54 М раствора?

98. Вычислите молярную, нормальную, моляльную концентрации и титр раствора, содержащего 2 г глюкозы (C₂H₁₂O₆) в 60 г воды (плотность 1,01 г/см³).

99. Для нейтрализации 20 мл 0,1 н. раствора кислоты потребовалось 6 мл раствора едкого натра. Определить нормальную концентрацию раствора едкого натра и его титр.

100. Определить нормальную концентрацию раствора, полученного при смешении 800 мл 3,0 н раствора едкого кали и 1,2 л 12% -ного раствора едкого кали (плотность 1,10 г/см³).