Химическая кинетика и равновесие КАФЕДРА ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

3Fe + 2O 2 Fe 3 O 4(к), ΔН = 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 Демонстрация ролика 1 Кинетику этой и подобных реакций исследуют особенно тщательно! Зачем изучают химическую кинетику?

Энергия активации E Ход реакции ΔНΔН Е акт Исходные вещества Продукты 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. 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»

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)

Что такое скорость реакции? Реакция мрамора с соляной кислотой CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O n co 2 t t2t2 t1t1 n2n2 n1n1 V ~V ~ n 2 - n 1 t 2 – t 1 V = C2-C1C2-C1C2-C1C2-C1 t 2 – t 1 V = ΔCΔCΔCΔC ΔtΔtΔtΔt Измеряем объем СО 2 Если объем системы не меняется или

Факторы, влияющие на скорость химических реакций Природа реагентовПрирода реагентов Их концентрацияИх концентрация ТемператураТемпература КатализаторКатализатор Величина поверхности раздела между фазами Скорость доставки реагентов к межфазной поверхности Для гомогенных реакций Для гетерогенных реакций +

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 Задача. Во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении давления в 3 раза? 2NO + O 2 = 2NO 2

T Правило Вант-Гоффа При повышении Т доля активных молекул с Е > Е акт значительно возрастает γ = 2÷4

Кат Катализатор изменяет энергию активации Реакция Е акт Е* акт, кДж/моль 2NH 3 = N 2 + 3H 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 Pd Pt Pt

Химическое равновесие H 2 + Cl 2 = 2HCl T = const H 2 + I 2(г) 2HI В состоянии равновесия v = v Три признака химического равновесия Динамический характер равновесия

C V N 2 + 3H 2 2NH 3 N2N2 NH 3 V V V = k C N 2 C H 2 3 V = k C NH 3 2 Равновесная смесь Равновесие

Константа равновесия Н 2 + I 2 2HI Н 2 + I 2 2HI (T = const) v = k [H 2 ] [I 2 ] v = k [HI] 2 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 C M V P 2 (HI) K P = P(H 2 ) P(I 2 ) Fe 2 O 3(к) + 3СО (г) 2Fe (к) + 3СО 2(г) P 2 (Fe) Р 3 (СО 2 ) K P = Р(Fe 2 O 3 ) Р 3 (СО) В гетерогенных системах константа равновесия учитывает Р или С только летучих веществ Р 3 (СО 2 ) K P = Р 3 (СО)

Смещение равновесия Н 2 + I 2 2HI v = v + HI v < v v* = v* HI Равновесие сместилось влево Принцип Ле Шателье Р 2Н 2 + О 2 2 Н 2 О (г) Р N 2 + O 2 2NO В конденсированных системах

Т 2NO 2(г) N 2 O 4(г), H° = 57 кДж +Т Т 2NH 3(г) N 2(г) + 3H 2(г),H° = 92 кДж Р < 10 5 Па, Т = °С Катализатор не влияет на смещение химического равновесия Демонстрация ролика 2