Тема 4

Кинетика. Химическое равновесие

Что проверяют по спецификации:

Скорость реакции и факторыЗакон действующих массПравило Вант-ГоффаКатализПринцип Ле Шателье

Суть за минуту

Кинетика изучает скорость реакций. Скорость зависит от природы веществ, концентрации, температуры, площади поверхности и катализатора. Многие реакции обратимы и приходят в равновесие; по принципу Ле Шателье равновесие смещается в сторону, которая ослабляет внешнее воздействие.

Главные формулы

v=ΔcΔtv=\dfrac{\Delta c}{\Delta t}
Средняя скорость, моль/(л·с)
v=k⋅[A]a⋅[B]bv=k\cdot[A]^a\cdot[B]^b
Закон действующих масс для aA + bB
v2=v1⋅γt2−t110v_2=v_1\cdot\gamma^{\frac{t_2-t_1}{10}}
Правило Вант-Гоффа, γ = 2–4
K=[C]c[D]d[A]a[B]bK=\dfrac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}
Константа равновесия

Понятия и термины

Энергия активации
Энергетический барьер, который надо преодолеть для реакции
Катализатор
Ускоряет реакцию, снижая энергию активации, но не расходуется и не смещает равновесие
Ингибитор
Вещество, замедляющее реакцию
Химическое равновесие
Состояние, когда скорости прямой и обратной реакций равны

Разбор темы

Принцип Ле Шателье

Концентрация: добавили реагент — равновесие смещается вправо, добавили продукт — влево.

Давление (для газов): при повышении давления равновесие смещается в сторону меньшего числа молей газа.

Температура: при нагревании — в сторону эндотермической реакции (ΔH > 0), при охлаждении — экзотермической.

Катализатор равновесие не смещает, только ускоряет его достижение.

Закон действующих масс

Концентрации твёрдых веществ в выражение скорости не входят.

Если давление газов увеличить в k раз, концентрация каждого газа вырастет в k раз.

Примеры задач с решением

Задача 1Температурный коэффициент реакции γ = 3. Во сколько раз возрастёт скорость при нагревании от 20 °C до 50 °C?
  1. Δt = 50 − 20 = 30 °C, показатель степени 30 / 10 = 3.
  2. v2v1=33=27\dfrac{v_2}{v_1}=3^{3}=27
Ответ В 27 раз
Задача 2Как изменится скорость реакции 2NO + O2 → 2NO2, если давление увеличить в 3 раза?
  1. v = k · [NO]² · [O₂].
  2. Концентрации растут в 3 раза: v' = k · (3[NO])² · 3[O₂].
  3. v' / v = 9 · 3 = 27.
Ответ Скорость возрастёт в 27 раз
Задача 3Как сместить вправо равновесие 2SO2 + O2 ⇌ 2SO3, ΔH < 0?
  1. Слева 3 моль газа, справа 2 — повышаем давление.
  2. Реакция экзотермическая — понижаем температуру.
  3. Добавляем O2 или SO2, отводим SO3.
Ответ Повысить давление, понизить температуру, добавить реагенты, отвести продукт

Сложные задачи: шаг за шагом

Задача 1В сосуд объёмом 1 л поместили по 1 моль H2 и I2. К моменту равновесия H2 + I2 ⇌ 2HI образовалось 1,6 моль HI. Найдите равновесные концентрации и константу равновесия.

Идея: Таблица «было — прореагировало — стало»; прореагировало по коэффициентам.

  1. Шаг 1. Сколько прореагировало
    На 2 моль HI расходуется по 1 моль H2 и I2: 1,6 моль HI ← 0,8 моль H2 и 0,8 моль I2.
  2. Шаг 2. Равновесные концентрации
    [H2]=[I2]=1−0,8=0,2[\text{H}_2]=[\text{I}_2]=1-0{,}8=0{,}2 моль/л; [HI]=1,6[\text{HI}]=1{,}6 моль/л.
  3. Шаг 3. Выражение константы
    Kc=[HI]2[H2][I2]K_c=\dfrac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]}.
  4. Шаг 4. Расчёт
    Kc=1,620,2⋅0,2=2,560,04=64K_c=\dfrac{1{,}6^2}{0{,}2\cdot0{,}2}=\dfrac{2{,}56}{0{,}04}=64.
Ответ 0,2; 0,2; 1,6 моль/л; Kc=64K_c=64
Задача 2Температурный коэффициент реакции γ=3\gamma=3. При 20 °C реакция заканчивается за 54 мин. За сколько минут она пройдёт при 50 °C?

Идея: Правило Вант-Гоффа: при нагревании на каждые 10 °C скорость растёт в γ\gamma раз; время уменьшается во столько же раз.

  1. Шаг 1. Разница температур
    Δt=50−20=30\Delta t=50-20=30 °C, то есть 30/10=330/10=3 «шага» по 10 °C.
  2. Шаг 2. Рост скорости
    v2v1=γΔt/10=33=27\dfrac{v_2}{v_1}=\gamma^{\Delta t/10}=3^3=27.
  3. Шаг 3. Время
    τ2=54/27=2\tau_2=54/27=2 мин.
Ответ 2 мин

Частые ловушки на ЕНТ

  • Катализатор не смещает равновесие.
  • Давление влияет только на реакции с газами и только если число молей газа слева и справа разное.
  • Концентрацию твёрдых веществ в закон действующих масс не подставляют.

Запомнить

Ле Шателье: система «сопротивляется» — давим, греем, добавляем, она сдвигается так, чтобы это ослабить.

Проверь себя

1. Куда сместится равновесие N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 при повышении давления?
  1. Вправо
  2. Влево
  3. Не сместится
  4. Зависит от катализатора
Показать ответ

Вправо Слева 4 моль газа, справа 2.

2. γ = 2. Во сколько раз вырастет скорость при нагревании на 30 °C?
  1. 6
  2. 8
  3. 9
  4. 3
Показать ответ

8 2³ = 8.

3. Что делает катализатор?
  1. Смещает равновесие вправо
  2. Снижает энергию активации
  3. Расходуется в реакции
  4. Повышает выход продукта
Показать ответ

Снижает энергию активации Он ускоряет и прямую, и обратную реакции.

Связанные темы

10. Элементы 16 группы. Производство серной кислоты18. Задачи: выход, олеум, смеси, пластинка, электролиз19. Задачи: формула по продуктам сгорания, кинетика, смеси

Узнай свой уровень: бесплатная диагностика ЕНТ