Учебно-методическое пособие

9 класс

Продолжение. См. 21, 22, 23/2003

2. Закономерности течения химических реакций

2.1. Скорость химической реакции

Вычисление скорости химической реакции.
(Алгоритм 14.)

Задача. Вычислите среднюю скорость химической реакции, если через 20 с от начала реакции концентрация веществ составляла 0,05 моль/л, а через 40 с – 0,04 моль/л.

Зависимость скорости химической реакции
от концентрации реагентов.
(Алгоритм 15.)

Задача. Как изменится скорость химической реакции

2СО + О₂ 2СО₂,

если уменьшить объем газовой смеси в 2 раза?

Зависимость скорости реакции от температуры
(Алгоритм 16.)

Задача. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры от 300 до 350 °С, если температурный коэффициент равен 2?

Задачи для самоконтроля

1. Как изменится скорость реакции

2Fe + 3Cl₂ 2FeCl₃,

если давление системы увеличить в 5 раз?

Ответ. Увеличится в 125 раз.

2. Скорость реакции при охлаждении от 80 до 60 °С уменьшилась в 4 раза. Найти температурный коэффициент скорости реакции.

Ответ. 2.

3. Реакция при 50 °С протекает за 2 мин 15 с. За какое время закончится эта реакция
при t = 70 °C, если температурный коэффициент равен 3?

Ответ. 15 с.

2.2. Термохимические уравнения

В термохимических уравнениях в отличие от химических указывается тепловой эффект химической реакции и между левой и правой частями уравнения принято ставить знак равенства (=).
Тепловой эффект Q измеряется в килоджоулях (кДж), в случае экзотермических реакций он положителен, а в случае эндотермических реакций отрицателен.
Энтальпия () – величина, характеризующая внутреннюю энергию вещества, обратная по знаку тепловому эффекту, имеет размерность кДж на моль (кДж/моль).
Две возможные формы записи термохимического уравнения:

2Н₂ (г.) + О₂ (г.) = 2Н₂О (г.) + 483,6 кДж

или

Н₂ (г.) + 1/2О₂ (г.) = Н₂О (г.), = –241,8 кДж/моль.

Закон Гесса: тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ:

При химической реакции теплота выделяется или поглощается. Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими реакциями, а сопровождающиеся поглощением теплоты – эндотермическими.

Эндотермические и экзотермические реакции

Вычисление теплового эффекта реакции
по известному термохимическому уравнению.
(Алгоритм 17.)

Задача. По термохимическому уравнению

N₂ (г.) + О₂ (г.) = 2NО (г.) – 180,7 кДж

вычислите, сколько поглотится теплоты при вступлении в реакцию 5,6 л азота (н. у.).

Составление термохимического уравнения.
(Алгоритм 18.)

Задача. При сжигании 3 г магния выделилось 75,15 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение реакции горения магния.

Вычисление теплоты сгорания вещества. (Алгоритм 19.)

Задача. По термохимическому уравнению реакции

2СО (г.) + О₂ (г.) = 2СО₂ (г.) + 566,5 кДж

вычислите теплоту сгорания оксида углерода(II).

Вычисление теплоты образования вещества.
(Алгоритм 20.)

Задача. При сжигании 93 г белого фосфора выделилось 2322 кДж теплоты. Рассчитайте теплоту образования оксида фосфора(V).

Вычисление теплового эффекта реакции по закону Гесса.
(Алгоритм 21.)

Задача. Вычислите тепловой эффект реакции

Fe₂O₃ + 2Al Al₂O₃ + 2Fe,

если теплота образования оксида железа(III) составляет +821,5 кДж/моль, а теплота образования оксида алюминия +1675,7 кДж/моль (теплота образования простого вещества равна нулю).

Задания для самоконтроля

1. Составьте термохимическое уравнение реакции разложения карбоната кальция, если при разложении 40 г карбоната кальция поглощается 70,8 кДж теплоты.

Ответ. CaCO₃ = CaO + CO₂ – 177 кДж/моль.

2. Сколько теплоты выделится при полном сгорании 1 м³ смеси, состоящей из 30% (по объему) этилена и 70% ацетилена, если при сгорании 1 моль этих веществ выделяется соответственно 1400 и 1305 кДж?

Ответ. 59 531 кДж.

3. Вычислите теплоту сгорания ацетилена С₂Н₂, если теплота образования углекислого газа 393,5 кДж/моль, водяного пара – 242 кДж/моль, ацетилена – 226,8 кДж/моль.

Ответ. 1604,4 кДж.

2.3. Химическое равновесие

Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, производится внешнее воздействие (изменяется температура, давление или концентрация), то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет это воздействие.

Влияние температуры

а) А + В С + Q. При экзотермической реакции увеличение температуры приводит к тому, что скорость обратной реакции _обр становится больше скорости прямой реакции _пр, т. е. _обр > _пр.

б) А + В С – Q. При эндотермической реакции увеличение температуры приводит к тому, что _обр < _пр.

Влияние давления (для газов)

Увеличение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, ведущей к образованию меньшего числа молекул.

Увеличение давления _пр > _обр.

Влияние концентрации реагентов

а) Увеличение концентрации исходных веществ приводит к росту скорости прямой реакции: _пр > _обр.

б) Увеличение концентрации продуктов реакции _пр < _обр.

Влияние катализатора

Катализатор не смещает химическое равновесие, а только ускоряет его достижение.
Константа равновесия К для реакции аА + bВ cC + dD равна:

где [A], [B], [С], [D] – равновесные концентрации веществ в моль/л;
а, b, c, d – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Равновесная концентрация: с_равн = с_исх – с_{прореагир}.
Исходная концентрация: сисх = сравн + спрореагир.

Использование принципа Ле Шателье.
(Алгоритм 22.)

Задание. При определенных условиях реакция хлороводорода с кислородом является обратимой:

4НСl (г.) + O₂ (г.) 2Сl₂ (г.) + Н₂O (г.), = –116,4 кДж.

Какое влияние на равновесное состояние системы окажут:

а) увеличение давления;
б) повышение температуры;
в) увеличение концентрации кислорода;
г) введение катализатора?

Вычисление константы равновесия реакции.
(Алгоритм 23.)

Задача. Вычислите константу равновесия для реакции

СО₂ + Н₂ СО + Н₂О,

если равновесная концентрация углекислого газа равна 0,02 моль/л, водорода – 0,005 моль/л, а угарного газа и воды – по 0,01 моль/л.

Вычисление исходных концентраций веществ.
(Алгоритм 24.)

Задача. Обратимая реакция выражается уравнением

2SO₂ + O₂ 2SO₃.

Известны равновесные концентрации: для оксида серы(IV) – 0,0002 моль/л, для кислорода – 0,004 моль/л, для оксида серы(VI) – 0,003 моль/л. Найдите исходные концентрации кислорода и сернистого газа.

Задания для самоконтроля

1. Уравнение реакции

Н₂ + I₂ 2HI.

Даны равновесные концентрации: водорода – 0,004 моль/л, йода – 0,25 моль/л, йодоводорода – 0,08 моль/л. Вычислить исходные концентрации водорода и йода и константу равновесия.

Ответ. [H₂] = 0,044 моль/л,
[I₂] = 0,29 моль/л,
К = 6,4.

2. Как изменится давление к моменту наступления равновесия в реакции

N₂ + 3Н₂ 2NН₃,

протекающей в закрытом сосуде при постоянной температуре, если начальные концентрации азота и водорода равны соответственно 2 и 6 моль/л и если равновесие наступает тогда, когда прореагирует 10% первоначального количества азота?

Ответ. Уменьшится в 1,05 раза.

3. В какую сторону сместится равновесие реакций:

2H₂S 2Н₂ + 2S – Q,

N₂O₄ 2NO₂ – Q,

CO + H₂O (г.) СО₂ + Н₂ + Q,

а) при понижении температуры;
б) при повышении давления?

Ответ. Смещение равновесия в реакциях:
а) при понижении температуры:
2Н₂S 2Н₂ + 2S – Q – влево,
N₂O₄ 2NO₂ – Q – влево,
CO + H₂O (г.) СО₂ + Н₂ + Q – вправо;

б) при повышении давления:
2Н₂S 2Н₂ + 2S – Q – не сместится,
N₂O₄ 2NO₂ – Q – влево,
CO + H₂O (г.) СО₂ + Н₂ + Q – не сместится.

И.М.ХАРЧЕВА,
М.А.АХМЕТОВА