Лекция по курсу "Химия" на тему: "Химическое равновесие"

Величина теплового эффекта зависит от природы исходных веществ и продуктов реакции, их агрегатного состояния и температуры.

Основной принцип, на котором основываются все термохимические расчёты, установлен в 1840 г. выдающимся русским учёным - химиком акад. Г.И. Гессом. Этот принцип, известный под названием закона Гесса и являющийся частным случаем закона сохранения энергии, можно сформулировать так:

  ● Тепловой эффект химической реакции или физико - химического процесса не зависит от пути перехода из начального состояния системы в конечное состояние, а определяется только природой и состоянием исходных и конечных веществ.

● Химическая кинетика - раздел химии, изучающий скорость химических реакций, механизмы их протекания и факторы, влияющие на скорость.

Системы, которые состоят из одной фазы, называются гомогенными, или однородными. Примером гомогенных систем являются газовые смеси, растворы. Системы, которые состоят из двух или нескольких фаз называются гетерогенными (неоднородными). Гетерогенными системами являются смеси твёрдых веществ, газ + твёрдое веществ, жидкость + твёрдое вещество.

● Химическая реакция - процесс превращения одних веществ в другие, отличающиеся от исходных веществ составом и свойствами.

В гомогенных системах, протекающих при постоянном объёме, исследуется скорость реакции между реагентами, не имеющими границы раздела (газовые реакции, реакции в растворах).

● Скорость химической реакции в гомогенных системах – это изменение количества вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объёма системы.

где V_гомог. - скорость реакции в гомогенной системе

ν - число молей какого-либо из получающихся при реакции

веществ

V - объём системы

τ - время, сек.

Отношение изменения количества вещества к объёму системы это концентрация. Поэтому можно сказать, что скорость реакции в гомогенных системах измеряется изменением концентрации одного из веществ, участвующих в процессе, за единицу времени.

,

где знак «+» относится к изменению концентрации вещества, образующегося в результате реакции (ΔС0), а знак «-» - к изменению концентрации вещества, вступающего в реакцию (ΔС

Рис. Зависимость изменения концентраций исходного

вещества и продукта реакции от времени.

Реакции могут протекать с различными скоростями. Обычно для реакций, протекающих в газах или растворах, концентрации реагентов выражают в моль/л, а скорость реакции — в моль/(л· мин) или моль/(л· с). Если, например, исходная концентрация одного из реагирующих веществ составляла 2 моль/л, а через 3 сек. от начала реакции она стала 0,8 моль/л, то средняя скорость будет равна (2–0,8)/3=0,4 моль/(л ∙ с)

В гетерогенных (неоднородных) – взаимодействие протекает на границе раздела между реагирующими веществами, находящимся в разных фазах. Например: А – твёрдое вещество, В – газ или А – твёрдое вещество, В – вещество в растворе.

● Скорость химической реакции в гетерогенных системах - это изменение количества веществ, вступивших в реакцию или образовавшихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности раздела фаз.

Это можно записать в математической форме:

где V_гетер. - скорость реакции в гетерогенной системе

τ - время, сек.

S - площадь поверхности фазы, на которой протекает

Всякое увеличение поверхности приводит и к увеличению скорости реакции.

Скорость химической реакции зависит от многих факторов.

1. Природа реагентов.

2. Концентрация реагирующих веществ.

Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. А число столкновений молекул тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. В 1865 г. проф. Н.Н. Бекетов впервые высказал гипотезу о количественной взаимосвязи между реагентами и временем течения реакции. Эта гипотеза нашла подтверждение в основном законе химической кинетики, сформулированном в 1867 г. норвежскими учёными К. Гульдбергом и П. Вааге и названном законом действующих масс:

● При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях с показателями, равными стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Для реакции в общем виде: aA + bB = cC + dD математическое выражение закона действующих масс имеет вид:

V₁ = k₁∙ [A]^a ∙ [B]^b

где V₁ - скорость прямой реакции,

[A] и [B] - молярные концентрации реагирующих веществ

A и B, моль/л

a и b – стехиометрические коэффициенты в уравнении,

k₁ – коэффициент пропорциональности, называемый константой

скорости прямой реакции.

Так, для реакции окисления оксида серы (IV):

2SO₂ + O₂ 2SO₃

V₁ = k₁• [SO₂]² ∙ [O₂]

Основной закон химической кинетики не учитывает реагирующие вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, ибо их концентрации постоянны, в ходе реакции не изменяются, и они реагируют на поверхности. Так, при восстановлении оксида железа (II) водородом

FeO + H₂ = Fe + H₂O

V₁ = k₁ • [Н₂]

Константа скорости химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, от температуры, от присутствия катализатора, но не зависит от концентрации веществ, участвующих в реакции.

3. Температура реакции.

С повышением температуры скорость реакции возрастает, т.к. увеличивается скорость движения молекул и возрастает число активных молекул. Зависимость скорости химической реакции от температуры выражает правило Вант – Гоффа (конец XIX в., голландский химик):

● Для газовых реакций при увеличении температуры на каждые 10⁰С скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза.

Математически эта зависимость выражается соотношением:

где V₁ и V₂ – скорости реакции соответственно при начальной (t₁) и

конечной (t₂) температурах,

γ - температурный коэффициент скорости реакции, для различных реакций он различен.

4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Чем больше поверхность соприкосновения реагирующих веществ, тем быстрее протекает реакция. Вот почему твёрдые вещества значительно быстрее реагируют в измельчённом виде, т.к. в гетерогенных системах реакция происходит на поверхности раздела фаз. Например, растёртый в порошок мел быстрее растворяется в соляной кислоте, чем равный по массе кусочек мела.

5. Катализатор.

● Катализатор - вещество, которое в незначительных количествах существенно увеличивает скорость химической реакции, не изменяя после её окончания своего химического состава и количества. Катализаторы могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными веществами.

● Изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов называют катализом.

Реакции, протекающие при участии катализаторов, называются каталитическими. Катализ называется положительным, если скорость реакции увеличивается, и отрицательным, если скорость уменьшается.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии (образуют одну фазу). В этом случае между катализатором и реагирующими веществами отсутствует поверхность раздела. Например: реакция окисления оксида серы (VI)

2SO₂ + O₂ 2SO₃

NO

При гетерогенном катализе – в разных агрегатных состояниях (фазах). Обычно, катализатор в твердом состоянии, а реагенты - в жидком или газообразном. Например, окисление аммиака (газообразная фаза) в присутствии платины (твёрдая фаза).

4NH₃ + 5O₂ 4NО + 6Н₂O

Pt

Существуют вещества, которые замедляют химические реакции. Их называют отрицательными катализаторами или ингибиторами.

Контрольные вопросы:

6