Урок по теме: «Понятие о скорости химической реакции. Катализаторы. Химическое равновесие»

Дата_____________ Класс_______________

Тема: Понятие о скорости химической реакции. Катализаторы. Химическое равновесие

Цели урока: повторить и закрепить знания об обратимых реакциях, химическом равновесии; сформировать представления о катализаторах и катализе.

Ход урока

1. Организационный момент урока.

2. Изучение нового материала

Вы знакомы с понятием «скорость» из курса физики. В общем виде скорость — это величина, показывающая как изменяется какая либо характеристика за единицу времени.

Скорость химической реакции — это величина, показывающая как изменяются концентрации исходных веществ или продуктов реакции за единицу времени. 

Для оценки скорости необходимо изменение концентрации одного из веществ.

1. Наибольший интерес представляют реакции, протекающие в однородной (гомогенной) среде.

Гомогенные системы (однородные) –  газ/газ, жидкость/жидкость  – реакции идут во всём объёме.

Математически скорость химической гомогенной реакции можно представить с помощью формулы:

2. Для гетерогенной реакции, скорость реакции определяется числом молей веществ, вступивших в или образующихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности:

Гетерогенные (неоднородные) системы  – твёрдое/жидкость, газ/твёрдое, жидкость/газ  – реакции идут на поверхности раздела фаз.

Таким образом, скорость химической реакции показывает изменение количества  вещества в единицу времени, в единице объёма или на единице поверхности раздела фаз.

Зависимость скорости реакций от различных факторов

Условия

1.       Среди всех известных реакций различают реакции обратимые и необратимые. При изучении реакций ионного обмена были перечислены условия, при которых они протекают до конца. (вспомните их).

Известны и такие реакции, которые при данных условиях до конца не идут. Так, например, при растворении в воде сернистого газа происходит реакция: SO₂  + H₂O → H₂SO₃. Но оказывается, что в водном растворе может образоваться только определенное количество сернистой кислоты. Это объясняется тем, что сернистая кислота непрочная, и происходит обратная реакция, т.е. разложение на оксид серы и воду. Следовательно, данная реакция не идет до конца потому, что одновременно происходит две реакции – прямая (между оксидом серы и водой) и обратная(разложение сернистой кислоты). SO₂  +  H₂O ↔ H₂SO₃.

Химические реакции, протекающие при данных условиях во взаимно противоположных направлениях, называются обратимыми. 

2.      Поскольку скорость химических реакций зависит от концентрации реагирующих веществ, то вначале скорость прямой реакции  (υпр ) должна быть максимальной,  а скорость обратной реакции (υобр) равняется нулю. Концентрация реагирующих веществ с течением времени уменьшается, а концентрация продуктов реакции увеличивается. Поэтому скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной реакции увеличивается. В определенный момент времени скорость прямой и обратной реакций становятся равными:

Во всех обратимых реакциях скорость прямой реакции уменьшается, скорость обратной реакции возрастает до тех пор, пока обе скорости не станут равными и не установится состояние равновесия:

υпр = υобр   

Состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называют химическим равновесием.

       В состоянии химического равновесия количественное соотношение между реагирующими веществами и продуктами реакции остается постоянным: сколько молекул продукта реакции в единицу времени образуется, столько их и разлагается. Однако состояние химического равновесия сохраняется до тех пор, пока остаются неизменными условия реакции: концентрация, температура и давление.

            Количественно состояние химического равновесия описывается законом действующих масс.

При равновесии отношение произведения концентраций продуктов реакции (в степенях их коэффициентов) к произведению концентраций реагентов (тоже в степенях их коэффициентов) есть величина постоянная, не зависящая от исходных концентраций веществ в реакционной смеси.

Эта постоянная величина называется константой равновесия — k

Так для реакции:  N₂ (Г) + 3H₂ (Г) ↔ 2NH₃ (Г) + 92,4 кДж  константа равновесия выражается так:

υ₁ = υ₂  

υ_{1 (прямой реакции)} = k₁[N₂][H₂]³ , где [] – равновесные молярные концентрации, [] = моль/л

υ_{2 (обратной реакции)} = k₂ [NH₃]²

k₁[N₂][H₂]³ = k₂ [NH₃]²

K_p = k₁/k₂ = [NH₃]²/ [N₂][H₂]³ – константа равновесия.

Химическое равновесие зависит – от концентрации, давления, температуры.

Принцип Ле-Шателье определяет направление смешения равновесия:

Если на систему, находящуюся в равновесии оказали внешнее воздействие, то равновесие в системе сместится в сторону обратную этому воздействию.

1) Влияние концентрации – если увеличить концентрацию исходных веществ, то равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции.

Например, K_p = k₁/k₂ = [NH₃]²/ [N₂][H₂]³

При добавлении в реакционную смесь, например азота, т.е. возрастает концентрация реагента, знаменатель в выражении для К увеличивается, но так как К – константа, то для выполнения этого условия должен увеличиться и числитель. Таким образом, в реакционной смеси возрастает количество продукта реакции. В таком случае говорят о смещении химического равновесия вправо, в сторону продукта.

Таким образом, увеличение концентрации реагентов (жидких или газообразных) смещает в сторону продуктов, т.е. в сторону прямой реакции. Увеличение концентрации продуктов (жидких или газообразных) смещает равновесие в сторону реагентов, т.е. в сторону обратной реакции.

Изменение массы твердого вещества не изменяет положение равновесия.

2) Влияние температуры – увеличение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции.

а) N₂ (Г) + 3H₂ (Г) ↔ 2NH₃ (Г) + 92,4 кДж (экзотермическая – выделение тепла)

При повышении температуры равновесие сместится в сторону реакции разложения аммиака (←)

б) N₂ (Г) + O₂ (Г) ↔ 2NO (Г) – 180,8 кДж   (эндотермическая —  поглощение тепла)

При повышении температуры равновесие сместится в сторону реакции образования NO (→)

3) Влияние давления (только для газообразных веществ) – при увеличении давления, равновесие смещается в сторону образования веществ, занимающих меньший объём.

N₂ (Г) + 3H₂ (Г) ↔ 2NH₃ (Г)

1V  — N₂           

3V  — H₂          

2V – NH₃

При повышении давления (P): до реакции  4V  газообразных веществ  →   после реакции 2V газообразных веществ, следовательно, равновесие смещается вправо (→)

   При увеличении давления, например, в 2 раза, объём газов уменьшается в такое же количество раз, а следовательно, концентрации всех газообразных веществ возрастут в 2 раза. K_p = k₁/k₂ = [NH₃]²/ [N₂][H₂]³

В этом случае числитель выражения для К увеличится в 4 раза, а знаменатель в 16раз, т.е. равенство нарушится. Для его восстановления должны возрасти концентрация аммиака и уменьшиться концентрации азота и водорода. Равновесие сместится вправо.

            Итак, при повышении давления равновесие смещается в сторону уменьшения объема, при понижении давления – в сторону увеличения объёма.

Изменение давления практически не сказывается на объёме твердых и жидких веществ, т.е. не изменяет их концентрацию. Следовательно, равновесие реакций, в которых газы не участвуют, практически не зависит от давления.

 ! На течение химической реакции влияют вещества – катализаторы. Но при использовании катализатора понижается энергия активации как прямой, так и обратной реакции на одну и ту же величину и поэтому равновесие не смещается.

3. Закрепление изученного материала

Задача

Укажите, как повлияет:

а) повышение давления;

б) повышение температуры;

в) увеличение концентрации кислорода на равновесие системы:

2CO (г) + O₂ (г) ↔ 2CO₂ (г) + Q

Решение:

а) Изменение давления  смещает равновесие реакций с участием газообразных веществ (г). Определим объёмы газообразных веществ до и после реакции по стехиометрическим коэффициентам:

По принципу Ле Шателье, при увеличении давления, равновесие смещается в сторону образования веществ, занимающих меньший объём, следовательно равновесие сместится вправо, т.е. в сторону образования СО₂, в сторону прямой реакции (→).

б) По принципу Ле Шателье, при повышении температуры, равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (-Q), т.е. в сторону обратной реакции – реакции разложения СО₂ (←), т.к. по  закону сохранения энергии:

Q — 2CO (г) + O₂ (г) ↔ 2CO₂ (г) + Q

в) При увеличении концентрации кислорода равновесие системы смещается в сторону получения СО₂ (→) т.к.  увеличение концентрации реагентов (жидких или газообразных) смещает в сторону продуктов, т.е. в сторону прямой реакции.

4. Домашнее задание.

П.14,

Выполнить задание по парам

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе:

2SO₂(г) + O₂(г) = 2SO₃(г)

если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение. Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO₂]= a, [О₂] = b,[SO₃] = с. Согласно закону действия масс скорости v прямой и обратной реакции до изменения объема:

v_пр = Ка²b

    v_обр = К₁с².

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO₂] = 3а, [О₂] = 3b;[SO₃] = 3с. При новых концентрациях скорости v’ прямой и обратной реакции:

v’_пр = К(3а)²(3b) = 27Ка²b

v’_обр = К₁(3с)² = 9К₁с²

Отсюда:

Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной – только в девять раз. Равновесие системы сместилось в сторону образованияSO₃.

Пример 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70^оС, если температурный коэффициент реакции равен 2.

Решение. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:

Следовательно, скорость реакции νТ₂ при температуре 70^оС больше скорости реакции νТ₁ при температуре 30^оС в 16 раз.

Пример 3. Константа равновесия гомогенной системы:

СО(г) + Н₂О(г) = СО₂(г) + Н₂(г)

при 850^оС равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [СО]_исх =3 моль/л, [Н₂О]_исх = 2 моль/л.

Решение. При равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, а отношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесия данной системы:

v_{пр =} К₁ [СО][Н₂О]

v_обр = К₂[СО₂][Н₂]

В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение К_рвходят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрации [СО₂]_р = х моль/л. Согласно уравнению системы число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. По столько же молей (х моль/л) СО и Н₂О расходуется для образования по х молей СО₂ и Н₂. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ:

[СО₂]_р = [Н₂]_р = х моль/л; 

[СО]_р = (3 – х) моль/л;

[Н₂О]_р = (2 – х) моль/л.

Зная константу равновесия, находим значение х, а затем исходные концентрации всех веществ:

Таким образом, 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.