Закон действия масс для гетерогенных реакций

Закон действия масс для гетерогенных реакций

В 1865 г. профессор Н.Н. Бекетов впервые высказал гипотезу о количественной взаимосвязи между массами реагентов и временем течения реакции: «. притяжение пропорционально произведению действующих масс». Эта гипотеза нашла подтверждение в законе действующих масс, который был установлен в 1867 г. двуми норвежскими химиками К. Гульдбергом и П. Вааге. Современная формулировка закона действующих масс такова:

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

Для реакции aA + bB → mM + nN математическое выражение закона действующих масс имеет вид:

где v — скорость реакции; k — коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции (при CA = CB = 1 моль/л k численно равна v); CA и CB — концентрации реагентов A и B; a и b — стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Константа скорости химической реакции k определяется природой реагирующих веществ и зависит от температуры, от присутствия катализатора, но не зависит от концентрации веществ, участвующих в реакции.

Закон действующих масс справедлив только для наиболее простых по своему механизму взаимодействий, протекающих в газах или в разбавленных растворах.

Часто уравнение реакции не отражает ее механизма. Сложные реакции могут быть совокупностью параллельно или последовательно протекающих процессов. Закон действующих масс справедлив для каждой отдельной стадии реакции, но не для всего взаимодействия в целом. Та стадия скорость которой минимальна, лимитирует скорость реакции в общем. Поэтому математическое выражение закона действующих масс, записанное для самой медленной (лимитирующей) стадии процесса, приложимо одновременно ко всей реакции в целом.

Примеры решения задач:

Задача 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакций в системе 2SO2(г) + O2 = 2SO3(г) , если объем газовой смеси уменьшить в 3 раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение. Обозначим концентрации реагирующих веществ CSO2 = a, CO2 = b, CSO3 = d. Согласно закону действующих масс, скорости прямой и обратной реакций до изменения объема:

После уменьшения объема гомогенной системы в 3 раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в 3 раза: CSO2 = 3a, CO2 = 3b, CSO3 = 3d. При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций:

v’прямая = k1 · (3a) 2 · 3b = 27 · k1 · a 2 · b;

Изменения скоростей составят:

Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной — в 9 раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SO3.

Источники информации:

  1. Коровин Н.В., Масленникова Г.Н., Мингулина Э.И., Филиппов Э.Л. Курс общей химии. — М.: Высшая школа, 1990. — С. 109-110, 140-141

Если вы нашли ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter.

© Сбор и оформление информации: Кипер Руслан

Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Применение закона действия масс к гетерогенным реакциям

Обратимся к применению закона действия масс к гетерогенным реакциям. [c.129]

Применение закона действия масс к гетерогенным реакциям. Если в реакции наряду с газами участвуют твердые или жидкие вещества, то концентрации последних в ходе реакции не изменяются, так как давление насыщенного пара над каждым твердым или жидким веществом при постоянной температуре остается неизменным. Возможен также случай, когда одно из реагирующих веществ взято в большом избытке по сравнению с другими веществами, тогда его концентрация в ходе реакции практически не изменяется. Если концентрация какого-либо вещества в ходе реакции не изменяется, то в математическом выражении закона действия масс эта концентрация не пишется, а входит в константу скорости реакции. Например, математические выражения закона действия масс для прямой и обратной реакций, протекающих по термохимическим уравнениям [c.178]

Применение закона действия масс к гетерогенному равновесию в конденсированных фазах можно рассмотреть на примере реакции между расплавом, состоящим нз закисей МпО и РеО, и металлическим расплавом Ре—Мп [c.295]

Применение закона действия масс к гетерогенному равновесию встречает некоторые затруднения, особенно в тех случаях, когда продукты реакции образуют с исходным веществом твердые или жидкие растворы. Кроме этого, приходится также учитывать, что константа равновесия выражает зависимость между равновесными концентрациями взаимодействующих веществ в газообразной или жидкой фазе. Гетерогенная система может не содержать ни газообразной, ни жидкой фазы. Такие гетерогенные системы с помощью константы равновесия исследовать нельзя. Мы ограничимся рассмотрением более простых реакций, в которых каждое из участвующих веществ содержится в системе в виде самостоятельной фазы. [c.119]

Принцип структурного разупорядочения. Если кристалл находится в равновесных условиях, то концентрации дефектов взаимосвязаны и квазихимическое приближение, основанное на применении закона действия масс, позволяет найти зависимость концентрации любого сорта дефектов от параметров состояния. В рамках подобных представлений удалось объяснить многие теплофизические, электрические, магнитные, оптические и механические свойства материалов, а также воздействовать на интенсивность процессов, протекающих с участием твердых фаз (структурные превращения, окисление металлов и сплавов, процессы спекания, гетерогенного катализа и твердофазные реакции). [c.167]

Применение закона действующих масс к ионообменным процессам весьма затруднено вследствие невозможности получения точных данных и тем, что многие из исследованных твердых ионитов гетерогенны. Только в последнее время появились такие монофункциональные иониты, как сульфокислотные, фенольные и карбоксильные. Вместе с тем следует учитывать, что одной из серьезных трудностей при применении закона действующих масс является необходимость экспериментального определения активностей различных ионов как в растворе, так и в твердой фазе. Важно отметить, что эти затруднения присущи не только процессам ионного обмена, но и почти всем ионным реакциям, в том числе и гомогенным. Попытками экспериментального определения ионных активностей [334, 335, 341 ] при помощи мембран из глинистых минералов иллюстрируется стремление преодолеть одно из последних препятствий при изучении равновесий ионного обмена. [c.24]

Равновесная теория, основанная на применении закона действия масс к процессу гетерогенной химической реакции между зернами ионита и омывающим их раствором. При этом вводится коэффициент обмена, который соответствует количеству нонов В, присутствующих 1В растворе, находящемуся в равновесии с зернами ионита. Этот раствор должен содержать 1 г-экв подвижного иона В вместе с 1 г-экв неподвижного иона А. Если [c.97]

Поскольку процесс ионного обмена подчиняется определенным стехиометрическим соотношениям, вполне естественно, что термодинамически его можно рассматривать как некоторый частный случай гетерогенных химических процессов. Последовательное применение такого подхода приводит к распространению на ионный обмен уравнения изотермы-изобары химической реакции, определяющего дифференциальное сродство процесса, и его следствия — закона действующих масс. [c.75]

В заключение этого параграфа отметим, что в гетерогенном катализе величины энергии активации не столь однозначны, как в гомогенной кинетике. Действительно, в случае элементарных гомогенных реакций, описываемых законом действующих масс, энергия активации является табличной величиной, характеризующей вместе со значением предэкспоненциального множителя скорость данной реакции в заданных условиях, изменение которых обычно не ведет к изменению характера кинетической зависимости. В гетерогенных каталитических процессах, в подавляющем большинстве являющихся сложными, наблюдаемое значение энергии активации зависит от механизма реакции, вытекающего из него кинетического уравнения, зависящего также от природы примененного катализатора, области покрытий поверхности, адсорбируемости компонентов, а также от некоторых других факторов, например, пористости катализатора. Следовательно, одной и той же реакции могут отвечать различные значения наблюдаемой энергии активации, которые в силу сложности [c.52]

Следует однако предостеречь от слишком упрощенного применения закона действия масс к гетерогенным реакциям с участием твердых тел. На твердых поверхностях происходят адсорбционные явления, и если реакция идет около этих поверхностей (как это имеет место в большинстве гетерогенных каталитических процессов), то скорость ее определяется концентрацией на поверхности или около нее последняя часто значительно разнится от концентрации в объеме. Отсюда вытекают много- и лeнныe случаи кажущегося нарушения закона действия масс [c.415]

При изучении количественных закономерностей ионообмена было установлено, что ионообменные процессы между твердой и жидкой фазами являются гетерогенными, обратимыми и подчиняются правилу эквивалентности. Это было доказано с помощью разработанного нами метода изучения обратимых процессов ионообмена с применением радиоактивных индикаторов для обмена катионов щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов на сульфокатионитах, когда в реакции принимают участие только одноименные активные группы и ионообмен не сопровождается вторичными процессами. Процесс описывается уравнением, основанным на законе действующих масс для обмена двух ионов любой валентности [c.284]

Закон действующих масс

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

Для реакции aA + bB = mM + nN кинетическое уравнение закона действующих масс имеет вид:

где ν – скорость реакции; k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции.

Константа скорости химической реакции не зависит от концентрации реагентов, а определяется природой реагирующих ве-ществ и условиями протекания реакций (температурой, наличием катализатора). Для конкретной реакции, протекающей при дан-ных условиях, константа скорости есть величина постоянная.

Пример 1. Напишите кинетическое уравнение закона действующих масс для реакции 2NO(Г) + Cl2(Г) = 2NOCl(Г).

Решение. Уравнение (2.24) для данной химической реакции имеет вид: ν = 2 (NO)с(Cl2).

В уравнение закона действующих масс для гетерогенных хи-мических реакции входят только концентрации веществ в газо-вой или жидкой фазах. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно постоянна и входит в константу скорости.

Пример 2. Напишите кинетическое уравнение закона действующих масс для реакций:

Решение. Уравнение (2.24) будет иметь следующий вид:

Поскольку карбонат кальция − твердое вещество, концентрация которого практически не изменяется в ходе реакции, то есть в данном случае скорость реакции при определенной температуре постоянна.

Пример 3. Во сколько раз увеличится скорость реакции окисления оксида азота (II) кислородом, если концентрации реагентов увеличить в два раза?

Решение. Запишем уравнение реакции 2NO + О2 = 2NO2.

Обозначим начальные и конечные концентрации реагентов соответственно с1(NO), с1(O2) и с2(NO), с22). Начальную и конечную скорости реакций обозначим ν1, ν2. Тогда в соответствии с уравнении-ем (2.24) получим:

Определим, во сколько раз увеличится скорость реакции:

Влияние давления на скорость химической реакции наиболее существенно для процессов с участием газов. При изменении давления в n раз в n раз уменьшается объем и в n раз возрастает концентрация, и наоборот.

Пример 4.Во сколько раз возрастет скорость химической реакции между газообразными веществами, реагирующими по уравнению

А + В = С, если увеличить давление в системе в 2 раза?

Решение. Используя уравнение (2.24), выразим скорость реакции до увеличения давления: ν1 = 1(А)с1(В).

Кинетическое уравнение после увеличения давления будет иметь следующий вид: ν2 = 2(А)с2(В).

При увеличении давления в 2 раза объем газовой смеси согласно закону Бойля–Мариотта (рV = const) уменьшится также в 2 раза. Следовательно, концентрация веществ возрастет в 2 раза.

Определим, во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении давления:

Пример 5. Начальные концентрации NH3 и О2 равны соответ-ственно 2,00 моль/дм 3 и 3,00 моль/дм 3 . Определите их концентрации в момент времени, когда прореагирует 30 % NH3 для реакции 4NH3 + + 5О2 = 4NO + 6Н2О.

Решение. В подобных задачах подразумевается, что объем реак-ционной системы со временем не изменяется. Пусть объем системы равен 1 дм 3 , тогда концентрации реагентов, как следует из формулы с(В) = n(В) / V, численно равны их количествам, то есть n(NH3) = = 2 моль и n(O2) = 3 моль.

Далее решаем задачу с использованием количества вещества, а затем определяем концентрации по формуле с(В) = n(В) / V.

Рассчитаем количество прореагировавшего аммиака: nпрор.(NH3) = = n1(NH3) ∙ 0,3 = 2 ∙ 0,3 = 0,6 моль. Тогда количество оставшегося ам-миака равно: n2(NH3) = 2,00 – 0,6 = 1,4 моль, а его концентрация: с2(NH3) = n(NH3) / V = 1,4 моль / 1 дм 3 = 1,4 моль/дм 3 .

Находим количество прореагировавшего кислорода. Согласно урав-нению реакции, 4 моль NH3 реагирует с 5 моль О2, а 0,6 моль прореа-гировавшего NH3 будет взаимодействовать с х моль О2.

Отсюда х = 0,6 ∙ 5/ 4 = 0,75 моль.

Тогда количество оставшегося кислорода равно:

Ответ: 1,4 моль/дм 3 NH3; 2,25 моль/дм 3 О2.

При решении задач необходимо учитывать, что концентра-ции реагирующих веществ со временем уменьшаются, а концен-трации продуктов растут.

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС

Влияние концентрации веществ на скорость реакции определяется законом действующих масс: при постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Закон действующих масс для прямой гомогенной реакции,

протекающей слева направо в однородной среде (смесь газов, раствор) (), имеет вид:

Для гетерогенной реакции, протекающей на границе раздела фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной) концентрации веществ, находящихся в конденсированном состоянии, постоянны и включаются в константу скорости реакции. Тогда для прямой реакции

если вещество твердое, закон действующих масс запишется:

Для обратимых химических реакций, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, скорости реакции (5) запишутся:

– константы скоростей прямой и обратной реакций, соответственно. Физический смысл константы скорости: при концентрации всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л, константа скорости равна скорости реакции.

Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и присутствия катализатора. Для каждой реакции при постоянной температуре константа скорости величина постоянная.

Используя закон действующих масс, можно определить, как будет изменяться скорость реакции при изменении параметров системы: , , .

Пример 1. Для гомогенной газофазной реакции

определить: а) во сколько раз изменится скорость прямой реакции, если концентрацию азота уменьшить в 2 раза, а концентрацию водорода увеличить в 2 раза; б) давление в системе увеличить в 3 раза.

Решение. а) Согласно закону действующих масс, скорость прямой химической реакции описывается уравнением

После изменения концентрации реагентов будут равны

; , тогда

Изменение скорости прямой реакции по отношению к первоначальной:

т. е. скорость прямой реакции увеличится в 4 раза.

б) Из уравнения состояния газов (уравнение Менделеева-Клапейрона)

следует с учетом (2):

что (при ) прямо пропорционально молярной концентрации газообразных веществ.

Следовательно, увеличение (или уменьшение) давления в системе в раз приводит соответственно к увеличению (или уменьшению) концентрации всех газов-участников реакции также в раз.

Тогда по условию задачи при увеличении давления в 3 раза новые концентрации веществ ():

тогда или

откуда: ,

т. е. скорость прямой реакции увеличится в 81 раз.

Пример 2. Для реакции определите: а) как был изменен объем системы, если скорость прямой реакции уменьшилась в 4 раза? б) во сколько раз при этом изменилась скорость обратной реакции?

Решение. а) Прямая реакция гетерогенная, концентрация твердого углерода не входит в выражение скорости реакции, поэтому:

Обозначим новый объем ; так как количество в системе не меняется, то

По условию задачи , откуда

или , т. е. .

Следовательно, объем системы увеличился в 2 раза ().

б) Поскольку молярная концентрация вещества обратно пропорциональна объему системы (уравнение 2), то при увеличении объема в раз концентрации газообразных и растворенных веществ уменьшаются в раз, а при уменьшении объема системы в раз концентрации этих веществ увеличиваются в раз.

Если объем системы увеличился в 2 раза, то для обратной гомогенной реакции закон действующих масс запишется:

до изменения объема:

после увеличения объема в 2 раза:

И тогда отношение скоростей будет равно:

Таким образом, скорость обратной реакции уменьшилась в 8 раз.

Закон действия масс для гетерогенных реакций

2.2 СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

Гетерогенные реакции Гетерогенные реакции протекают на границе (поверхности) раздела фаз, например между веществами, находящимися в жидкой и твердой фазах. имеют большое значение в технике (горение твердого топлива, коррозия металлов и т.д.). Любые гетерогенные процессы связаны с переносом вещества, и в них можно выделить три стадии:

1) Подвод реагирующего вещества к поверхности.

2) Химическая реакция на поверхности Имеется в виду собственно химическое взаимодействие молекул на поверхности раздела фаз. .

3) Отвод продукта реакции от поверхности.

Первая и последняя стадия осуществляется за счет диффузии. Во многих случаях химическая реакция могла бы протекать очень быстро, если подвод реагирующего вещества к поверхности и отвод продуктов от нее тоже происходили бы достаточно быстро. Такие процессы называются диффузионно контролируемыми, т.к. скорость определяется скоростью переноса вещества (диффузией). Для ускорения таких реакций обычно используют перемешивание. Если химическая реакция (вторая стадия) имеет высокую энергию активации *, то эта стадия оказывается самой медленной, и процесс не ускоряется при перемешивании. Такие гетерогенные реакции называются кинетически контролируемыми. Для их ускорения необходимо повысить температуру.

Стадия, определяющая скорость протекания реакции, называется лимитирующей стадией. Для диффузионно контролируемых процессов такой стадией является перенос вещества (1-я или 3-я стадии), а кинетически контролируемые процессы лимитируются 2-й стадией.

Скорость любого гетерогенного процесса возрастает при увеличении поверхности контакта фаз. Для этого используют измельчение твердой фазы.

В уравнении закона действия масс для гетерогенной реакции концентрация твердой фазы не учитывается. Например, для горения углерода C(т) + O2(г) → CO2(г) выражение закона действия масс выглядит следующим образом:

Разумеется, характеристики твердого вещества Под характеристиками твердого вещества здесь понимаются его химическая природа (состав), форма и размеры частиц, дефекты кристаллической структуры и т.д. влияют на скорость реакции, но это влияние отражается величиной константы скорости k .

Это интересно:

  • Рассмотрение проекта закона о федеральном бюджете Рассмотрение и утверждение федерального бюджета Государственные финансы и финансовая политика государства Бюджетная система и ее основные принципы Типы бюджетных систем Уровни бюджетной системы РФ Консолидированный бюджет РФ Доходы государства Расходы […]
  • Бланки заявлений огэ Инструкция по заполнению бланков ОГЭ горячая линия 8(383)347-25-73 [email protected] ЕГЭ в Новосибирской области 8(495)984-89-19 Горячая линия в Российской Федерации 8(495)104-68-38 Телефон доверия в Российской Федерации актуальное 02 августа 2018 2.12 Гос. программа НСО 17 […]
  • Штрафы гибдд для сотрудников полиции Оплата штрафа непосредственно сотрудникам полиции Приветствую. Был в другом городе в командировке (Москва), после работы открыли в парке пиво и нас забрал наряд. Привезли в участок, где оформили протокол об административном правонаршении и предложили либо оплатить сразу либо оплатить […]
  • Налог анимация Отечественной анимации пообещали налоговые льготы. Мультипликаторы готовятся завоевать мир Российские производители мультфильмов получат налоговые льготы. Такое поручение дал президент РФ Владимир Путин премьер-министру Дмитрию Медведеву. Представители отрасли уже назвали это залогом […]
  • Адвокат панков сергей Вдова Прокуророва не держит зла В процессе по делу о гибели в ДТП олимпийского чемпиона Алексея Прокуророва началось второе заседание. Трагедия случилась в октябре 2008 года во Владимире. Следствие пришло к выводу, что Юрий Мацора, водитель, который сбил Алексея, был пьян. Ранее он […]
  • Разрешение из опеки на снятие денежных средств Сайт Управления опеки и попечительства Министерства образования Московской области по Городскому округу Подольск Главное меню Список документов для выдачи разрешения на снятие денежных средств со счета, открытого на имя несовершеннолетнего Список документов для выдачи разрешения на […]
  • Водный налог плательщики налога Водный налог Водный налог — налог, уплачиваемый организациями и физическими лицами, осуществляющими специальное и (или) особое водопользование. Объект налогообложения Объектами налогообложения водным налогом, признаются следующие виды пользования водными объектами: забор воды из водных […]
  • Нод правила пожарной безопасности План-конспект занятия по ОБЖ (старшая группа) на тему: НОД по ОБЖ «Основные правила пожарной безопасности» (старшая группа). В помощь воспитателю. Предварительный просмотр: НОД по ОБЖ «Основные правила пожарной безопасности» (старшая группа). Цели. Познакомить детей с правилами пожарной […]

Author: admin