Определение закона действующих масс

Определение закона действующих масс

Определение закона действующих масс

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

chemister.ru

Закон действующих масс

Пример оформления расчетной задачи

Задача 2. Вычислите степень диссоциации и равновесные концентрации ионов [OH — ] и [NH4 + ] в 0,1 М растворе гидроксида аммония, если К NH4OH =1,76∙10 -5 .

1. Записываем уравнение диссоциации гидроксида аммония, справа от уравнения приводим константу ионизации, во второй строке указываем начальные концентрации вещества, в третьей строке – равновесные концентрации всех частиц, в четвертой – убыль концентрации гидроксида аммония.

2. Составляем математическое выражение закона действующих масс, подставляем в него равновесные концентрации всех частиц и решаем относительно x.

.

Математически доказано, что если отношение , величиной x в знаменателе можно пренебречь.

3. Для нахождения степени диссоциации гидроксида аммония можно воспользоваться математическим выражением закона разбавления Оствальда:

либо, опираясь на определение степени диссоциации, провести расчет на основании величин, полученных при решении закона действующих масс (степень диссоциации слабого электролита – это отношение количества распавшихся на ионы молекул к общему количеству растворенного вещества):

Ответ: α=1,33; [OH — ] = [ NH4 + ]=1,33∙10 -3 моль/л.

Читайте так же:  Библиографический список законов

Слабые электролиты при растворении и расплавлении диссоциируют на ионы частично. Параллельно с процессом диссоциации идет обратный процесс – ассоциация – образование молекул из ионов. В определенный момент времени скорости прямой и обратной реакций выравниваются, и наступает состояние химического равновесия. В данном состоянии система будет находиться столь долго, пока какое-либо внешнее воздействие не приведет к смещению равновесия. Состояние химического равновесия характеризуется константой равновесия.

Выведем выражение для константы химического равновесия, опираясь на понятия химической кинетики.

1. Запишем уравнение диссоциации слабого электролита в общем виде:

2. Запишем уравнения для скорости прямой и обратной реакции через концентрации веществ:

3. Состояние химического равновесия характеризуется равенством скоростей прямой и обратной реакции:

4. Преобразуем последнее выражение, сгруппировав переменные величины (концентрации) в одной части выражения, а постоянные величины (константы скоростей) – в другой:

5. Так как отношение констант скоростей есть величина постоянная, вводим новую константу, которая будет характеризовать состояние химического равновесия.

6. На основании полученного выражения формулируем закон действующих масс. Для обратимой химической реакции в состоянии равновесия произведение равновесных концентраций продуктов реакции в степенях их стехиометрических коэффициентов, отнесенное к такому же произведению для исходных веществ, есть величина постоянная при данной температуре и давлении.

Константа химического равновесия есть величина постоянная при данной температуре и давлении; она не зависит от концентраций реагирующих веществ, а определяется лишь природой вещества и растворителя. Для слабых электролитов эта константа называется константой ионизации. Для сильных электролитов константа диссоциации не имеет смысла, так как данные вещества при растворении полностью диссоциируют на ионы.

Помимо константы ионизации силу электролита характеризует степень диссоциации. Степень диссоциации – это отношение числа распавшихся при диссоциации молекул на ионы, отнесенное к общему числу частиц растворенного вещества.

Между степенью диссоциации и константой ионизации существует математическая связь, выражаемая законом разбавления Оствальда:

если электролит слабый и степень диссоциации мала, то величиной α в знаменателе можно пренебречь по сравнению с единицей, в итоге получим упрощенное выражение закона разбавления Оствальда:

Закон разбавления Оствальда. При разбавлении слабого электролита степень его диссоциации увеличивается.

ido.tsu.ru

5.2. Закон действующих масс

Скорость реакции в момент τ – мгновенная скорость V τ – подчиняется закону действующих масс, который был экспериментально открыт и теоретически обоснован в середине XIX столетия и получил свое название от термина «действующая масса» – синонима современного понятия «концентрация».

Рассмотрим взаимодействие молекулы А с молекулой В в неком объеме (рис. 5.1).

Пусть реакция происходит в некоторой точке R через предшествующее взаимодействию столкновение. Если молярные концентрации веществ А и В выразить через их символы в квадратных скобках, то вероятность нахождения веществ А в точке R будет пропоциональна [A], т. е. ωA=α[A]. Вероятность ωB нахождения вещества в этой точке равна ωB = β[B], а вероятность их одновременного присутствия в точке R (точке столкновения) равна произведению ωA∙ωВ = α[A]∙β[B]. Поскольку только часть столкновений приводит к химической реакции, то скорость реакции образования АВ равна V AB = γ∙α[A]∙β[B] = γ α β [A] [B] . Обозначив γ·α·β = k , получаем для реакции A + B, V AB = k [A] [B]

Коэффициент пропорциональности называют константой скорости . Очевидно, для реакции a A + b B, то есть для a молей вещества А и b молей вещества В ЗДМ формально запишется в виде

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов. Это определение относится к гомогенным реакциям. Если реакция геторогенная (реагенты находятся в разных агрегатных состояниях), то в уравнениие ЗДМ входят только жидкие или только газообразные реагенты, а твердые исключаются, оказывая влияние только на константу скорости k . Константа скорости k численно равна скорости, если концентрации реагентов постоянны и равны единице.

Читайте так же:  Зимняя резина правила 2014

Закон действующих масс безусловно выполняется только для элементарных химических реакций, протекающих в одну стадию. В других случаях фактическая и вычисленная по закону действующих масс скорости совпадают редко.

chemistry.ru

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.

einsteins.ru

Рассмотрим обратную реакцию общего вида

Экспериментальные исследования показывают, что в состоянии равновесия выполняется следующее соотношение:

(квадратные скобки означают концентрацию). Приведенное соотношение представляет собой математическое выражение закона действующих масс, или закона химического равновесия, согласно которому в состоянии химического равновесия при определенной температуре произведение концентраций продуктов реакции в степенях, показатели

Читайте так же:  Ст 1381 ук комментарий

которых равны соответствующим коэффициентам в стехиометрическом уравнении реакции, деленное на аналогичное произведение концентраций реагентов в соответствующих степенях, представляет собой постоянную величину. Эта постоянная называется константой равновесия. Выражение константы равновесия через концентрации продуктов и реагентов характерно для реакций в растворах.

Отметим, что правая часть выражения для константы равновесия содержит только концентрации растворенных веществ. Она не должна включать никаких членов, относящихся к участвующим в реакции чистым твердым веществам, чистым жидкостям, растворителям, так как эти члены постоянны.

Для реакций с участием газов константа равновесия выражается через парциальные давления газов, а не через их концентрации. В этом случае константу равновесия обозначают символом .

Концентрацию газа можно выразить через его давление при помощи уравнения состояния идеального газа (см. разд. 3.1):

Из этого уравнения следует

где — концентрация газа, которую можно обозначить как [газ]. Поскольку -постоянная величина, можно записать, что при заданной температуре

Выразим константу равновесия для реакции между водородом и иодом через парциальные давления этих газов.

Уравнение указанной реакции имеет вид

Следовательно, константа равновесия этой реакции определяется выражением

Обратим внимание на то, что концентрации или парциальные давления продуктов, т. е. веществ, указанных в правой части химического уравнения, всегда образуют числитель, а концентрации или парциальные давления реагентов, т. е. веществ, указанных в левой части химического уравнения, всегда образуют знаменатель выражения для константы равновесия.

Единицы измерения для константы равновесия

Константа равновесия может оказаться размерной или безразмерной величиной в зависимости от вида ее математического выражения. В приведенном выше примере константа равновесия является безразмерной величиной, поскольку числитель и знаменатель дроби имеют одинаковые размерности. В противном случае константа равновесия имеет размерность, выражаемую в единицах концентрации или давления.

Какова размерность константы равновесия для следующей реакции?

Константа равновесия указанной реакции определяется выражением

Следовательно, она имеет размерность (моль-дм-3)

Итак, размерность рассматриваемой константы равновесия или дм3/моль.

Какую размерность имеет константа равновесия для следующей реакции?

Константа равновесия указанной реакции определяется выражением

Следовательно, она имеет размерность

Итак, размерность данной константы равновесия: атм или Па.

Гетерогенные равновесия

До сих пор мы приводили примеры только гомогенных равновесий. Например, в реакции синтеза иодоводорода и продукт, и оба реагента находятся в газообразном состоянии.

В качестве примера реакции, приводящей к гетерогенному равновесию, рассмотрим термическую диссоциацию карбоната кальция

Константа равновесия этой реакции определяется выражением

Отметим, что в это выражение не входят никакие члены, относящиеся к двум твердым веществам, участвующим в реакции. В приведенном примере константа равновесия представляет собой давление диссоциации карбоната кальция. Она показывает, что если карбонат кальция нагревают в закрытом сосуде, то его давление диссоциации при фиксированной температуре не зависит от количества карбоната кальция. В следующем разделе мы узнаем, каким образом константа равновесия изменяется в зависимости от температуры. В рассматриваемом примере давление диссоциации превышает 1 атм лишь при температуре выше Поэтому для того, чтобы диоксид

углерода мог высвобождаться в атмосферу, необходимо нагревать карбонат кальция до указанной температуры.

Гидраты солей

Термическая диссоциация таких гидратных солей, как приводит к последовательному образованию низших гидратов и безводных солей. На каждой стадии над твердой фазой устанавливается определенное давление водяного пара. Константа равновесия для каждой стадии этой диссоциации определяется выражением

где х — число молей водяного пара, образующегося при диссоциации гидрата. Например, пентагидрат сульфата диссоциирует в три стадии:

На первой стадии образуют так называемую гидратную пару. Гидратной парой на второй стадии являются

edu.sernam.ru

Обсуждение закрыто.