Перейти к слайдам
Конспект 6 из 6Физическая химия

Химическая кинетика

Скорость реакции и закон действующих масс, порядок и молекулярность, интегральные кинетические уравнения и период полупревращения, уравнение Аррениуса, лимитирующая стадия, квазиравновесие и стационарные концентрации, катализ.

  • 12 слайдов
  • ≈ 45 мин
  • 2 интерактивные схемы
  • 6 задач с решением
  • муниципальный → заключительный

Почему смесь водорода с кислородом годами лежит в баллоне, а от искры взрывается?

Термодинамика говорит, может ли реакция идти, а кинетика — как быстро. Скорость зависит от концентраций, температуры и пути, по которому идёт реакция. Из этих трёх вещей складываются почти все олимпиадные задачи по кинетике.

v = k[A]ᵐ[B]ⁿ· t½· k = A·e−Eₐ/RT· механизм

Что будет

  • скорость, закон действующих масс, порядок;
  • метод начальных скоростей;
  • интегральные законы, период полупревращения;
  • уравнение Аррениуса и правило Вант-Гоффа;
  • механизмы: лимитирующая стадия, квазиравновесие, стационарность;
  • катализ и задачи с решениями.

Скорость реакции и порядок

$v = -\dfrac{1}{a}\dfrac{d[\ce{A}]}{dt} = \dfrac{1}{p}\dfrac{d[\ce{P}]}{dt}$для $a\ce{A} + \dots \to p\ce{P}$ — одна скорость, какое вещество ни бери
$v = k[\ce{A}]^m[\ce{B}]^n$порядок по A — $m$, общий порядок — $m + n$
  • Порядки находят из опыта, они не обязаны совпадать со стехиометрическими коэффициентами и могут быть дробными или нулевыми.
  • Молекулярность — число частиц в одной элементарной стадии (1, 2, редко 3). Только для элементарной стадии порядок равен коэффициентам.
  • Размерность $k$ зависит от общего порядка: с⁻¹ для первого, л/(моль·с) для второго.
Ловушка

$\ce{H2 + I2 -> 2HI}$ долго считали элементарной бимолекулярной реакцией: $v = k[\ce{H2}][\ce{I2}]$. Позже выяснилось, что она идёт через атомы иода. Совпадение закона скорости с уравнением ещё не доказывает, что реакция элементарная.

Метод начальных скоростей

Опыт[A], моль/л[B], моль/лv₀, моль/(л·с)
10,100,102,0·10⁻⁴
20,200,108,0·10⁻⁴
30,100,204,0·10⁻⁴
Задача

По данным таблицы найдите порядки по A и B, общий порядок и константу скорости.

  1. Опыты 1 и 2: [A] удвоили, [B] та же, скорость выросла в 4 раза: $2^m = 4$, $m = 2$.
  2. Опыты 1 и 3: [B] удвоили — скорость выросла вдвое: $n = 1$.
  3. $v = k[\ce{A}]^2[\ce{B}]$, общий порядок 3.
  4. $k = \dfrac{2{,}0\cdot10^{-4}}{0{,}10^2\cdot0{,}10} = 0{,}20$ л²/(моль²·с).
  5. Второй порядок по A, первый по B, общий — третий; $k = 0{,}20$ л²·моль⁻²·с⁻¹.

Интегральные кинетические уравнения

ПорядокЗаконПрямая в координатахt½
0$[\ce{A}] = [\ce{A}]_0 - kt$$[\ce{A}]$ от $t$$[\ce{A}]_0/2k$ — растёт с $[\ce{A}]_0$
1$\ln[\ce{A}] = \ln[\ce{A}]_0 - kt$$\ln[\ce{A}]$ от $t$$\ln2/k$ — не зависит от $[\ce{A}]_0$
2$\dfrac{1}{[\ce{A}]} = \dfrac{1}{[\ce{A}]_0} + kt$$1/[\ce{A}]$ от $t$$1/(k[\ce{A}]_0)$ — падает с $[\ce{A}]_0$
Как определить порядок

Постройте данные в трёх координатах — где прямая, тот и порядок. Или посмотрите, как t½ зависит от начальной концентрации.

Псевдопервый порядок

Если один реагент в большом избытке (вода при гидролизе), его концентрация почти не меняется, и реакция второго порядка ведёт себя как первого: $k' = k[\ce{B}]_0$.

Кривые и их линеаризация

Переключайте порядок: для первого порядка период полупревращения не меняется при изменении $c_0$, для второго — сокращается при росте начальной концентрации, для нулевого — растёт.

Радиоактивный распад — чистый первый порядок

$N = N_0 e^{-kt} = N_0\left(\tfrac12\right)^{t/t_{1/2}}$
  • Радиоуглерод $\ce{^{14}C}$: $t_{1/2} = 5730$ лет. Живой организм поддерживает постоянную долю $\ce{^{14}C}$, после гибели она падает.
  • Скорость распада (активность) пропорциональна числу ядер: $A = kN$.
  • Число прошедших периодов: $n = \log_2(N_0/N)$.
Задача

В древесине из раскопок осталось 30 % исходного содержания $\ce{^{14}C}$. Сколько лет дереву?

  1. $k = \ln2/t_{1/2} = 0{,}693/5730 = 1{,}21\cdot10^{-4}$ год⁻¹.
  2. $t = \dfrac{1}{k}\ln\dfrac{N_0}{N} = \dfrac{\ln(1/0{,}30)}{1{,}21\cdot10^{-4}} = \dfrac{1{,}204}{1{,}21\cdot10^{-4}}$.
  3. $t \approx 9950$ лет — чуть меньше двух периодов полураспада (при двух осталось бы 25 %).

Температура: уравнение Аррениуса

$k = A\,e^{-E_a/RT} \qquad \ln\dfrac{k_2}{k_1} = \dfrac{E_a}{R}\left(\dfrac{1}{T_1} - \dfrac{1}{T_2}\right)$
  • $E_a$ — энергетический барьер; $A$ — предэкспоненциальный множитель (частота столкновений с учётом ориентации).
  • График $\ln k$ от $1/T$ — прямая с наклоном $-E_a/R$.
  • Правило Вант-Гоффа «при нагревании на 10° скорость растёт в 2–4 раза» — частный случай для комнатной температуры и типичных $E_a$ = 50–100 кДж/моль.
Задача

При нагревании с 25 до 35 °C скорость реакции удвоилась. Найдите энергию активации.

  1. $\ln 2 = \dfrac{E_a}{8{,}314}\left(\dfrac{1}{298} - \dfrac{1}{308}\right)$.
  2. $\dfrac{1}{298} - \dfrac{1}{308} = 1{,}090\cdot10^{-4}$ К⁻¹.
  3. $E_a = \dfrac{0{,}693\cdot8{,}314}{1{,}090\cdot10^{-4}} \approx 5{,}29\cdot10^{4}$ Дж/моль.
  4. $E_a \approx 53$ кДж/моль — вот откуда «правило удвоения» у многих реакций при комнатной температуре.

Посчитайте сами

Увеличьте $E_a$ до 150 кДж/моль: нагрев на 10° ускоряет такую реакцию уже в 7 раз. Поэтому реакции с высоким барьером так чувствительны к температуре — и поэтому их «включают» нагреванием или искрой.

Механизм и закон скорости

Лимитирующая стадия

Если одна стадия намного медленнее остальных, скорость всей реакции равна её скорости — как узкое горлышко бутылки.

Квазиравновесие

Быстрое обратимое равновесие перед медленной стадией: концентрацию интермедиата выражают через константу равновесия $K$.

Стационарность

Концентрация активного интермедиата мала и почти постоянна: $d[\ce{I}]/dt \approx 0$ (приближение Боденштейна).

Задача · региональный этап

Для реакции $\ce{2NO + O2 -> 2NO2}$ предложен механизм: $\ce{2NO <=> N2O2}$ (быстрое равновесие, $K$), затем $\ce{N2O2 + O2 -> 2NO2}$ (медленно, $k_2$). Выведите закон скорости и объясните, почему скорость падает при нагревании.

  1. Медленная стадия: $v = k_2[\ce{N2O2}][\ce{O2}]$.
  2. Из быстрого равновесия $[\ce{N2O2}] = K[\ce{NO}]^2$.
  3. $v = k_2K[\ce{NO}]^2[\ce{O2}]$ — третий порядок, как в эксперименте. Эффективная константа $k_{\text{эф}} = k_2K$.
  4. Димеризация NO экзотермична: при нагревании $K$ уменьшается быстрее, чем растёт $k_2$. Кажущаяся энергия активации $E_{\text{эф}} = E_2 + \Delta H_1$ отрицательна.
  5. $v = k_2K[\ce{NO}]^2[\ce{O2}]$; скорость падает с температурой, потому что $\Delta H$ предравновесия отрицательна и по модулю больше $E_2$.

Катализ

  • Катализатор открывает новый путь с меньшим барьером; сам не расходуется.
  • Он ускоряет прямую и обратную реакции одинаково и не смещает равновесие — только быстрее к нему приводит.
  • Гомогенный ($\ce{I-}$ при разложении $\ce{H2O2}$), гетерогенный (Fe в синтезе аммиака, $\ce{V2O5}$ при окислении $\ce{SO2}$), ферментативный.
  • Ферменты: уравнение Михаэлиса — Ментен $v = \dfrac{v_{\max}[\ce{S}]}{K_M + [\ce{S}]}$ — при малых [S] первый порядок, при больших — нулевой (фермент насыщен).
Задача

Катализатор снизил энергию активации с 75 до 50 кДж/моль. Во сколько раз выросла скорость при 298 К, если множитель A не изменился?

  1. $\dfrac{k_{\text{кат}}}{k} = \exp\dfrac{E_a - E_{a,\text{кат}}}{RT} = \exp\dfrac{25\,000}{8{,}314\cdot298}$.
  2. Показатель: $25\,000/2478 = 10{,}09$.
  3. $e^{10{,}09} \approx 2{,}4\cdot10^{4}$ — скорость выросла примерно в 24 тысячи раз.

Задача: параллельные реакции

Региональный — заключительный этап

Вещество A одновременно превращается в B (константа $k_1$) и в C ($k_2$), обе реакции первого порядка. Через 10 минут прореагировало 40 % A, а в смеси продуктов B в три раза больше, чем C. Найдите $k_1$ и $k_2$ и время, за которое прореагирует 90 % A.

  1. Суммарно A расходуется по первому порядку с $k = k_1 + k_2$: $\ln\dfrac{1}{0{,}60} = k\cdot10$ → $k = 0{,}0511$ мин⁻¹.
  2. Отношение продуктов параллельных реакций постоянно и равно отношению констант: $k_1/k_2 = 3$.
  3. $k_1 = 0{,}75k = 0{,}0383$ мин⁻¹, $k_2 = 0{,}25k = 0{,}0128$ мин⁻¹.
  4. 90 %: $t = \ln 10/k = 2{,}303/0{,}0511 \approx 45$ мин.
  5. $k_1 \approx 0{,}038$ мин⁻¹, $k_2 \approx 0{,}013$ мин⁻¹; 90 % A прореагирует примерно за 45 минут.

Шпаргалка

  • $v = k[\ce{A}]^m[\ce{B}]^n$; порядки — из опыта, не из уравнения.
  • Начальные скорости: во сколько раз выросла v при удвоении концентрации — $2^m$.
  • Прямая: [A] — нулевой, ln[A] — первый, 1/[A] — второй порядок.
  • t½ первого порядка $= \ln2/k$ и не зависит от $c_0$.
  • $\ln(k_2/k_1) = \frac{E_a}{R}(\frac1{T_1} - \frac1{T_2})$; γ = 2 при 298 К ↔ $E_a \approx 53$ кДж/моль.
  • Предравновесие: $v = k_2K[\dots]$; стационарность: $d[\ce{I}]/dt = 0$.
  • Катализатор не смещает равновесие.

Откуда материал

  • В. В. Еремин «Теоретическая и математическая химия для школьников» — кинетика.
  • В. В. Еремин, С. И. Каргов, И. А. Успенская и др. «Основы физической химии», ч. 2 — химическая кинетика.
  • П. Эткинс, Дж. де Паула «Физическая химия» — механизмы и катализ.
  • Списки литературы: olimpiada.ru, Химфак МГУ.

Раньше в разделе — химическая термодинамика.

← → листать · O все слайды · F весь экран · на телефоне — свайп · решения задач открываются по шагам: сначала попробуйте сами
Олимпиадная теория

Все конспекты раздела

Шесть конспектов — по два на неорганику, органику и физическую химию. Новые появляются по мере готовности.

Проверьте себя на задачах

Олимпиадные задачи с полным разбором — от школьного этапа до регионального.