Глава 4. Основы кинетики биохимических реакций и химического равновесия. (5-8)

1. Скорость химических реакции. Понятие о средней и истинной скорости реакции, о простых и сложных реакциях. Виды сложных реакций. Влияние концентрации реагентов на скорость химической реакции. Закон действующих масс, его применении к простым и сложным реакциям.

Скорость химической реакции определяется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

=

Истиннаяскорость химической реакции характеризуется скорость в данный момент времени (Δt  0)

 

Средняя скорость химической реации по данному компоненту является усредненной скоростью за данный промежуток времени.

Простые, или элементарные, реакции– это реакции, протекающие в одну стадию.

Сложные реакции– это реакции, протекающие в несколько стадий, каждая из которых является простой реакцией.

Виды сложных реакций:

Последовательно друг за другом

Параллельно

Последовательно-параллельно

Циклически

Влияние концентрации реагентов на скорость химической реакции заключается в том, что увеличение концентрацииреагентов соответствует увеличению числа частиц в объеме, что приводит к более частым их столкновениями, а, следовательно, к увеличению скорости реакции.

Количественная зависимость скорости реакции от концентрации выражается основным постулатом химической кинетики, называемым законом действующих масс:

«Скорость простой гомогенной реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в степени, численно равные их стехиометрическим коэффициентам».

(B)

Учебник: 98 - 100

2. Необратимые и обратимые реакции. Приведите примеры. Понятие о химическом равновесии. Кинетическое и термодинамическое условия равновесного состояния, их особенности. Константа химического равновесия, факторы, влияющие на ее значение.

Необратимыми называются реакции, которые протекают только в одном направлении до полного израсходования одного из реагирующих веществ.

Ba(ClO₂)₂ + H₂SO₄ → 2HClO₂ + BaSO₄↓

NaHCO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O + CO₂↑

2Ca + O₂ → 2CaO

Обратимыми называются процессы, в которых одновременно протекают две взаимно противоположные реакции – прямая и обратная.

3H₂ + N₂ ⇌ 2NH₃.

N₂O₄ ⇌ 2NO₂

H₂ + I₂ ⇌ 2HI

Химическим равновесием называется такое состояние обратимого процесса, при котором скорости прямо и обратной реакций равны.

Состояние химического равновесия имеет следующие особенности:

- Динамический характер химического равновесия – прямая и обратная реакции не прекращаются, а протекают с равными скоростями.

- Постоянство состояние химического равновесия о времени - при неизменных внешних условиях состав равновесной системы не меняется (равновесные концентрации постоянны).

- подвижность равновесия – при изменении внешних условий происходит смещение химического равновесия, т. е. установление новых равновесных концентраций всех реагирующих веществ.

- возможность подхода к состоянию равновесия с двух сторон – как со стороны исходных веществ, так и со стороны продуктов реакции.

Константа химического равновесия обратимого процесса равна отношению произведения равновесных концентраций конечных продуктов к произведению равновесных концентраций исходных веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам при формулах соответствующих веществ в уравнении химической реакции (закон действующих масс для обратимых процессов).

Термодинамическим условием наступления равновесия в любой системе является равенство нулю изменения энергии Гиббса =0, а также отсутствие изменения и других параметров системы во времени.

Факторы, влияющие на константу химического равновесия: природа реагирующих веществ и температура.

Учебник: 109 - 114

3. Закон действующих масс для обратимых процессов. Связь значений К_равн с изменением энергии Гиббса обратимого процесса. Напишите выражение К_равн следующих процессов:

А) Гомогенных 2H₂ (г.) + O₂ ⇌ 2H₂O (г.)

Б) Гетерогенных CO₂ (г.) + C (т.) ⇌ 2CO(г.)

В) Диссоциации в растворе: кислот CH₃COOH ⇌ CH₃COO^- + H⁺,

Оснований NH₄OH ⇌ NH₄⁺ + OH^-, комплексов [Cu(NH₃)₄]²⁺⇌ Cu²⁺ + 4NH₃

Г) Реакции в растворе: гидролиза соли CH₃COO^- + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH^-,

Окисление – восстановление S^2- + Sn⁴⁺ ⇌ S⁰ +Sn²⁺

Закон действующих масс для обратимых процессов: «Константа химического равновесия обратимого процесса равна отношению произведения равновесных концентраций конечных продуктов к произведению равновесных концентраций исходных веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам при формулах соответствующих веществ в уравнении химической реакции».

Связь К_равн и энергии Гиббса (G)

Если ⁰_р<0, то К_равн >1. Это означает, что в равновесной смеси преобладают продукты прямой реакции.

Если ⁰_р>0, то К_равн <1. Это означает, что в равновесной смеси преобладают исходные вещества.

К_равн следующих процессов:

А) Гомогенных 2H₂ (г.) + O₂ (г.) ⇌ 2H₂O (г.)

К_равн=

Б) Гетерогенных CO₂ (г.) + C (т.) ⇌ 2CO(г.)

К_равн=

В) Диссоциации в растворе: кислот CH₃COOH ⇌ CH₃COO^- + H⁺,

К_равн=

Оснований NH₄OH ⇌ NH₄⁺ + OH^-,

К_равн=

комплексов [Cu(NH₃)₄]²⁺⇌ Cu²⁺ + 4NH₃

К_равн=

Г) Реакции в растворе: гидролиза соли CH₃COO^- + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH^-,

К_равн=

Окисление – восстановление S^2- + Sn⁴⁺ ⇌ S⁰ +Sn²⁺

К_равн=

Учебник: 112-114.

4. Влияние температуры, давления, концентрации реагентов и катализатора на состояние равновесия (смещение равновесия, К_равн). Принцип Ле-Шателье, примените его к следующим обратимым процессам

а) N₂ (г.) + 3H₂ (г.) ⇌ 2NH₃ (г.), H<0

б) 2PH₃ (г.) ⇌ 2P (т.) + 3H₂ (г.), H>0

Повышение температуры вызывает смещение равновесия в сторону эндотермической реакции (H>0), а понижение температуры – в сторону экзотермической реакции (H<0). К_равн изменяется.

Давление в системе изменяет концентрацию только газообразных веществ, что вызывает смещение равновесия. Повышение давления в системе смещает химическое равновесие в направлении реакции, идущей с образованием меньшего числа молей газообразных веществ, т.е. в сторону уменьшения объема, а понижение давления в системе вызывает сдвиг равновесия в противоположную сторону. При равном числе молей газообразных исходных и конечных продуктов изменение давления не смещает химическое равновесие. При изменении давления, как и при изменении концентрации реагентов, величина К_равн не изменяется.

Увеличение концентрации исходных веществ вызывает смещение равновесия в сторону образования конечных продуктов. В то же время увеличение концентрации конечных продуктов вызывает смещение равновесия в сторону исходных веществ. К_равн не изменяется.

Принцип Ле-Шателье: «Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывать воздействие путем изменения концентрации реагентов, давления или температуры в системе, то равновесие всегда смещается в направлении той реакции, протекание которой ослабляет это воздействие».

а) N₂ (г.) + 3H₂ (г.) ⇌ 2NH₃ (г.), H<0 (экзотермическая реакция)

1) Наша система состоит из газов, следовательно, изменения давление будет влиять на смешение равновесия. При повышении давления равновесие системы будет смещаться в сторону, где находится меньшее количество молей газообразного вещества, т. е. в сторону NH₃ (конечных продуктов). При понижении давления равновесия системы будет смещаться в сторону реакции, идущей с образование большего числа молей газа, следовательно, в сторону исходных веществ.

2) При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, в сторону исходных веществ. При понижении температуры равновесие смещается в сторону экзотермической реакции, в сторону конечных продуктов.

3) Увеличение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону конечных продуктов => NH₃, и наоборот.

б) 2PH₃ (г.) ⇌ 2P (т.) + 3H₂ (г.), H>0 (эндотермическая реакция)

1) При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, следовательно, в сторону конечных продуктов реакции. При понижении температуры равновесие смещается в сторону экзотермической реакции, то есть в сторону исходных веществ.

2) Увеличение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону конечных продуктов реакции, и наоборот, уменьшение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону исходных веществ.

3) Так как в системе присутствует твердое вещество, то давление не будет влиять на смещение равновесия.

Учебник: 114-115