CH4(г) + 2H2O(г) →← 4H2(г) + CO2(г) > 0 1. Написать выражение Закона Действующих Масс для скорости реакции
2. Как изменится скорость реакции, если понизить концентрацию СH4
в 2 раза, а концентрацию H2O повысить в 2 раза?
3. Во сколько раз уменьшится скорость реакции, если понизить температуру на 20°С? Температурный коэффициент γ равен 2,5.
4. Написать выражение константы равновесия Кр
5. Куда сместится равновесие, если ↑ [H2] ; ↑ tº ; ↓ Р ?
6. Начальная концентрация СH4 равна 2 моль/л. Прореагировало 50% СH4. Равновесная концентрация H2O стала 5 моль/л. Рассчитать значение Кр.

1. Выражение Закона Действующих Масс для скорости реакции:
Согласно Закону Действующих Масс, скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степень, равную их стехиометрическому коэффициенту в равновесном уравнении реакции. В данной реакции стехиометрические коэффициенты для CH4 и H2O равны единице, а для H2 и CO2 - 4. Поэтому выражение Закона Действующих Масс для этой реакции имеет следующий вид:

v = k[CH4]^1[H2O]^2,

где v - скорость реакции, k - постоянная скорости реакции, [CH4] и [H2O] - концентрации CH4 и H2O соответственно.

2. Изменение скорости реакции при изменении концентраций веществ:
Если понизить концентрацию CH4 в 2 раза, то [CH4] станет равной 1/2 её исходного значения.
Если повысить концентрацию H2O в 2 раза, то [H2O] станет равной 2 её исходного значения.

Тогда, подставляя эти значения в выражение Закона Действующих Масс, получим:

v' = k([CH4]/2)^1([H2O]*2)^2 = k([CH4]/2)([H2O]^2*4) = k[CH4][H2O]^2*8.

Таким образом, скорость реакции уменьшится в 8 раз.

3. Изменение скорости реакции при изменении температуры:
Для определения, во сколько раз уменьшится скорость реакции, необходимо использовать уравнение Аррениуса:

k2 = k1 * exp(-ΔEa/R * (1/T2 - 1/T1)),

где k1 и T1 - константа скорости и температура в исходном состоянии, k2 и T2 - константа скорости и температура в новом состоянии, ΔEa - энергия активации реакции, R - универсальная газовая постоянная.

Рассчитываем новую константу скорости:

k2 = k1 * exp(-ΔEa/R * (1/(T1 - 20) - 1/T1)).

Скорость реакции пропорциональна константе скорости, поэтому скорость реакции при новой температуре будет равна:

v2 = k2[CH4][H2O]^2*8.

Сравниваем скорость реакции при новой температуре с исходной скоростью реакции:

v2/v1 = (k2[CH4][H2O]^2*8) / (k1[CH4][H2O]^2*8) = (k2/k1) * (1/8) * [CH4][H2O]^2.

Известно, что (k2/k1) * (1/8) = exp(-ΔEa/R * (1/(T1 - 20) - 1/T1)).

Зная, что температурный коэффициент γ равен 2,5, можно записать уравнение для (k2/k1) * (1/8):

(2,5)^(-20) = exp(-ΔEa/R * (1/(T1 - 20) - 1/T1)).

Найденное значение (2,5)^(-20) можно использовать для нахождения скорости реакции при новой температуре.

4. Выражение константы равновесия Кр:
Выражение константы равновесия Кр определяется разделением произведения концентраций продуктов реакции на произведение концентраций реагентов, каждую концентрацию возведенную в степень, равную стехиометрическому коэффициенту в равновесном уравнении реакции. В данной реакции стехиометрические коэффициенты для H2 и CO2 равны 4, поэтому выражение для Кр будет следующим:

Кр = ([H2]^4 * [CO2]) / ([CH4] * [H2O]^2).

5. Смещение равновесия реакции при изменении условий:
- Увеличение концентрации H2 сместит равновесие вправо, в сторону образования продуктов, чтобы уменьшить избыток H2.
- Увеличение температуры сместит равновесие реакции в ту сторону, где эндотермическая реакция проходит. В данном случае, это сместит равновесие влево, в сторону образования CH4 и H2O.
- Понижение давления сместит равновесие реакции в направлении, где меньше количество молей газа. В данной реакции, уравновешенное состояние имеет больше молей газа, поэтому равновесие будет смещено вправо, в сторону образования CO2 и H2.

6. Рассчитываем значение Кр:
Из условия известно, что равновесная концентрация H2O стала 5 моль/л. Поскольку стехиометрический коэффициент для H2O равен 2, то равновесная концентрация H2O в процессе равновесия равна (1/2) * 5 = 2,5 моль/л.
Также из условия известно, что начальная концентрация CH4 равна 2 моль/л, и 50% CH4 прореагировало, значит, в процессе равновесия концентрация CH4 будет равна (1/2) * 2 = 1 моль/л.
Подставим известные значения в уравнение для Кр:

Кр = ([H2]^4 * [CO2]) / ([CH4] * [H2O]^2) = (4^4 * [CO2]) / (1 * (2,5^2)).

Рассчитав Кр, получим окончательное значение.