Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ:
V = ± ((С 2 - С 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DС / Dt)
Где С 1 и С 2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t 1 и t 2 соответственно (знак (+) - если скорость определяется по продукту реакции, знак (-) - по исходному веществу).
Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее
скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что
они приведут к превращению. Число столкновений определяется
концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией
сталкивающихся молекул.
Факторы, влияющие на скорость химических реакций.
1. Природа реагирующих веществ.
Большую роль играет характер химических связей и строение молекул
реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных
связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва
связей в молекулах H 2 и N 2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H 2 O)
требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции
между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.
Примеры
Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.
Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.
2. Концентрация. С увеличением
концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят
столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.
Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.)
Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
AA + bB + . . . ® . . .
- [A] a [B] b . . .
Константа скорости реакции k зависит
от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не
зависит от значения концентраций реагентов.
Физический смысл константы скорости
заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных
концентрациях реагирующих веществ.
Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.
3. Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t 1 до t 2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:
| |
|
(t 2 - t 1) / 10 |
| Vt 2 / Vt 1 | = g | |
(где Vt 2 и Vt 1 - скорости реакции при температурах t 2 и t 1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции).
Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:
- e -Ea/RT
где
A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;
R - универсальная газовая постоянная ;
Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать
сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому
превращению.
Энергетическая диаграмма химической реакции.
| Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты.
Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.
4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения.
5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами . Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа ").
Мы постоянно сталкиваемся с различными химическими взаимодействиями. Сгорание природного газа, ржавление железа, скисание молока - далеко не все процессы, которые подробно изучаются в школьном курсе химии.
Для протекания одних реакций требуются доли секунд, а для некоторых взаимодействий нужны дни и недели.
Попробуем выявить зависимость скорости реакции от температуры, концентрации, иных факторов. В новом образовательном стандарте на данный вопрос отводится минимальное количество учебного времени. В тестах единого государственного экзамена есть задания на зависимость скорости реакции от температуры, концентрации и даже предлагаются расчетные задачи. Многие старшеклассники испытывают определенные сложности с поиском ответов на эти вопросы, поэтому подробно проанализируем данную тему.
Актуальность рассматриваемого вопроса
Информация о скорости реакции имеет важное практическое и научное значение. К примеру, в конкретном производстве веществ и продуктов от данной величины напрямую зависит производительность аппаратуры, стоимость товаров.
Классификация протекающих реакций
Существует прямая зависимость между агрегатным состоянием исходных компонентов и продуктов, образующихся в ходе гетерогенные взаимодействия.
Под системой принято подразумевать в химии вещество либо их совокупность.
Гомогенной считают такую систему, которая состоит из одной фазы (одинакового агрегатного состояния). В качестве ее примера можно упомянуть смесь газов, несколько различных жидкостей.
Гетерогенной является система, в которой реагирующие вещества находятся в виде газов и жидкостей, твердых тел и газов.
Существует не только зависимость скорости реакции от температуры, но и от того, в какой фазе используются компоненты, вступающие в анализируемое взаимодействие.
Для однородного состава характерно протекание процесса по всему объему, что существенно повышает его качество.
Если исходные вещества находятся в разных фазовых состояниях, в таком случае максимальное взаимодействие наблюдается на границе раздела фаз. К примеру, при растворении активного металла в кислоте, образование продукта (соли) наблюдается только на поверхности их соприкосновения.
Математическая зависимость между скоростью процесса и различными факторами
Как выглядит уравнение зависимости скорости химической реакции от температуры? Для гомогенного процесса скорость определяется количеством вещества, которое вступает во взаимодействие либо образуется в ходе реакции в объеме системы за единицу времени.
Для гетерогенного процесса скорость определяется через количество вещества, реагирующего либо получаемого в процессе на единице площади за минимальный промежуток времени.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Природа реагирующих веществ - одна из причин разной скорости протекания процессов. Например, щелочные металлы при комнатной температуре образуют с водой щелочи, причем процесс сопровождается интенсивным выделением газообразного водорода. Благородные металлы (золото, платина, серебро) не способны к подобным процессам ни при комнатной температуре, ни при нагревании.
Природа реагирующих веществ - тот фактор, который учитывают в химической промышленности, чтобы повысить рентабельность производства.
Выявлена зависимость между концентрацией реагентов и быстротой протекания химической реакции. Чем она будет выше, тем больше частиц будет сталкиваться, следовательно, процесс будет протекать быстрее.
Закон действующих масс в математическом виде описывает прямо пропорциональную зависимость между концентрацией исходных веществ и быстротой протекания процесса.
Он был сформулирован в середине девятнадцатого века русским химиком Н. Н. Бекетовым. Для каждого процесса определяется константа реакции, которая не связана ни с температурой, ни с концентрацией, ни с природой реагирующих веществ.
Для того чтобы ускорить реакцию, в которой участвует твердое вещество, нужно измельчить его до порошкообразного состояния.
При этом происходит возрастание площади поверхности, что позитивно сказывается на быстроте протекания процесса. Для дизельного топлива применяют специальную систему впрыска, благодаря чему при соприкосновении ее с воздухом скорость процесса сгорания смеси углеводородов существенно возрастает.
Нагревание
Зависимость скорости химической реакции от температуры объясняется молекулярно-кинетической теорией. Она позволяет провести расчет количества соударений между молекулами реагентов при определенных условиях. Если вооружиться подобной информацией, то при обычных условиях все процессы должны протекать мгновенно.
Но если рассмотреть конкретный пример зависимости скорости реакции от температуры, оказывается, что для взаимодействия необходимо сначала разорвать химические связи между атомами, чтобы из них образовались новые вещества. Это требует существенных затрат энергии. Какова зависимость скорости реакции от температуры? Энергия активации определяет возможность разрыва молекул, именно она характеризует реальность процессов. Ее единицами измерения является кДж/моль.
При недостаточном показателе энергии столкновение будет малоэффективным, поэтому оно не сопровождается образованием новой молекулы.
Графическое представление
Зависимость скорости химической реакции от температуры можно представить графически. При нагревании число столкновений между частицами возрастает, что способствует ускорению взаимодействия.
Как выглядит график зависимости скорости реакции от температуры? По горизонтали откладывается энергия молекул, а по вертикали указывается число частиц, имеющих высокий энергетический запас. Графиком является кривая, по которой можно судить о скорости протекания конкретного взаимодействия.
Чем больше будет отличие энергии от среднего показателя, тем дальше располагается от максимума точка кривой, и меньший процент молекул имеет такой запас энергии.
Важные аспекты
Можно ли записать уравнение зависимости константы скорости реакции от температуры? Ее повышение отражается на увеличении скорости процесса. Такая зависимость характеризуется определенной величиной, называемой температурным коэффициентом скорости процесса.
Для любого взаимодействия выявлена зависимость константы скорости реакции от температуры. В случае ее повышения на 10 градусов происходит увеличение скорости процесса в 2-4 раза.
Зависимость скорости гомогенных реакций от температуры можно представить в математическом виде.
Для большинства взаимодействий при комнатной температуре коэффициент находится в диапазоне от 2 до 4. К примеру, при значении температурного коэффициента 2,9 рост температуры на 100 градусов ускоряет процесс почти в 50000 раз.
Зависимость скорости реакции от температуры легко можно объяснить разной величиной энергии активации. Минимальную величину она имеет при проведении ионных процессов, которые определяются только взаимодействием катионов и анионов. Многочисленные эксперименты свидетельствуют о мгновенном протекании подобных реакций.
При высоком значении энергии активации лишь незначительное количество столкновений между частицами будет приводить к осуществлению взаимодействия. При среднем значении энергии активации, реагенты будут взаимодействовать со средней скоростью.
Задания на зависимость скорости реакции от концентрации и температуры рассматриваются только на старшей ступени обучения, часто вызывают у ребят серьезные затруднения.
Измерение быстроты протекания процесса
Те процессы, которые нуждаются в существенной энергии активации, предполагают первоначальный разрыв либо ослабление связей между атомами в исходных веществах. При этом происходит их переход в некое промежуточное состояние, именуемое активированным комплексом. Он является неустойчивым состоянием, довольно быстро распадается на продукты реакции, процесс сопровождается выделением дополнительной энергии.
В простейшем варианте активированный комплекс является конфигурацией атомов с ослабленными старыми связями.
Ингибиторы и катализаторы
Проанализируем зависимость скорости ферментативной реакции от температуры среды. Такие вещества осуществляют функцию ускорителей процесса.
Сами они не являются участниками взаимодействия, их количество после завершения процесса остается без изменений. Если катализаторы способствуют увеличению скорости реакции, то ингибиторы, напротив, замедляют этот процесс.
Суть этого заключается в образовании промежуточных соединений, в результате чего и наблюдается изменение быстроты протекания процесса.
Заключение
В мире ежеминутно происходят разнообразные химические взаимодействия. Как установить зависимость скорости реакции от температуры? Уравнение Аррениуса является математическим объяснением связи константы скорости и температуры. Оно дает представление о тех значениях энергии активации, при которых возможно разрушение либо ослабление связей между атомами в молекулах, распределение частиц в новые химические вещества.
Благодаря молекулярно-кинетической теории можно предсказывать вероятность протекания взаимодействий между исходными компонентами, рассчитывать скорость протекания процесса. Среди тех факторов, которые оказывают воздействие на скорость реакции, особое значение имеет изменение температурного показателя, процентной концентрации взаимодействующих веществ, площадь поверхности соприкосновения, присутствие катализатора (ингибитора), а также природа взаимодействующих компонентов.
Скорость химической реакции
Тема «Скорость химической
реакции», пожалуй, наиболее сложная и
противоречивая в школьной программе. Это связано
со сложностью самой химической кинетики –
одного из разделов физической химии.
Неоднозначно уже само определение понятия
«скорость химической реакции» (см., например,
статью Л.С.Гузея в газете «Химия», 2001, № 28,
с. 12). Еще больше проблем возникает при попытке
применить закон действующих масс для скорости
реакции к любым химическим системам, ведь круг
объектов, для которых возможно количественное
описание кинетических процессов в рамках
школьной программы, очень узок. Хотелось бы особо
отметить некорректность использования закона
действующих масс для скорости химической
реакции при химическом равновесии.
В то же время вообще отказаться от рассмотрения
этой темы в школе было бы неверным. Представления
о скорости химической реакции очень важны при
изучении многих природных и технологических
процессов, без них невозможно говорить о
катализе и катализаторах, в том числе и о
ферментах. Хотя при обсуждении превращений
веществ используются в основном качественные
представления о скорости химической реакции,
введение простейших количественных соотношений
все же желательно, особенно для элементарных
реакций.
В публикуемой статье достаточно подробно
рассматриваются вопросы химической кинетики,
которые можно обсуждать на школьных уроках
химии. Исключение из курса школьной химии
спорных и противоречивых моментов этой темы
особенно важно для тех учащихся, кто собирается
продолжить свое химическое образование в вузе.
Ведь полученные в школе знания нередко вступают
в противоречие с научной реальностью.
Химические реакции могут существенно различаться по времени протекания. Смесь водорода и кислорода при комнатной температуре может долгое время оставаться практически без изменений, однако при ударе или поджигании произойдет взрыв. Железная пластина медленно ржавеет, а кусочек белого фосфора самовоспламеняется на воздухе. Важно знать, насколько быстро протекает та или иная реакция, чтобы иметь возможность контролировать ее ход.
Основные понятия
Количественной характеристикой того, насколько быстро протекает данная реакция, является скорость химической реакции, т. е. скорость расходования реагентов или скорость появления продуктов. При этом безразлично, о каком из участвующих в реакции веществе идет речь, поскольку все они связаны между собой через уравнение реакции. По изменению количества одного из веществ можно судить о соответствующих изменениях количеств всех остальных.
Скоростью химической реакции () называют изменение количества вещества реагента или продукта () за единицу времени () в единице объема (V ):
= /(V ).
Скорость реакции в данном случае обычно выражается в моль/(л с).
Приведенное выражение относится к гомогенным химическим реакциям, протекающим в однородной среде, например между газами или в растворе:
2SO 2 + O 2 = 2SO 3 ,
BаСl 2 + Н 2 SO 4 = ВаSО 4 + 2НСl.
Гетерогенные химические реакции идут на поверхности соприкосновения твердого вещества и газа, твердого вещества и жидкости и т.п. К гетерогенным реакциям относятся, например, реакции металлов с кислотами:
Fе + 2НСl = FeСl 2 + Н 2 .
В этом случае скоростью реакции называют изменение количества вещества реагента или продукта () за единицу времени () на единице поверхности (S):
= /(S ).
Скорость гетерогенной реакции выражается в моль/(м 2 с).
Чтобы управлять химическими реакциями, важно не только уметь определять их скорости, но и выяснить, какие условия оказывают на них влияние. Раздел химии, изучающий скорость химических реакций и влияние на нее различных факторов, называется химической кинетикой .
Частота соударений реагирующих частиц
Важнейший фактор, определяющий скорость химической реакции, – концентрация .
При повышении концентрации реагирующих веществ скорость реакции, как правило, возрастает. Для того чтобы вступить в реакцию, две химические частицы должны сблизиться, поэтому скорость реакции зависит от числа столкновений между ними. Увеличение числа частиц в данном объеме приводит к более частым столкновениям и к возрастанию скорости реакции.
Для гомогенных реакций повышение концентрации одного или нескольких реагирующих веществ приведет к увеличению скорости реакции. При понижении концентрации наблюдается противоположный эффект. Концентрация веществ в растворе может быть изменена путем добавления или удаления из сферы реакции реагирующих веществ или растворителя. В газах концентрация одного из веществ может быть увеличена путем введения дополнительного количества этого вещества в реакционную смесь. Концентрации всех газообразных веществ можно увеличить одновременно, уменьшая объем, занимаемый смесью. При этом скорость реакции возрастет. Увеличение объема приводит к обратному результату.
Скорость гетерогенных реакций зависит от площади поверхности соприкосновения веществ , т.е. от степени измельчения веществ, полноты смешивания реагентов, а также от состояния кристаллических структур твердых тел. Любые нарушения в кристаллической структуре вызывают увеличение реакционной способности твердых тел, т.к. для разрушения прочной кристаллической структуры требуется дополнительная энергия.
Рассмотрим горение древесины. Целое полено горит на воздухе сравнительно медленно. Если увеличить поверхность соприкосновения дерева с воздухом, расколов полено на щепки, скорость горения увеличится. Вместе с тем древесина горит в чистом кислороде значительно быстрее, чем на воздухе, который содержит лишь около 20% кислорода.
Для протекания химической реакции должно произойти столкновение частиц – атомов, молекул или ионов. В результате столкновений происходит перегруппировка атомов и возникают новые химические связи, что приводит к образованию новых веществ. Вероятность столкновения двух частиц достаточно высока, вероятность одновременного столкновения трех частиц существенно меньше. Одновременное столкновение четырех частиц чрезвычайно маловероятно. Поэтому большинство реакций протекает в несколько стадий, на каждой из которых происходит взаимодействие не более трех частиц.
Реакция окисления бромоводорода протекает с заметной скоростью при 400–600 °С:
4НВr + O 2 = 2Н 2 О + 2Вr 2 .
В соответствии с уравнением реакции одновременно должно столкнуться пять молекул. Однако вероятность такого события практически равна нулю. Более того, экспериментальные исследования показали, что повышение концентрации – либо кислорода, либо бромоводорода – увеличивает скорость реакции в одно и то же число раз. И это при том, что на каждую молекулу кислорода расходуется четыре молекулы бромоводорода.
Детальное рассмотрение данного процесса показывает, что он протекает в несколько стадий:
1) НBr + О 2 = НООВr (медленная реакция);
2) НООВr + НВr = 2НОВr (быстрая реакция);
3) НОВr + НВr = Н 2 О + Вr 2 (быстрая реакция).
Приведенные реакции, так называемые элементарные реакции , отражают механизм реакции окисления бромоводорода кислородом. Важно отметить, что в каждой из промежуточных реакций участвует только по две молекулы. Сложение первых двух уравнений и удвоенного третьего дает суммарное уравнение реакции. Общая же скорость реакции определяется наиболее медленной промежуточной реакцией, в которой взаимодействуют одна молекула бромоводорода и одна молекула кислорода.
Скорость элементарных реакций прямо пропорциональна произведению молярных концентраций с (с – это количество вещества в единице объема, с = /V ) реагентов, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам (закон действующих масс для скорости химической реакции). Это справедливо лишь для уравнений реакций, отражающих механизмы реальных химических процессов, когда стехиометрические коэффициенты перед формулами реагентов соответствуют числу взаимодействующих частиц.
По числу взаимодействующих в реакции молекул различают реакции мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные. Например, диссоциация молекулярного йода на атомы: I 2 = 2I – мономолекулярная реакция.
Взаимодействие йода с водородом: I 2 + Н 2 = 2HI – бимолекулярная реакция. Закон действующих масс для химических реакций разной молекулярности записывается по-разному.
Мономолекулярные реакции:
А = В + С,
= kc A ,
где k – константа скорости реакции.
Бимолекулярные реакции:
= kc A c В.
Тримолекулярные реакции:
= kc 2 A c В.
Энергия активации
Столкновение химических частиц приводит к химическому взаимодействию лишь в том случае, если сталкивающиеся частицы обладают энергией, превышающей некоторую определенную величину. Рассмотрим взаимодействие газообразных веществ, состоящих из молекул А 2 и В 2:
А 2 + В 2 = 2АВ.
В ходе химической реакции происходит перегруппировка атомов, сопровождающаяся разрывом химических связей в исходных веществах и образованием связей в продуктах реакции. При столкновении реагирующих молекул сначала образуется так называемый активированный комплекс , в котором происходит перераспределение электронной плотности, и лишь потом получается конечный продукт реакции:
Энергию, необходимую для перехода веществ в состояние активированного комплекса, называют энергией активации .
Активность химических веществ проявляется в низкой энергии активации реакций с их участием. Чем ниже энергия активации, тем выше скорость реакции. Например, в реакциях между катионами и анионами энергия активации очень мала, поэтому такие реакции протекают почти мгновенно. Если энергия активации велика, то очень малая часть соударений приводит к образованию новых веществ. Так, скорость реакции между водородом и кислородом при комнатной температуре практически равна нулю.
Итак, на скорость реакции оказывает влияние природа реагирующих веществ . Рассмотрим для примера реакции металлов с кислотами. Если опустить в пробирки с разбавленной серной кислотой одинаковые кусочки меди, цинка, магния и железа, можно увидеть, что интенсивность выделения пузырьков газообразного водорода, характеризующая скорость протекания реакции, для этих металлов существенно различается. В пробирке с магнием наблюдается бурное выделение водорода, в пробирке с цинком пузырьки газа выделяются несколько спокойнее. Еще медленнее протекает реакция в пробирке с железом (рис.). Медь вообще не вступает в реакцию с разбавленной серной кислотой. Таким образом, скорость реакции зависит от активности металла.
При замене серной кислоты (сильной кислоты) на уксусную (слабую кислоту) скорость реакции во всех случаях существенно замедляется. Можно сделать вывод, что на скорость реакции металла с кислотой влияет природа обоих реагентов – как металла, так и кислоты.
Повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии химических частиц, т.е. увеличивает число частиц, имеющих энергию выше энергии активации. При повышении температуры число столкновений частиц также увеличивается, что в некоторой степени увеличивает скорость реакции. Однако повышение эффективности столкновений за счет увеличения кинетической энергии оказывает большее влияние на скорость реакции, чем увеличение числа столкновений.
При повышении температуры на десять градусов скорость увеличивается в число раз, равное температурному коэффициенту скорости :
= T +10 /T .
При повышении температуры от T
до T
"
отношение скоростей реакций T
" и T
равно
температурному коэффициенту скорости в степени (T
"
– T
)/10:
T " /T = (T "–T )/10.
Для многих гомогенных реакций температурный коэффициент скорости равен 24 (правило Вант-Гоффа). Зависимость скорости реакции от температуры можно проследить на примере взаимодействия оксида меди(II) с разбавленной серной кислотой. При комнатной температуре реакция протекает очень медленно. При нагревании реакционная смесь быстро окрашивается в голубой цвет за счет образования сульфата меди(II):
СuО + Н 2 SО 4 = СuSO 4 + Н 2 О.
Катализаторы и ингибиторы
Многие реакции можно ускорить или замедлить путем введения некоторых веществ. Добавляемые вещества не участвуют в реакции и не расходуются в ходе ее протекания, но оказывают существенное влияние на скорость реакции. Эти вещества изменяют механизм реакции (в том числе состав активированного комплекса) и понижают энергию активации, что обеспечивает ускорение химических реакций. Вещества – ускорители реакций называют катализаторами , а само явление такого ускорения реакции – катализом .
Многие реакции в отсутствие катализаторов протекают очень медленно или не протекают совсем. Одной из таких реакций является разложение пероксида водорода:
2Н 2 О 2 = 2Н 2 О + О 2 .
Если опустить в сосуд с водным раствором пероксида водорода кусочек твердого диоксида марганца, то начнется бурное выделение кислорода. После удаления диоксида марганца реакция практически прекращается. Путем взвешивания нетрудно убедиться, что диоксид марганца в данном процессе не расходуется – он лишь катализирует реакцию.
В зависимости от того, в одинаковых или различных агрегатных состояниях находится катализатор и реагирующие вещества, различают гомогенный и гетерогенный катализ.
При гомогенном катализе катализатор может ускорить реакцию путем образования промежуточных веществ за счет взаимодействия с одним из исходных реагентов. Например:
При гетерогенном катализе химическая реакция обычно протекает на поверхности катализатора:
Катализаторы широко распространены в природе. Практически все превращения веществ в живых организмах протекают с участием органических катализаторов – ферментов.
Катализаторы используют в химическом производстве для ускорения тех или иных процессов. Кроме них применяют также вещества, замедляющие химические реакции, – ингибиторы . С помощью ингибиторов, в частности, защищают металлы от коррозии.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
| Увеличивают скорость | Уменьшают скорость |
|---|---|
| Наличие химически активных реагентов | Наличие химически неактивных реагентов |
| Повышение концентрации реагентов | Понижение концентрации реагентов |
| Увеличение поверхности твердых и жидких реагентов | Уменьшение поверхности твердых и жидких реагентов |
| Повышение температуры | Понижение температуры |
| Присутствие катализатора | Присутствие ингибитора |
ЗАДАНИЯ
1. Дайте определение скорости химической реакции. Напишите выражение кинетического закона действующих масс для следующих реакций:
а) 2С (тв.) + О 2 (г.) = 2СО (г.);
б) 2НI (г.) = Н 2 (г.) + I 2 (г.).
2. От чего зависит скорость химической реакции? Приведите математическое выражение зависимости скорости химической реакции от температуры.
3. Укажите, как влияет на скорость реакции (при постоянном объеме):
а) увеличение концентрации реагентов;
б) измельчение твердого реагента;
в) понижение температуры;
г) введение катализатора;
д) уменьшение концентрации реагентов;
е) повышение температуры;
ж) введение ингибитора;
з) уменьшение концентрации продуктов.
4. Рассчитайте скорость химической реакции
СО (г.) + Н 2 О (г.) = СО 2 (г.) + Н 2 (г.)
в сосуде емкостью 1 л, если через 1 мин 30 с после ее начала количество вещества водорода было 0,32 моль, а через 2 мин 10 с стало 0,44 моль. Как повлияет на скорость реакции увеличение концентрации СО?
5. В результате одной реакции за определенный промежуток времени образовалось 6,4 г йодоводорода, а в другой реакции в тех же условиях – 6,4 г диоксида серы. Сравните скорости этих реакций. Как изменятся скорости этих реакций при повышении температуры?
6. Определите скорость реакции
СО (г.) + Сl 2 (г.) = СОCl 2 (г.),
если через 20 с после начала реакции исходное
количество вещества оксида углерода(II)
уменьшилось c 6 моль в 3 раза (объем реактора равен
100 л). Как изменится скорость реакции, если вместо
хлора использовать менее активный бром? Как
изменится скорость реакции при введении
а) катализатора; б) ингибитора?
7. В каком случае реакция
СaО (тв.) + СО 2 (г.) = СaCO 3 (тв.)
протекает быстрее: при использовании крупных
кусков или порошка оксида кальция? Рассчитайте:
а) количество вещества; б) массу карбоната
кальция, образовавшегося за 10 с, если скорость
реакции составляет 0,1 моль/(л с), объем реактора
равен 1 л.
8. Взаимодействие образца магния с хлороводородной кислотой НСl позволяет получить 0,02 моль хлорида магния через 30 с после начала реакции. Определите, за какое время можно получить 0,06 моль хлорида магния.
Е) от 70 до 40 °С скорость реакции уменьшилась в 8
раз;
ж) от 60 до 40 °С скорость реакции уменьшилась в
6,25 раза;
з) от 40 до 10 °С скорость реакции уменьшилась в 27
раз.
11. Владелец автомашины покрасил ее новой краской, а затем обнаружил, что согласно инструкции она должна сохнуть 3 ч при 105 °С. За какое время высохнет краска при 25 °С, если температурный коэффициент реакции полимеризации, лежащей в основе этого процесса, равен: а) 2; б) 3; в) 4?
ОТВЕТЫ НА ЗАДАНИЯ
1. а) = kc (О 2); б) = kc (HI) 2 .
2. T +10 = T .
3. Скорость реакции увеличивается в случаях а, б, г, е; уменьшается – в, д, ж; не изменяется – з.
4. 0,003 моль/(л с). При увеличении концентрации СО скорость реакции возрастает.
5. Скорость первой реакции в 2 раза ниже.
6. 0,002 моль/(л с).
7. а) 1 моль; б) 100 г.
9. Увеличатся в 2 раза скорости реакций д, ж, з; в 4 раза – а, б, е; в 8 раз – в, г.
10. Температурный коэффициент:
2 для реакций б, е; = 2,5 – в, ж; = 3 – д, з; = 3,5 – а, г.
а) 768 ч (32 сут, т. е. более 1 месяца);
б) 19 683 ч (820 сут, т. е. более 2 лет);
в) 196 608 ч (8192 сут, т. е. 22 года).
Химические методы
Методы измерения скорости реакции
В приведенном выше примере скорость реакции между карбонатом кальция и кислотой измеряли путем изучения зависимости объема выделившегося газа от времени. Опытные данные о скоростях реакций можно получать измерением других величин.
Если в ходе реакции изменяется общее количество газообразных веществ, то за ее протеканием можно наблюдать, измеряя давление газа при постоянном объеме. В тех случаях, когда одно из исходных веществ или один из продуктов реакции окрашены, за ходом реакции можно следить, наблюдая изменение окраски раствора. Другим оптическим методом является измерение вращения плоскости поляризации света (если исходные вещества и продукты реакции обладают различной вращающей способностью).
Некоторые реакции сопровождаются изменением числа ионов в растворе. В таких случаях скорость реакции можно изучать путем измерения электрической проводимости раствора. В следующей главе будут рассмотрены некоторые другие электрохимические методы, которые могут быть использованы для измерения скоростей реакций.
За ходом реакции можно следить, измеряя во времени концентрацию одного из участников реакции с помощью разнообразных методов химического анализа. Реакцию проводят в термостатированном сосуде. Через определенные промежутки времени из сосуда отбирают пробу раствора (или газа) и определяют концентрацию одного из компонентов. Для получения надежных результатов важно, чтобы в пробе, отобранной для анализа, реакция не происходила. Это достигается путем химического связывания одного из реагентов, резким охлаждением или разбавлением раствора.
Экспериментальные исследования показывают, что скорость реакции зависит от нескольких факторов. Рассмотрим влияние этих факторов вначале на качественном уровне.
1.Природа реагирующих веществ. Из лабораторной практики мы знаем, что нейтрализация кислоты основанием
Н + + ОН – ® Н 2 О
взаимодействие солей с образованием малорастворимого соединения
Ag + + Cl – ® AgCl
и другие реакции в растворах электролитов происходят очень быстро. Время, необходимое для завершения таких реакций, измеряется в миллисекундах и даже в микросекундах. Это вполне понятно, т.к. сущность таких реакций состоит в сближении и соединении заряженных частиц с зарядами противоположного знака.
В противоположность ионным реакциям взаимодействие между ковалентно связанными молекулами обычно протекает гораздо медленнее. Ведь в ходе реакции между такими частицами должен произойти разрыв связей в молекулах исходных веществ. Для этого сталкивающиеся молекулы должны обладать определенным запасом энергии. Кроме того,если молекулы достаточно сложны, для того, чтобы произошла между ними реакция, они должны быть определенным образом ориентированы в пространстве.
2. Концентрация реагирующих веществ . Скорость химической реакции, при прочих равных условиях, зависит от числа столкновений реагирующих частиц в единицу времени. Вероятность столкновений зависит от количества частиц в единице объема, т.е. от концентрации. Поэтому скорость реакции увеличивается с повышением концентрации.
3. Физическое состояние веществ . В гомогенных системах скорость реакции зависит от числа столкновений частиц в объеме раствора (или газа). В гетерогенных системах химическое взаимодействие происходит на поверхности раздела фаз . Увеличение площади поверхности твердого вещества при его измельчении облегчает доступ реагирующих частиц к частицам твердого вещества, что приводит к существенному ускорению реакции.
4. Температура оказывает существенное влияние на скорость разнообразных химических и биологических процессов. При увеличении температуры повышается кинетическая энергия частиц, а, следовательно, увеличивается доля частиц, энергия которых достаточна для химического взаимодействия.
5. Стерический фактор характеризует необходимость взаимной ориентации реагирующих частиц. Чем сложнее молекулы, тем меньше вероятность их должной ориентации, тем меньше эффективность столкновений.
6. Наличие катализаторов . Катализаторами называются вещества, в присутствии которых изменяется скорость химической реакции. Вводимые в реакционную систему в небольших количествах и остающиеся после реакции неизменившимися, они способны чрезвычайно менять скорость процесса.
Основные факторы, от которых зависит скорость реакции, будут подробнее рассмотрены ниже.
При определении понятия скорости химической реакции необходимо различать гомогенные и гетерогенные реакции. Если реакция протекает в гомогенной системе, например, в растворе или в смеси газов, то она идет во всем объеме системы. Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объема системы. Поскольку отношение числа молей вещества к объему, в котором оно распределено, есть молярная концентрация вещества, скорость гомогенной реакции можно также определить как изменение концентрации в единицу времени какого-либо из веществ: исходного реагента или продукта реакции . Чтобы результат расчета всегда был положительным, независимо, от того, производится он по реагенту или продукту, в формуле используется знак «±»:
В зависимости от характера реакции время может быть выражено не только в секундах, как требует система СИ, но также в минутах или часах. В ходе реакции величина ее скорости не постоянна, а непрерывно изменяется: уменьшается, так как уменьшаются концентрации исходных веществ. Вышеприведенный расчет дает среднее значение скорости реакции за некоторый интервал времени Δτ = τ 2 – τ 1 . Истинная (мгновенная) скорость определяется как предел к которому стремится отношение ΔС / Δτ при Δτ → 0, т. е. истинная скорость равна производной концентрации по времени.
Для реакции, в уравнении которой есть стехиометрические коэффициенты, отличающиеся от единицы, значения скорости, выраженные по разным веществам, неодинаковы. Например для реакции А + 3В = D + 2Е расход вещества А равен одному молю, вещества В – трем молям, приход вещества Е – двум молям. Поэтому υ (А) = ⅓υ (В) = υ (D) =½υ (Е) или υ (Е) . = ⅔υ (В) .
Если реакция протекает между веществами, находящимися в различных фазах гетерогенной системы, то она может идти только на поверхности раздела этих фаз. Например, взаимодействие раствора кислоты и куска металла происходит только на поверхности металла. Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз:
.
Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные коэффициентам при формулах этих веществ в уравнении реакции . Тогда для реакции
2А + В → продукты
справедливо соотношение υ ~ ·С А 2 ·С В, а для перехода к равенству вводится коэффициент пропорциональности k , называемый константой скорости реакции :
υ = k ·С А 2 ·С В = k ·[А] 2 ·[В]
(молярные концентрации в формулах могут обозначаться как буквой С с соответствующим индексом, так и формулой вещества, заключенной в квадратные скобки). Физический смысл константы скорости реакции – скорость реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л. Размерность константы скорости реакции зависит от числа сомножителей в правой части уравнения и может быть с –1 ; с –1 ·(л/моль); с –1 ·(л 2 /моль 2) и т. п., то есть такой, чтобы в любом случае при вычислениях скорость реакции выражалась в моль·л –1 ·с –1 .
Для гетерогенных реакций в уравнение закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, представляет постоянную величину и входит в константу скорости, например, для процесса горения угля С + О 2 = СО 2 закон действия масс записывается:
υ = k I ·const··= k ·,
где k = k I ·const.
В системах, где одно или несколько веществ являются газами, скорость реакции зависит также и от давления. Например, при взаимодействии водорода с парами иода H 2 + I 2 =2HI скорость химической реакции будет определяться выражением:
υ = k ··.
Если увеличить давление, например, в 3 раза, то во столько же раз уменьшится объем, занимаемый системой, и, следовательно, во столько же раз увеличатся концентрации каждого из реагирующих веществ. Скорость реакции в этом случае возрастет в 9 раз
Зависимость скорости реакции от температуры описывается правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2‑4 раза . Это означает, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость химической реакции возрастает в геометрической прогрессии. Основанием в формуле прогрессии является температурный коэффициент скорости реакции γ, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость данной реакции (или, что то же самое – константа скорости) при росте температуры на 10 градусов. Математически правило Вант-Гоффа выражается формулами:
или 
где и – скорости реакции соответственно при начальной t 1 и конечной t 2 температурах. Правило Вант-Гоффа может быть также выражено следующими соотношениями:
; 
; 
; 
,
где и – соответственно скорость и константа скорости реакции при температуре t ; и – те же величины при температуре t +10n ; n – число «десятиградусных» интервалов (n =(t 2 –t 1)/10), на которые изменилась температура (может быть числом целым или дробным, положительным или отрицательным).
Примеры решения задач
Пример 1. Как изменится скорость реакции 2СO + О 2 = 2СО 2 , протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 2 раза?
Решение:
Скорость указанной химической реакции определяется выражением:
υ нач = k ·[СО] 2 ·[О 2 ].
Увеличение давления приводит к увеличению концентрации обоих реагентов в 2 раза. С учетом этого перепишем выражение закона действующих масс:
υ 1 = k · 2 · = k ·2 2 [СО] 2 ·2[О 2 ] = 8k ·[СО] 2 ·[О 2 ] = 8 υ нач.
Ответ: Скорость реакции увеличится в 8 раз.
Пример 2. Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, если повысить температуру системы от 20 °С до 100 °С, приняв значение температурного коэффициента скорости реакции равным 3.
Решение:
Отношение скоростей реакции при двух разных температурах связано с температурным коэффициентом и изменением температуры формулой:
Вычисление:
Ответ: Скорость реакции увеличится в 6561 раз.
Пример 3. При изучении гомогенной реакции А + 2В = 3D установлено, что в течение 8 минут протекания реакции количество вещества А в реакторе уменьшилось с 5,6 моль, до 4,4 моль. Объем реакционной массы составлял 56 л. Вычислить среднюю скорость химической реакции за исследованный промежуток времени по веществам А, В и D.
Решение:
Используем формулу в соответствии с определением понятия «средняя скорость химической реакции» и подставляем численные значения, получая среднюю скорость по реагенту А:
Из уравнения реакции следует, что по сравнению со скоростью убыли вещества А скорость убыли вещества В вдвое больше, а скорость увеличения количества продукта D – втрое больше. Следовательно:
υ (А) = ½υ (В) =⅓υ (D)
и тогда υ (В) = 2υ (А) = 2·2,68·10 –3 = 6, 36·10 –3 моль·л –1 ·мин –1 ;
υ (D) = 3υ (А) = 3·2,68·10 –3 = 8, 04·10 –3 моль·л –1 ·мин –1
Ответ: υ (А) =2,68·10 –3 моль·л –1 ·мин –1 ; υ (В) = 6, 36·10 –3 моль·л –1 ·мин –1 ; υ (D) = 8, 04·10 –3 моль·л –1 ·мин –1 .
Пример 4. Для определения константы скорости гомогенной реакции А + 2В → продукты было проведено два опыта при различных концентрациях вещества В и измерена скорость реакции.