Тема №31 «Швидкість хімічної реакції, її залежність від різних факторів.»

1. Зміст Гомогенні і гетерогенні хімічні реакції температура Ендотермічна і екзотермічні реакції...
3. Ендотермічна і екзотермічні реакції
4. Концентрація реагуючих речовин
5. дія каталізаторів
6. Природа реагуючих речовин (їх склад, будова)
7. Поверхня зіткнення реагуючих речовин

Зміст

1. Гомогенні і гетерогенні хімічні реакції
2. температура
3. Ендотермічна і екзотермічні реакції
4. Концентрація реагуючих речовин
5. дія каталізаторів
6. Природа реагуючих речовин
7. Поверхня зіткнення реагуючих речовин
8. шпаргалка
9. Завдання для самоперевірки

Гомогенні і гетерогенні хімічні реакції

Хімічні реакції протікають з різними швидкостями: з малою швидкістю - при утворенні сталактитів і сталагмітів, із середньою швидкістю - при варінні їжі, миттєво - під час вибуху. Дуже швидко проходять реакції у водних розчинах.

Визначення швидкості хімічної реакції, а також з'ясування її залежності від умов проведення процесу - завдання хімічної кінетики - науки про закономірності перебігу хімічних реакцій в часі.

Якщо хімічні реакції відбуваються в однорідному середовищі, наприклад в розчині або в газовій фазі, то взаємодія реагуючих речовин відбувається у всьому обсязі. Такі реакції називають гомогенними.

Швидкість гомогенної реакції (vгомог) визначається як зміною кількості речовини в одиницю часу в одиниці об'єму:

де Δn - зміна числа молей одного речовини (найчастіше вихідного, але може бути і продукту реакції); Δt - інтервал часу (с, хв); V - об'єм газу або розчину (л).

Оскільки відношення кількості речовини до об'єму є молярна концентрація С, то

Таким чином, швидкість гомогенної реакції визначається як зміна концентрації однієї з речовин в одиницю часу:

якщо обсяг системи не змінюється.

Якщо реакція йде між речовинами, що знаходяться в різних агрегатних станах (наприклад, між твердою речовиною і газом або рідиною), або між речовинами, нездатними утворювати однорідну середу (наприклад, між несмешивающимися рідинами), то вона проходить тільки на поверхні зіткнення речовин. Такі реакції називають гетерогенними.

Швидкість гетерогенної реакції визначається як зміна кількості речовини в одиницю часу на одиниці поверхні.

де S - площа поверхні зіткнення речовин (м2, см2).

Зміна кількості речовини, за яким визначають швидкість реакції, - це зовнішній фактор, що спостерігається дослідником. По суті, всі процеси здійснюються на мікрорівні. Очевидно, для того, щоб якісь частинки прореагували, вони перш за все повинні зіткнутися, причому зіткнутися ефективно: чи не розлетітися, як м'ячики, в різні боки, а так, щоб в частинках зруйнувалися або ослабли «старі зв'язки» і змогли утворитися «нові », а для цього частинки повинні мати достатню енергією.

Розрахункові дані показують, що, наприклад, в газах зіткнення молекул при атмосферно тиску обчислюються мільярдами за 1 секунду, тобто все реакції повинні були б іти миттєво. Але це не так. Виявляється, що лише дуже невелика частка молекул володіє необхідною енергією, що приводить до ефективного зіткненню.

Мінімальний надлишок енергії, який повинна мати частинка (або пара частинок), щоб відбулося ефективне зіткнення, називають енергією активації Ea.

Таким чином, на шляху всіх частинок, що вступають в реакцію, є енергетичний бар'єр, який дорівнює енергії активації Ea. Коли він маленький, то знаходиться багато частинок, які можуть його подолати, і швидкість реакції велика. В іншому випадку потрібно «поштовх». Коли ви підносите сірник, щоб запалити спиртівку, ви повідомляєте додаткову енергію Ea, необхідну для ефективного зіткнення молекул спирту з молекулами кисню (подолання бар'єру).

Швидкість хімічної реакції залежить від багатьох факторів. Основними з них є: природа і концентрація реагуючих речовин, тиск (в реакціях за участю газів), температура, дія каталізаторів і поверхню реагуючих речовин в разі гетерогенних реакцій.

температура

При підвищенні температури в більшості випадків швидкість хімічної реакції значно зростає. У XIX ст. голландський хімік Я. X. Вант Гофф сформулював правило:

Підвищення температури на кожні 10 ° С призводить до збільшення швидкості реакції в 2-4 рази (цю величину називають температурним коефіцієнтом реакції).

При підвищенні температури середня швидкість молекул, їх енергія, число зіткнень збільшуються незначно, зате різко підвищується частка «активних» молекул, що беруть участь в ефективних зіткненнях, що долають енергетичний бар'єр реакції. Математично ця залежність виражається співвідношенням:

де vt1 і vt2 - швидкості реакції відповідно при кінцевій t2 і початкової t1 температурах, а γ - температурний коефіцієнт швидкості реакції, який показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції з підвищенням температури на кожні 10 ° С.

Однак для збільшення швидкості реакції підвищення температури не завжди можна застосувати, т. К. Вихідні речовини можуть почати розкладатися, можуть випаровуватися розчинники або самі речовини і т. Д.

Ендотермічна і екзотермічні реакції

Реакція метану з киснем повітря, як відомо, супроводжується виділенням великої кількості тепла. Тому її використовують в побуті для приготування їжі, нагрівання води та опалення. Природний газ, що надходить в будинку по трубах, на 98% складається саме з метану. Реакція оксиду кальцію (СаО) з водою теж супроводжується виділенням великої кількості тепла.

Про що можуть говорити ці факти? При утворенні нових хімічних зв'язків в продуктах реакції виділяється більше енергії, ніж потрібно на розрив хімічних зв'язків в реагентах. Надлишок енергії виділяється у вигляді тепла, а іноді і світла.

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Q (енергія (світло, тепло));

СаО + Н2О = Са (ОН) 2 + Q (енергія (тепло)).

Такі реакції повинні протікати легко (як легко котиться під гору камінь).

Реакції, в яких енергія виділяється, називаються Екзотермічний (від латинського «екзо» - назовні).

Наприклад, багато окислювально-відновні реакції є екзотермічні. Одна з таких красивих реакцій - внутримолекулярное окислення-відновлення, що протікає всередині однієї і тієї ж солі - дихромата амонію (NH4) 2Cr2O7:

(NH4) 2Cr2O7 = N2 + Cr2O3 + 4 H2O + Q (енергія).

Інша справа - зворотні реакції. Вони аналогічні закочування каменю в гору. Отримати метан з CO2 і води до цих пір не вдається, а для отримання негашеного вапна СаО з гідроксиду кальцію Са (ОН) 2 потрібні сильне нагрівання. Така реакція йде тільки при постійному припливі енергії ззовні:

Са (ОН) 2 = СаО + Н2О - Q (енергія (тепло))

Це говорить про те, що розрив хімічних зв'язків в Ca (OH) 2 вимагає більшої енергії, ніж може виділитися при утворенні нових хімічних зв'язків в молекулах CaO і H2O.

Реакції, в яких енергія поглинається, називаються Ендотермічний (від «ендо-» - всередину).

Концентрація реагуючих речовин

Зміна тиску за участю в реакції газоподібних речовин також призводить до зміни концентрації цих речовин.

Щоб здійснилося хімічну взаємодію між частинками, вони повинні ефективно зіткнутися. Чим більше концентрація реагуючих речовин, тим більше зіткнень і, відповідно, вище швидкість реакції. Наприклад, в чистому кисні ацетилен згоряє дуже швидко. При цьому розвивається температура, достатня для плавлення металу. На основі великого експериментального матеріалу в 1867 р норвежцями К. Гульденберг і П. Вааге і незалежно від них в 1865 р російським ученим Н. І. Бекетовим був сформульований основний закон хімічної кінетики, що встановлює залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин.

Швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях, рівних їх коефіцієнтам в рівнянні реакції.

Цей закон називають також законом діючих мас.

Для реакції А + В = D цей закон виразиться так:

Для реакції 2А + В = D цей закон виразиться так:

Тут СА, СВ - концентрації речовин А і В (моль / л); k1 і k2 - коефіцієнти пропорційності, звані константами швидкості реакції.

Фізичний сенс константи швидкості реакції неважко встановити - вона чисельно дорівнює швидкості реакції, в якій концентрації реагуючих речовин дорівнюють 1 моль / л або їх добуток дорівнює одиниці. В такому випадку ясно, що константа швидкості реакції залежить тільки від температури і не залежить від концентрації речовин.

Закон діючих мас не враховує концентрації реагуючих речовин, що знаходяться в твердому стані, т. К. Вони реагують на поверхні і їх концентрації зазвичай є постійними.

Наприклад, для реакції горіння вугілля вираз швидкості реакції має бути записано так:

т. е. швидкість реакції пропорційна тільки концентрації кисню.

Якщо ж рівняння реакції описує лише сумарну хімічну реакцію, що проходить в кілька стадій, то швидкість такої реакції може складним чином залежати від концентрацій вихідних речовин. Ця залежність визначається експериментально або теоретично на підставі передбачуваного механізму реакції.

дія каталізаторів

Можна збільшити швидкість реакції, використовуючи спеціальні речовини, які змінюють механізм реакції і направляють її по енергетично більш вигідним шляху з меншою енергією активації. Їх називають каталізаторами (від лат. Katalysis - руйнування).

Каталізатор діє як досвідчений провідник, що направляє групу туристів не через високий перевал в горах (його подолання вимагає багато сил і часу і не всім доступно), а по відомим йому обхідним стежкам, за якими можна подолати гору значно легше і швидше.

Правда, по обхідному шляху можна потрапити не зовсім туди, куди веде головний перевал. Але іноді саме це і потрібно! Саме так діють каталізатори, які називають селективними. Ясно, що немає необхідності спалювати аміак і азот, зате оксид азоту (II) знаходить використання у виробництві азотної кислоти.

Каталізатори - це речовини, які беруть участь в хімічній реакції і змінюють її швидкість або напрямок, але після закінчення реакції залишаються незмінними кількісно і якісно.

Зміна швидкості хімічної реакції або її напрямки за допомогою каталізатора називають катализом. Каталізатори широко використовують в різних галузях промисловості і на транспорті (каталітичні перетворювачі, що перетворюють оксиди азоту вихлопних газів автомобіля в нешкідливий азот).

Розрізняють два види каталізу.

Гомогенний каталіз, при якому і каталізатор, і реагують речовини перебувають в одному агрегатному стані (фазі).

Гетерогенний каталіз, при якому каталізатор і реагуючі речовини знаходяться в різних фазах. Наприклад, розкладання пероксиду водню в присутності твердого каталізатора оксиду марганцю (IV):

Сам каталізатор не витрачається в результаті реакції, але якщо на його поверхні адсорбуються інші речовини (їх називають каталітичними отрутами), то поверхня стає непрацездатною, потрібно регенерація каталізатора. Тому перед проведенням каталітичної реакції ретельно очищають вихідні речовини.

Наприклад, при виробництві сірчаної кислоти контактним способом використовують твердий каталізатор - оксид ванадію (V) V2O5:

При виробництві метанолу використовують твердий «цінкохромовий» каталізатор (8ZnO • Cr2O3 х CrO3):

Дуже ефективно працюють біологічні каталізатори - ферменти. За хімічною природою це білки. Завдяки їм в живих організмах при невисокій температурі з великою швидкістю протікають складні хімічні реакції.

Відомі інші цікаві речовини - інгібітори (від лат. Inhibere - затримувати). Вони дуже швидко реагують з активними частинками з утворенням малоактивних сполук. В результаті реакція різко сповільнюється і потім припиняється. Інгібітори часто спеціально додають в різні речовини, щоб запобігти небажаним процеси.

Наприклад, за допомогою інгібіторів стабілізують розчини пероксиду водню.

Природа реагуючих речовин (їх склад, будова)

Значення енергії активації є тим фактором, за допомогою якого позначається вплив природи реагуючих речовин на швидкість реакції.

Якщо енергія активації мала (<40 кДж / моль), то це означає, що значна частина зіткнень між частинками реагують речовин призводить до їх взаємодії, і швидкість такої реакції дуже велика. Всі реакції іонного обміну протікають практично миттєво, бо в цих реакціях беруть участь разноименно заряджені іони, і енергія активації в даних випадках мізерно мала.

Якщо енергія активації велика (> 120 кДж / моль), то це означає, що лише незначна частина зіткнень між взаємодіючими частинками призводить до реакції. Швидкість такої реакції тому дуже мала. Наприклад, протікання реакції синтезу аміаку при звичайній температурі помітити практично неможливо.

Якщо енергії активації хімічних реакцій мають проміжні значення (40120 кДж / моль), то швидкості таких реакцій будуть середніми. До таких реакцій можна віднести взаємодію натрію з водою або етиловим спиртом, знебарвлення бромної води етиленом, взаємодія цинку з соляною кислотою і ін.

Поверхня зіткнення реагуючих речовин

Швидкість реакцій, що йдуть на поверхні речовин, т. Е. Гетерогенних, залежить за інших рівних умов від властивостей цієї поверхні. Відомо, що розтертий в порошок крейда набагато швидше розчиняється в соляній кислоті, ніж рівний по масі шматочок крейди.

Збільшення швидкості реакції пояснюється в першу чергу збільшенням поверхні дотику вихідних речовин, а також рядом інших причин, наприклад, порушенням структури «правильної» кристалічної решітки. Це призводить до того, що частки на поверхні утворюються мікрокристалів значно реакционноспособна, ніж ті ж частки на «гладкою» поверхні.

У промисловості для проведення гетерогенних реакцій використовують «киплячий шар», щоб збільшити поверхню зіткнення реагуючих речовин, підведення вихідних речовин і відведення продуктів. Наприклад, при виробництві сірчаної кислоти за допомогою «киплячого шару» проводять випал колчедану.

шпаргалка

Довідковий матеріал для проходження тестування:

Таблиця Менделєєва Таблиця розчинності