Закономерности на промените в свойствата на атомите на прости вещества. Закономерности на промените в химичните свойства на елементите и техните съединения по периоди и групи

Скорост химическа реакциязависи от много фактори, включително естеството на реагентите, концентрацията на реагентите, температурата и наличието на катализатори. Нека разгледаме тези фактори.

1). Природата на реагентите... Ако има взаимодействие между вещества с йонна връзка, тогава реакцията протича по -бързо, отколкото между вещества с ковалентна връзка.

2.) Концентрация на реагенти... За да протече химическа реакция е необходим сблъсък на молекули на реагиращи вещества. Тоест молекулите трябва да се доближат толкова близо една до друга, че атомите на една частица да изпитат действието на електрическите полета на другата. Само в този случай ще бъдат възможни електронни преходи и съответно пренареждане на атомите, в резултат на което се образуват молекули на нови вещества. По този начин скоростта на химичните реакции е пропорционална на броя на сблъсъците, които се случват между молекулите, а броят на сблъсъците от своя страна е пропорционален на концентрацията на реагиращите вещества. Въз основа на експерименталния материал норвежките учени Гулдберг и Вааге и независимо от тях руският учен Бекетов формулират основния закон през 1867 г. химическа кинетика – закон за масово действие(ZDM): при постоянна температура скоростта на химичната реакция е правопропорционална на продукта на концентрациите на реагентите в силата на техните стехиометрични коефициенти. За общия случай:

законът за масово действие има формата:

Записът на закона за масовото действие за тази реакция се нарича основното кинетично уравнение на реакцията... В основното кинетично уравнение k е константата на скоростта на реакцията, която зависи от естеството на реагиращите вещества и температурата.

Повечето химични реакции са обратими. В хода на такива реакции техните продукти, когато се натрупват, реагират помежду си с образуването на изходни вещества:

Скорост на реакцията напред:

Процент на обратна връзка:

В момента на баланса:

Следователно законът за масовото действие в състояние на равновесие ще приеме формата:

където K е равновесната константа на реакцията.

3) Влияние на температурата върху скоростта на реакцията... Скоростта на химичните реакции, като правило, се увеличава при превишаване на температурата. Нека разгледаме това, като използваме примера за взаимодействието на водорода с кислорода.

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

При 20 0 С скоростта на реакцията е практически нула и ще са необходими 54 милиарда години, докато взаимодействието премине с 15%. При 500 0 С ще са необходими 50 минути за образуване на вода, а при 700 0 С реакцията протича мигновено.

Изразена е зависимостта на скоростта на реакцията от температурата няма ли правило на Хоф: с повишаване на температурата с 10 °, скоростта на реакцията се увеличава 2 - 4 пъти. Правилото на Вант Хоф е написано:

4) Ефект на катализаторите... Скоростта на химичните реакции може да се регулира с помощта катализатори- вещества, които променят скоростта на реакцията и остават непроменени след реакцията. Промяната на скоростта на реакцията в присъствието на катализатор се нарича катализа. Разграничете положителен(скоростта на реакцията се увеличава) и отрицателен(скоростта на реакцията намалява) катализа. Понякога катализаторът се образува по време на реакцията, такива процеси се наричат автокаталитични. Разграничете хомогенната и хетерогенната катализа.

При хомогеннаЧрез катализа катализаторът и реагентите са в една и съща фаза. Например:

При разнородникатализа, катализаторът и реагентите са в различни фази... Например:

Хетерогенната катализа е свързана с ензимни процеси. Всички химични процеси в живите организми се катализират от ензими, които са протеини със специфични специализирани функции. В разтвори, в които протичат ензимни процеси, няма типична хетерогенна среда, поради липсата на ясно дефиниран интерфейс. Такива процеси се наричат микрохетерогенна катализа.

Изследването на скоростта на химичната реакция и условията, влияещи върху нейната промяна, се занимава в една от областите на физическата химия - химическата кинетика. Тя също така изследва механизмите на тези реакции и тяхната термодинамична валидност. Тези изследвания са важни не само за научни цели, но и за наблюдение на взаимодействието на компонентите в реакторите при производството на всякакви вещества.

Понятието за скорост в химията

Скоростта на реакцията обикновено се нарича известна промяна в концентрациите на реагиращите съединения (ΔС) за единица време (Δt). Математическата формула за скоростта на химичната реакция е следната:

ᴠ = ± ΔC / Δt.

Скоростта на реакцията се измерва в mol / l ∙ s, ако протича в целия обем (т.е. реакцията е хомогенна) и в mol / m 2 ∙ s, ако взаимодействието се осъществява на повърхността, разделяща фазите (т.е. , реакцията е хетерогенна). Знакът „ -“ във формулата се отнася до промяната в стойностите на концентрациите на първоначално реагиращите вещества, а знакът „+“ - към променящите се стойности на концентрациите на продуктите от същата реакция.

Примери за реакции с различна скорост

Взаимодействия химични веществаможе да се извършва с различни скорости. И така, скоростта на растеж на сталактитите, тоест образуването на калциев карбонат, е само 0,5 mm на 100 години. Някои биохимични реакции са бавни, като фотосинтеза и синтез на протеини. Корозията на металите протича с доста ниски темпове.

Средната скорост може да се характеризира с реакции, които изискват от един до няколко часа. Пример е приготвянето на храна, което е придружено от разлагане и превръщане на съединения, съдържащи се в храните. Синтезът на отделни полимери изисква нагряване на реакционната смес за определено време.

Пример за химични реакции, чиято скорост е доста висока, може да послужи за реакции на неутрализация, взаимодействието на натриев бикарбонат с разтвор на оцетна киселина, придружено от отделянето на въглероден диоксид. Можете също така да споменете взаимодействието на бариев нитрат с натриев сулфат, при което се наблюдава утаяване на неразтворим бариев сулфат.

Голям брой реакции могат да протичат със светкавична скорост и са придружени от експлозия. Класически пример е взаимодействието на калий с вода.

Фактори, влияещи върху скоростта на химическата реакция

Заслужава да се отбележи, че едни и същи вещества могат да реагират помежду си с различна скорост. Така например, смес от газообразен кислород и водород може да не показва признаци на взаимодействие за доста дълго време, но когато контейнерът се разклати или удари, реакцията става експлозивна. Следователно химическата кинетика и идентифицирани определени фактори, които имат способността да влияят на скоростта на химичната реакция. Те включват:

естеството на взаимодействащите вещества;
концентрация на реагенти;
промяна на температурата;
наличието на катализатор;
промяна на налягането (за газообразни вещества);
контактната площ на веществата (ако говорим за хетерогенни реакции).

Влияние на природата на материята

Такава значителна разлика в скоростите на химичните реакции се обяснява с различни значенияенергия на активиране (E a). Той се разбира като определено излишно количество енергия в сравнение със средната му стойност, необходима за молекула при сблъсък, за да настъпи реакция. Измерва се в kJ / mol и стойностите обикновено са в диапазона 50-250.

Общоприето е, че ако E a = 150 kJ / mol за всяка реакция, то при n. в. на практика не изтича. Тази енергия се изразходва за преодоляване на отблъскването между молекулите на веществата и за отслабване на връзките в първоначалните вещества. С други думи, енергията на активиране характеризира силата химически връзкив вещества. По стойността на енергията на активиране може предварително да се оцени скоростта на химичната реакция:

Е а< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
E a> 120, само много малка част от сблъсъците на частици ще доведе до реакция и скоростта й ще бъде ниска.

Ефект на концентрацията

Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията се характеризира най -точно със закона за действие на масата (MLA), който гласи:

Скоростта на химичната реакция е правопропорционална на продукта на концентрациите на реагиращите вещества, чиито стойности се приемат в степени, съответстващи на техните стехиометрични коефициенти.

Този закон е подходящ за елементарни едностепенни реакции или за всеки етап от взаимодействието на веществата, характеризиращ се със сложен механизъм.

Ако искате да определите скоростта на химична реакция, чието уравнение може да бъде записано условно като:

αА + bB = ϲС, тогава,

в съответствие с горната формулировка на закона, скоростта може да се намери чрез уравнението:

V = k · [A] a · [B] b, където

a и b са стехиометрични коефициенти,

[A] и [B] са концентрациите на изходните съединения,

k е константата на скоростта на разглежданата реакция.

Значението на коефициента на скорост на химическа реакция е, че стойността му ще бъде равна на скоростта, ако концентрациите на съединенията са равни на единица. Трябва да се отбележи, че за правилното изчисление, използващо тази формула, си струва да се вземе предвид състоянието на агрегация на реагентите. Концентрацията на твърдото вещество се приема за единица и не е включена в уравнението, тъй като остава постоянна по време на реакцията. По този начин в изчислението за ZDM се включват само концентрации на течни и газообразни вещества. Така че, за реакцията на получаване на силициев диоксид от прости вещества, описани от уравнението

Si (tv) + Ο 2 (g) = SiΟ 2 (tv),

скоростта ще се определя по формулата:

Типична задача

Как би се променила скоростта на химичната реакция на азотен окис с кислород, ако концентрациите на изходните съединения се удвоят?

Решение: Този процес съответства на уравнението на реакцията:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2.

Нека напишем изрази за началните (ᴠ 1) и крайните (ᴠ 2) скорости на реакция:

ᴠ 1 = k · [ΝΟ] 2 · [Ο 2] и

ᴠ 2 = k · (2 · [ΝΟ]) 2 · 2 · [Ο 2] = k · 4 [ΝΟ] 2 · 2 [Ο 2].

ᴠ 1 / ᴠ 2 = (k · 4 [ΝΟ] 2 · 2 [Ο 2]) / (k · [ΝΟ] 2 · [Ο 2]).

ᴠ 2 / ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.

Отговор: увеличен 8 пъти.

Влияние на температурата

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата е определена емпирично от холандския учен J. H. Van't Hoff. Той откри, че скоростта на много реакции се увеличава с 2-4 пъти с повишаване на температурата на всеки 10 градуса. За това правило има математически израз, който изглежда така:

ᴠ 2 = ᴠ 1 γ (Τ2-Τ1) / 10, където

ᴠ 1 и ᴠ 2 - съответстващи скорости при температури Τ 1 и Τ 2;

γ - температурен коефициент, равен на 2-4.

В същото време това правило не обяснява механизма на влиянието на температурата върху стойността на скоростта на определена реакция и не описва целия набор от закономерности. Логично е да се заключи, че с повишаване на температурата хаотичното движение на частиците се увеличава и това провокира по -голям брой техните сблъсъци. Това обаче не влияе особено на ефективността на сблъсъка на молекули, тъй като зависи главно от енергията на активиране. Също така значителна роля в ефективността на сблъсъците на частици играе тяхното пространствено съответствие помежду си.

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата, като се вземе предвид естеството на реагентите, се подчинява на уравнението на Арениус:

k = A 0 e -Ea / RΤ, където

И около е множител;

E a е енергията на активиране.

Пример за проблем за закона на Вант Хоф

Как трябва да се промени температурата, така че скоростта на химическа реакция, за която температурният коефициент е числено равен на 3, да се увеличи с коефициент 27?

Решение. Нека използваме формулата

ᴠ 2 = ᴠ 1 γ (Τ2-Τ1) / 10.

От условието ᴠ 2 / ᴠ 1 = 27 и γ = 3. Трябва да намерите ΔΤ = Τ 2 -Τ 1.

Трансформирайки оригиналната формула, получаваме:

V 2 / V 1 = γ ΔΤ / 10.

Заменете стойностите: 27 = 3 ΔΤ / 10.

Оттук е ясно, че ΔΤ / 10 = 3 и ΔΤ = 30.

Отговор: температурата трябва да се увеличи с 30 градуса.

Ефект на катализаторите

Във физическата химия скоростта на химичните реакции също се изучава активно от раздела, наречен катализа. Интересува се как и защо относително малки количества на определени вещества значително увеличават скоростта на взаимодействие на други. Такива вещества, които могат да ускорят реакцията, но сами не се консумират в нея, се наричат катализатори.

Доказано е, че катализаторите променят механизма на самото химическо взаимодействие, допринасят за появата на нови преходни състояния, които се характеризират с по -ниски височини на енергийна бариера. Тоест те допринасят за намаляване на енергията на активиране, а оттам и за увеличаване на броя на ефективните сблъсъци на частици. Катализаторът не може да предизвика реакция, която е енергийно невъзможна.

Така че водородният пероксид е в състояние да се разложи, за да образува кислород и вода:

H 2 Ο 2 = H 2 Ο + Ο 2.

Но тази реакция е много бавна и в нашите аптечки тя съществува непроменена от доста дълго време. Отваряйки само много стари флакони с пероксид, ще забележите леко пукане, причинено от налягането на кислорода върху стените на съда. Добавянето само на няколко зърна магнезиев оксид ще провокира отделянето на активен газ.

Същата реакция на разлагане на пероксид, но под действието на каталаза, възниква при лечение на рани. Живите организми съдържат много различни вещества, които увеличават скоростта на биохимичните реакции. Те се наричат ензими.

Инхибиторите имат обратен ефект върху хода на реакциите. Това обаче не винаги е лошо. Инхибиторите се използват за защита на метални изделия от корозия, за удължаване срока на годност на храната, например, за предотвратяване на окисляването на мазнините.

Зоната на контакт на веществата

В случай, че взаимодействието се осъществява между съединения, които имат различни агрегатни състояния, или между вещества, които не са в състояние да образуват хомогенна среда (несмесващи се течности), тогава този фактор също влияе значително върху скоростта на химичната реакция. Това се дължи на факта, че хетерогенните реакции се провеждат директно на границата между фазите на взаимодействащите вещества. Очевидно, колкото по -широка е тази граница, толкова повече частици имат възможност да се сблъскат и по -бързо протича реакцията.

Например, той върви много по -бързо под формата на малки чипове, отколкото под формата на дневник. За същата цел много твърди вещества се смилат на фин прах, преди да бъдат добавени към разтвора. И така, прахообразната креда (калциев карбонат) действа по -бързо със солна киселина, отколкото парче със същата маса. Въпреки това, освен увеличаване на площта, тази техника води и до хаотично разкъсване на кристалната решетка на веществото, което означава, че увеличава реактивността на частиците.

Математически скоростта на хетерогенна химична реакция се установява като промяна в количеството вещество (Δν), което се случва за единица време (Δt) на единица повърхност

(S): V = Δν / (S Δt).

Влияние на натиск

Промяната в налягането в системата има ефект само когато в реакцията участват газове. Увеличаването на налягането е придружено от увеличаване на молекулите на веществото на единица обем, тоест неговата концентрация се увеличава пропорционално. Обратно, понижаването на налягането води до еквивалентно намаляване на концентрацията на реагента. В този случай формулата, съответстваща на ZDM, е подходяща за изчисляване на скоростта на химична реакция.

Задача. Как скоростта на реакцията ще бъде описана от уравнението

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2,

ако обемът на затворена система се намали три пъти (T = const)?

Решение. С намаляване на обема, налягането се увеличава пропорционално. Нека напишем изрази за началните (V 1) и крайните (V 2) скорости на реакция:

V 1 = k · 2 · [Ο 2] и

V 2 = k · (3 ·) 2 · 3 · [Ο 2] = k · 9 [ΝΟ] 2 · 3 [Ο 2].

За да разберете колко пъти новата скорост е по -голяма от началната, трябва да разделите лявата и дясната част на изразите:

V 1 / V 2 = (k · 9 [ΝΟ] 2 · 3 [Ο 2]) / (k · [ΝΟ] 2 · [Ο 2]).

Стойностите на концентрацията и константите на скоростта се намаляват и остава:

V 2 / V 1 = 9 3/1 = 27.

Отговор: скоростта се е увеличила 27 пъти.

Обобщавайки, трябва да се отбележи, че скоростта на взаимодействие на веществата, или по -скоро количеството и качеството на сблъсъците на техните частици, се влияе от много фактори. На първо място, това е енергията на активиране и геометрията на молекулите, които е почти невъзможно да се коригират. Що се отнася до останалите условия, за увеличаване на скоростта на реакцията следва:

повишаване на температурата на реакционната среда;
увеличаване на концентрацията на изходните съединения;
увеличете налягането в системата или намалете обема й, когато става въпрос за газове;
да доведе до различни вещества до същото агрегатно състояние (например чрез разтваряне във вода) или да увеличи площта на техния контакт.

Изследвани основни понятия:

Скорост на химичната реакция

Моларна концентрация

Кинетика

Хомогенни и хетерогенни реакции

Фактори, влияещи върху скоростта на химичните реакции

Катализатор, инхибитор

Катализа

Обратими и необратими реакции

Химическо равновесие

Химичните реакции са реакции, в резултат на които други се получават от някои вещества (от първоначалните вещества се образуват нови вещества). Някои химични реакции протичат за части от секундата (експлозия), докато други отнемат минути, дни, години, десетилетия и т.н.

Например: незабавно при запалване и експлозия възниква реакция на изгаряне на барут, а реакцията на потъмняване на сребро или ръждясване на желязо (корозия) протича толкова бавно, че резултатът му може да бъде проследен едва след дълго време.

За характеризиране на скоростта на химична реакция се използва концепцията за скоростта на химичната реакция - υ.

Скорост на химичната реакцияПромяната в концентрацията на едно от реагиращите вещества в реакцията е за единица време.

Формулата за изчисляване на скоростта на химична реакция:

υ =	от 2 - от 1	=	∆ с
t 2 - t 1	∆ t

с 1 - моларна концентрация на веществото в началния момент от време t 1

с 2 - моларна концентрация на веществото в началния момент от време t 2

тъй като скоростта на химична реакция се характеризира с промяна в моларната концентрация на реагиращите вещества (изходни вещества), тогава t 2> t 1 и c 2> c 1 (концентрацията на изходните вещества намалява с напредването на реакцията ).

Моларна концентрация (и)Това е количеството вещество на единица обем. Мерната единица за моларна концентрация е [mol / l].

Клонът на химията, който изучава скоростта на химичните реакции, се нарича химическа кинетика... Познавайки неговите закони, човек може да контролира химичните процеси, да им зададе определена скорост.

При изчисляване на скоростта на химична реакция трябва да се помни, че реакциите са разделени на хомогенни и хетерогенни.

Хомогенни реакции- реакции, протичащи в една и съща среда (т.е. реагентите са в едно и също агрегатно състояние; например: газ + газ, течност + течност).

Хетерогенни реакции- това са реакции, които протичат между вещества в хетерогенна среда (има интерфейс между фазите, т.е. реагиращите вещества са в различно агрегатно състояние; например: газ + течност, течност + твърдо вещество).

Горната формула за изчисляване на скоростта на химична реакция е валидна само за хомогенни реакции. Ако реакцията е хетерогенна, тя може да премине само по повърхността на участъка от реагенти.

За хетерогенна реакция скоростта се изчислява по формулата:

∆ν - промяна в количеството на веществото

S - областта на интерфейса

∆ t е интервалът от време, през който протича реакцията

Скоростта на химичните реакции зависи от различни фактори: естеството на реагиращите вещества, концентрацията на веществата, температурата, катализаторите или инхибиторите.

Зависимост на скоростта на реакцията от естеството на реагиращите вещества.

Нека анализираме тази зависимост от скоростта на реакцията например: поставете в две епруветки, в които има същото количество разтвор на солна киселина (HCl), метални гранули със същата площ: в първата епруветка желязна гранула (Fe), а във втората - магнезиев гранули (Mg). В резултат на наблюденията, според скоростта на отделяне на водород (H 2), може да се отбележи, че магнезият реагира с най -висока скорост със солна киселина, отколкото желязото... Скоростта на дадена химична реакция се влияе от естеството на метала (т.е. магнезият е по -химически активен металотколкото желязото и следователно реагира по -енергично с киселина).

Зависимост на скоростта на химичните реакции от концентрацията на реагиращите вещества.

Колкото по -висока е концентрацията на реагиращото (изходно) вещество, толкова по -бързо протича реакцията. Обратно, колкото по -ниска е концентрацията на реагента, толкова по -бавна е реакцията.

Например: изсипете концентриран разтвор на солна киселина (HCl) в едната епруветка, а разреден разтвор на солна киселина в другата. Поставете цинкова (Zn) гранула в двете епруветки. Нека да наблюдаваме, според скоростта на отделяне на водород, че реакцията ще протече по -бързо в първата епруветка, защото концентрацията на солна киселина в нея е по -висока, отколкото във втората епруветка.

За да определите зависимостта на скоростта на химичната реакция, използвайте закон на действие на (действащите) маси : скоростта на химичната реакция е правопропорционална на продукта на концентрациите на реагентите, взети в мощности, равни на техните коефициенти.

Например, за реакция, протичаща по схемата: nA + mB → D, скоростта на химичната реакция се определя по формулата:

υ ch.r. = k C (A) n C (B) m, където

υ х.р - скорост на химична реакция

C (A) - А

C (B) - моларна концентрация на вещество V

n и m - техните коефициенти

k - константа на скоростта на химичната реакция (референтна стойност).

Законът за действие на масите не важи за вещества в твърдо състояние, т.к концентрацията им е постоянна (поради факта, че реагират само на повърхността, която остава непроменена).

Например: за реакция 2 Cu + O 2 = 2CuO скоростта на реакцията се определя по формулата:

υ ch.r. = k C (O 2)

ПРОБЛЕМ: Константата на скоростта на реакция 2A + B = D е 0.005. изчислете скоростта на реакцията при моларна концентрация на вещество A = 0,6 mol / l, вещество B = 0,8 mol / l.

Температурна зависимост на скоростта на химичната реакция.

Тази зависимост се определя van't - правило на Хоф (1884): с повишаване на температурата на всеки 10 ° C скоростта на химичната реакция се увеличава средно 2 - 4 пъти.

И така, взаимодействието на водород (Н 2) и кислород (О 2) при стайна температурапочти не се случва, толкова ниска е скоростта на тази химична реакция. Но при температура от 500 C o тази реакция протича за 50 минути, а при температура от 700 C o - почти мигновено.

Формулата за изчисляване на скоростта на химична реакция съгласно правилото на Вант Хоф:

където: υ t 1 и υ t 2 са скоростите на химичните реакции при t 2 и t 1

γ - температурен коефициент, който показва колко пъти скоростта на реакцията се увеличава с повишаване на температурата с 10 ° C.

Промяна в скоростта на реакция:

2. Заместете данните от постановката на проблема във формулата:

Зависимостта на скоростта на реакцията от специални вещества - катализатори и инхибитори.

Катализатор- вещество, което увеличава скоростта на химична реакция, но само не участва в нея.

Инхибитор- вещество, което забавя химическата реакция, но само не участва в нея.

Пример: в епруветка с разтвор на 3% водороден пероксид (H 2 O 2), която беше загрята, добавете тлееща горелка - тя няма да се запали, тъй като скоростта на реакцията на разлагане на водороден пероксид във вода (Н 2 О) и кислород (О 2) е много ниска и образуваният кислород не е достатъчен за извършване качествен отговорза кислород (поддържане на горенето). Сега ще добавим малко черен прах от манганов (IV) оксид (MnO 2) към епруветката и ще видим, че е започнало насилствено отделяне на газови (кислородни) мехурчета и тлеещата горелка, въведена в епруветката, светва ярко. MnO 2 е катализатор на тази реакция, той ускори скоростта на реакцията, но не участва в нея (това може да се докаже чрез претегляне на катализатора преди и след реакцията - масата му няма да се промени).

Познаването на скоростите на химичните реакции е голямо теоретично и практическо значение... Например в химическата промишленост, при производството на вещество, размерът и производителността на апарата и количеството на получения продукт зависят от скоростта на реакцията.

Различните химични реакции имат различна скорост. Някои реакции протичат за части от секундата, докато други отнемат месеци или дори години, за да завършат. Скоростта на възникване на химични реакции химическа кинетика.

Основните понятия, с които оперира химическата кинетика, са химични системаи фаза:

Химическа система- вещество (набор от вещества);
Химична фаза- част от системата, отделена от други части интерфейс.

Системите, състоящи се от една фаза, се наричат хомогеннаили хомогеннанапример газови смеси или разтвори. Реакциите, протичащи в хомогенни системи, се наричат хомогенни реакции, такива реакции протичат в целия обем на сместа.

Наричат се системи, състоящи се от няколко фази разнородниили разнороднинапример течност + твърдо вещество. Реакциите, протичащи в хетерогенни системи, се наричат хетерогенни реакции, такива реакции възникват само на интерфейса.

Скорост на хомогенна реакция

Скоростта на хомогенна реакция се нарича количеството вещество (ν), образувано в резултат на реакцията за единица време (t) на единица обем на системата (V):

ν 1 - брой молове на веществото в момент t 1;
ν 2 - брой молове на веществото в момент t 2;

Мол-обемна концентрациявещества (C, mol / l) - съотношението на броя молове на веществото (ν) към целия обем на реакционната смес (V): С = ν / V.

Скоростта на хомогенна реакция е равна на промяната в концентрацията на реагента за единица време.

В случай, че говорим за концентрацията на един от продуктите на реакцията, в израза се поставя знак плюс, ако концентрацията на едно от първоначалните вещества е знак минус.

Скорост на хетерогенна реакция

Както бе споменато по -горе, основната разлика между хетерогенните и хомогенните реакции е, че реакцията протича на границата.

Скоростта на хетерогенна реакция (v het) е количеството вещество (ν), образувано за единица време (t) на единица интерфейс (S).

Основните фактори, влияещи върху скоростта на реакциите:

естеството на реагентите;
концентрация;
температура;
катализатори;
размер на частиците на реагентите;
налягане.

Последните две точки се отнасят до хетерогенни реакции.

Природата на реагентите

Необходимо условие за химическо взаимодействие между молекулите на веществата е техният сблъсък помежду си в „желаната“ част от молекулата, т.нар. силно реактивен сайт... Това е като в бокса: ако удар на боксьор попадне в ръкавиците на противника, тогава няма да има реакция; но ако ударът удари главата на противника, тогава вероятността от нокаут (реакция) се увеличава значително; и ако в същото време силата на удара (силата на сблъсъка на молекули) е голяма, тогава нокаутът (реакцията) става неизбежен.

Въз основа на гореизложеното можем да заключим, че колкото по -сложна е молекулата, толкова по -малък е нейният силно реактивен участък. Следователно, колкото по -големи и по -сложни са молекулите на реагиращите вещества, толкова по -ниска е скоростта на реакцията.

Концентрация на реагенти

Скоростта на реакцията е правопропорционална на броя на сблъсъците на молекули. Колкото по -висока е концентрацията на реагентите, толкова повече сблъсъци, толкова по -висока е скоростта на химичната реакция. Например изгарянето в чист кислород е много по -бързо, отколкото в обикновен въздух.

Трябва обаче да се каже, че при сложни реакции протичащи на няколко етапа; такава зависимост не се наблюдава. Това ви позволява да определите кой от реагентите не участва в най -бавния етап на реакцията, което определя самата скорост на реакцията.

Изразена е зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите закон на масите, който е открит през 1867 г. от норвежките учени Гулдберг и Вааге.

Скоростта (v) на условната реакция, описана от уравнението aA + bB = cC + dD, в съответствие със закона за масово действие, ще се изчислява по формулата, която се нарича кинетично уравнение на реакцията:

V = k · [A] a · [B] b

[A], [B] - концентрация на изходни вещества;
k - константа на скоростта на реакцията, равна на скоростта на тази реакция при концентрации на реагенти, равни на 1 mol всяка.

кне зависи от концентрацията на реагиращите вещества, а зависи от тяхната природа и температура.

Съгласно кинетичното уравнение на реакцията е възможно да се определи скоростта на промяна в реакцията в зависимост от промяната в концентрацията на реагиращите вещества.

Примери за кинетични уравнения:

2SO 2 (g) + O 2 (g) = 2SO 3 (g) v = k 2 CuO (t) + H 2 (g) = Cu (t) + H 2 O (g) v = k

Моля, обърнете внимание, че кинетичните уравнения не включват концентрацията на твърди вещества, а само газообразни и разтворени.

Температура на реагента

С повишаване на температурата молекулите се движат по -бързо, поради което броят на техните сблъсъци помежду си се увеличава. В допълнение, кинетичната енергия на молекулите се увеличава, което увеличава ефективността на сблъсъците, които в крайна сметка определят скоростта на реакцията.

Според теория за активиране, само молекули с енергия, която надвишава определена средна стойност, могат да участват в химическа реакция. Излишъкът от средната енергия на молекулите се нарича енергия за активиране... Тази енергия е необходима за отслабване на химическите връзки в молекулите на изходните вещества. Молекули, които имат необходимата излишна енергия, за да им позволят да реагират, се наричат активни молекули... Колкото по -висока е температурата, толкова по -активни молекули, толкова по -висока е скоростта на реакцията.

Зависимостта на скоростта на реакцията от температурата се характеризира с няма ли правило на Хоф:

Математически правилото на Van't Hoff се изразява със следната формула:

γ - температурен коефициент, показващ увеличаване на скоростта на реакцията с повишаване на температурата с 10 ° C;
v 1 - скорост на реакция при температура t 1;
v 2 - скорост на реакция при температура t 2;

Катализатори

Катализатори- това са вещества, които влияят на скоростта на реакцията, но не се консумират сами.

Наричат се реакции, включващи катализатори каталитични реакции.

Основният ефект на катализатора е да намали енергията на активиране на реакцията, в резултат на което се увеличава броят на ефективните сблъсъци на молекули.

Катализаторите могат да ускорят реакцията милиони пъти!

Има два вида катализа:

хомогенна (равномерна) катализа- катализаторът и реагентите образуват една фаза: газ или разтвор;
хетерогенна (хетерогенна) катализа- катализаторът е под формата на независима фаза.

Механизмът на каталитичните реакции е много сложен и не е напълно изяснен. Според една от научните хипотези, при каталитични реакции катализаторът и реагентът реагират с образуването на междинно съединение, което реагира много по -активно с друг изходен материал с образуването на крайния продукт на реакцията, докато самият катализатор се отделя в свободно състояние.

Обикновено под катализатори се разбират вещества, които ускоряват реакцията, но има вещества, които забавят хода на реакцията - те се наричат инхибитори.

Биологичните катализатори се наричат ензими... Ензимите са протеини.

Размер на частиците на реагентите

Вземете кибрит и го донесете на парче въглища. Малко вероятно е въглищата да имат време да се запалят, докато мачът изгасне. Нека смиламе въглищата и ще повторим експеримента - въглищният прах не просто ще се запали, а ще се запали много бързо - ще възникне експлозия (основната опасност във въглищните мини). Какво става?

Чрез раздробяване на въглища, ние значително ще увеличим повърхността им. Как по -голяма площповърхността, на която се случват сблъсъци на молекули, толкова по -висока е скоростта на реакцията.

Налягане на реагента

Налягането на газообразните реактиви е подобно на тяхната концентрация - колкото по -високо е налягането - толкова по -висока е концентрацията - толкова по -висока е скоростта на реакцията, тъй като броят на сблъсъците на молекули се увеличава. Подобно на концентрацията, налягането на реагента не "работи" в сложни реакции.

Скорост на химичната реакция

Темата „Скоростта на химична реакция“ е може би най -трудната и противоречива в училищната програма. Това се дължи на сложността на самата химическа кинетика, един от клоновете на физическата химия. Самото определение на понятието „скорост на химична реакция“ е двусмислено (виж например статия на Л. С. Гузей във вестник „Химия“, 2001 г., № 28,
с. 12). Още повече проблемивъзниква, когато се опитвате да приложите закона за масово действие за скоростта на реакцията към всеки химични системи, тъй като обхватът от обекти, за които е възможно количествено да се опишат кинетичните процеси вътре училищна програмае много тесен. Бих искал специално да отбележа некоректността на използването на закона за действие на масата за скоростта на химична реакция при химическо равновесие.
В същото време би било погрешно да откажем да разглеждаме тази тема изцяло в училище. Идеята за скоростта на химичната реакция е много важна при изучаването на много природни и технологични процеси; без тях е невъзможно да се говори за катализа и катализатори, включително ензими. Въпреки че при обсъждането на трансформациите на веществата се използват главно качествени идеи за скоростта на химичната реакция, въвеждането на най -простите количествени съотношения все още е желателно, особено за елементарни реакции.
Публикуваната статия разглежда достатъчно подробно въпросите на химическата кинетика, които могат да бъдат обсъдени на уроците по химия в училище. Изключването от курса на училищната химия противоречиви и противоречиви моменти по тази тема е особено важно за тези ученици, които ще продължат своя химическо образованиев университета. В крайна сметка знанията, придобити в училище, често противоречат на научната реалност.

Химичните реакции могат да варират значително във времето. Смес от водород и кислород при стайна температура може да остане практически непроменена за дълго време, но при удар или запалване ще настъпи експлозия. Желязната плоча бавно ръждясва и парче бял фосфор се запалва спонтанно във въздуха. Важно е да знаете колко бързо протича тази или онази реакция, за да можете да контролирате хода си.

Основни понятия

Количествена характеристика за това колко бързо протича дадена реакция е скоростта на химична реакция, т.е. скоростта, с която се консумират реагентите, или скоростта, с която се появяват продуктите. В този случай няма значение кои от участващите в реакцията вещества се обсъждат, тъй като всички те са свързани помежду си чрез уравнението на реакцията. Променяйки количеството на едно от веществата, човек може да прецени съответните промени в количествата на всички останали.

Скоростта на химичната реакция () се нарича промяна в количеството на вещество от реагент или продукт () за единица време () на единица обем (V):

= /(V ).

Скорост на реакция в този случайобикновено изразено в мол / (L s).

Горният израз се отнася до хомогенни химични реакции, протичащи в хомогенна среда, например между газове или в разтвор:

2SO 2 + O 2 = 2 SO 3,

BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl.

Хетерогенни химични реакции протичат на контактните повърхности на твърдо вещество и газ, твърдо вещество и течност и др. Хетерогенните реакции включват например реакции на метали с киселини:

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2.

В такъв случай скоростта на реакцията е промяната в количеството на реагентно вещество или продукт () за единица време() на единица повърхност (S):

= /(С ).

Скоростта на хетерогенната реакция се изразява в мол / (m 2 s).

За контролиране на химичните реакции е важно не само да можете да определите скоростта им, но и да разберете какви условия ги засягат. Разделът по химия, който изучава скоростта на химичните реакции и влиянието на различни фактори върху нея, се нарича химическа кинетика.

Честота на ударите на реагиращите частици

Най -важният фактор, който определя скоростта на химичната реакция, е концентрация.

С увеличаване на концентрацията на реагентите скоростта на реакцията, като правило, се увеличава. За да реагират, две химични частици трябва да се приближат по -близо една до друга, така че скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците между тях. Увеличаването на броя на частиците в даден обем води до по -чести сблъсъци и до увеличаване на скоростта на реакцията.

За хомогенни реакции увеличаването на концентрацията на един или повече реагенти ще увеличи скоростта на реакцията. При намаляване на концентрацията се наблюдава обратния ефект. Концентрацията на веществата в разтвора може да се промени чрез добавяне или отстраняване на реагенти или разтворител от реакционната сфера. В газовете концентрацията на едно от веществата може да се увеличи чрез въвеждане на допълнително количество от това вещество в реакционната смес. Концентрацията на всички газообразни вещества може да се увеличи едновременно чрез намаляване на обема, зает от сместа. В този случай скоростта на реакцията ще се увеличи. Увеличаването на обема води до обратния резултат.

Скоростта на хетерогенните реакции зависи от повърхност на контакт на веществата, т.е. за степента на смилане на веществата, пълнотата на смесване на реагентите, както и за състоянието на кристалните структури твърди тела... Всякакви нарушения в кристалната структура причиняват повишаване на реактивността на твърдите вещества, тъй като е необходима допълнителна енергия за разрушаване на твърда кристална структура.

Помислете за изгаряне на дърва. Цял труп гори сравнително бавно във въздуха. Ако увеличите повърхността на контакт на дървото с въздух, разделяйки дървения труп на стружки, скоростта на горене ще се увеличи. В същото време дървото изгаря в чист кислород много по -бързо, отколкото във въздуха, който съдържа само около 20% кислород.

За да настъпи химическа реакция, трябва да възникне сблъсък на частици - атоми, молекули или йони. В резултат на сблъсъци атомите се пренареждат и възникват нови химични връзки, което води до образуване на нови вещества. Вероятността за сблъсък на две частици е доста висока, вероятността за едновременен сблъсък на три частици е много по -малка. Едновременното сблъскване на четири частици е изключително малко вероятно. Следователно повечето реакции протичат на няколко етапа, на всеки от които взаимодействат не повече от три частици.

Реакцията на окисляване на бромоводорода протича със забележима скорост при 400–600 ° С:

4HBr + O2 = 2H2O + 2Br2.

Според уравнението на реакцията пет молекули трябва да се сблъскат едновременно. Вероятността за такова събитие обаче е практически нула. Освен това експерименталните проучвания показват, че увеличаването на концентрацията - кислород или бромоводород - увеличава скоростта на реакцията със същия брой пъти. И това въпреки факта, че за всяка молекула кислород се консумират четири молекули бромоводород.

Подробно изследване на този процес показва, че той протича на няколко етапа:

1) HBr + O2 = HOOBr (бавна реакция);

2) HOOBr + HBr = 2HOVr (бърз отговор);

3) HOBr + HBr = H 2 O + Br 2 (бърз отговор).

Дадените реакции, т.нар елементарни реакцииотразяват реакционен механизъмокисляване на бромоводород с кислород. Важно е да се отбележи, че само две молекули участват във всяка от междинните реакции. Добавянето на първите две уравнения и удвоеното трето дава обобщено уравнениереакции. Общата скорост на реакцията се определя от най -бавната междинна реакция, при която една молекула бромоводород и една молекула кислород взаимодействат.

Скоростта на елементарните реакции е правопропорционална на продукта на моларните концентрации с (сКоличеството вещество на единица обем, с = /V) на реагенти, взети по степен, равна на техните стехиометрични коефициенти ( закон за масово действиеза скоростта на химичната реакция). Това важи само за реакционните уравнения, отразяващи механизмите на реални химични процеси, когато стехиометричните коефициенти пред формулите на реагентите съответстват на броя на взаимодействащите частици.

Според броя на молекулите, взаимодействащи в реакцията, се разграничават реакциите: мономолекулни, бимолекулни и тримолекулни. Например, дисоциацията на молекулен йод в атоми: I 2 = 2I е мономолекулна реакция.

Взаимодействие на йод с водород: I 2 + H 2 = 2HI - бимолекулна реакция. Законът за действие на масата при химични реакции с различно молекулно тегло се записва по различни начини.

Мономолекулни реакции:

A = B + C,

= kcА,

където кПостоянна ли е скоростта на реакцията.

Бимолекулни реакции:

= kcА ° СВ.

Тримолекулни реакции:

= kc 2 А. ° СВ.

Енергия за активиране

Сблъсъкът на химически частици води до химическо взаимодействие само ако сблъскващите се частици имат енергия, надвишаваща определена стойност. Помислете за взаимодействието на газообразни вещества, състоящи се от молекули А 2 и В 2:

A 2 + B 2 = 2AB.

В хода на химична реакция настъпва пренареждане на атомите, придружено от разрушаване на химическите връзки в изходните материали и образуване на връзки в продуктите на реакцията. При реагиране на молекули се сблъскват т.нар активиран комплекс, при което настъпва преразпределение на електронната плътност и едва след това се получава крайният продукт на реакцията:

Енергията, необходима за преминаването на веществата в състояние на активиран комплекс, се нарича енергия за активиране.

Активността на химикалите се проявява в ниската енергия на активиране на реакциите с тяхното участие. Колкото по -ниска е енергията на активиране, толкова по -висока е скоростта на реакцията. Например, при реакции между катиони и аниони, енергията на активиране е много ниска, така че такива реакции протичат почти моментално. Ако енергията на активиране е висока, тогава много малка част от сблъсъците води до образуването на нови вещества. По този начин скоростта на реакцията между водород и кислород при стайна температура е практически нула.

Така че скоростта на реакцията се влияе от природата на реагентите... Помислете например за реакцията на металите с киселини. Ако потопим едни и същи парчета мед, цинк, магнезий и желязо в тръби с разредена сярна киселина, можем да видим, че скоростта на барботиране на водородния газ, която характеризира скоростта на реакцията, се различава значително за тези метали. В епруветка с магнезий се наблюдава насилствено отделяне на водород, в епруветка с цинк газовите мехурчета се отделят малко по -спокойно. Реакцията в епруветката с желязо протича още по -бавно (фиг.). Медта изобщо не реагира с разредена сярна киселина. По този начин скоростта на реакцията зависи от активността на метала.

При замяна на сярна киселина (силна киселина) с оцетна киселина ( слаба киселина) скоростта на реакцията във всички случаи се забавя значително. Може да се заключи, че естеството на двата реагента, както на метала, така и на киселината, влияе върху скоростта на реакция на метал с киселина.

Подобрение температураводи до увеличение кинетична енергияхимически частици, т.е. увеличава броя на частиците с енергия, по -висока от енергията на активиране. С повишаването на температурата се увеличава и броят на сблъсъците на частици, което до известна степен увеличава скоростта на реакцията. Въпреки това, има увеличение на ефективността на сблъсъка поради увеличаване на кинетичната енергия по -голямо влияниевърху скоростта на реакцията, отколкото увеличаването на броя на сблъсъците.

Когато температурата се повиши с десет градуса, скоростта се увеличава няколко пъти, равна на температурния коефициент на скоростта:

= T+10 /T .

Когато температурата се повиши от Tпреди T"
съотношение на скоростта на реакцията T" и Tравно на
температурен коефициент на скорост при мощност ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

За много хомогенни реакции температурният коефициент на скоростта е 24 (правилото на Вант Хоф). Зависимостта на скоростта на реакцията от температурата може да бъде проследена чрез примера на взаимодействието на меден (II) оксид с разредена сярна киселина. Реакцията е много бавна при стайна температура. При нагряване реакционната смес бързо става синя поради образуването на меден (II) сулфат:

CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O.

Катализатори и инхибитори

Много реакции могат да бъдат ускорени или забавени чрез въвеждането на определени вещества. Добавените вещества не участват в реакцията и не се консумират по време на протичането й, но оказват значително влияние върху скоростта на реакцията. Тези вещества променят реакционния механизъм (включително състава на активирания комплекс) и понижават енергията на активиране, което ускорява химичните реакции. Вещества - ускорители на реакцията се наричат катализатори, а самият феномен на такова ускорение на реакцията е катализа.

Много реакции при отсъствие на катализатори протичат много бавно или изобщо не. Една от тези реакции е разлагането на водороден пероксид:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2.

Ако е потопен в съд с воден разтворводороден пероксид, парче твърд манганов диоксид, тогава ще започне бързото отделяне на кислород. След отстраняването на манганов диоксид реакцията практически спира. Чрез претегляне е лесно да се гарантира, че манганов диоксид не се консумира в този процес - той само катализира реакцията.

В зависимост от това дали катализаторът и реагентите са в еднакви или различни агрегатни състояния, се прави разлика между хомогенна и хетерогенна катализа.

При хомогенна катализа катализаторът може да ускори реакцията чрез образуване на междинни продукти чрез реакция с един от изходните реагенти. Например:

При хетерогенна катализа на повърхността на катализатора обикновено протича химическа реакция:

Катализаторите са широко разпространени в природата. Почти всички трансформации на вещества в живите организми протичат с участието на органични катализатори - ензими.

Катализаторите се използват в химическото производство за ускоряване на определени процеси. В допълнение към тях се използват и вещества, които забавят химичните реакции - инхибитори... С помощта на инхибитори, по -специално, те предпазват металите от корозия.

Фактори, влияещи върху скоростта на химическата реакция

Увеличете скоростта	Намалете скоростта
Наличието на химически активни реактиви	Наличието на химически неактивни реактиви
Увеличаване на концентрацията на реагенти	Намаляване на концентрацията на реагенти
Увеличаване на повърхността на твърди и течни реактиви	Намаляване на повърхността на твърди и течни реактиви
Повишаване на температурата	Понижаване на температурата
Наличието на катализатор	Наличие на инхибитор

ЗАДАЧИ

1. Дайте определение на скоростта на химичната реакция. Напишете израз за кинетичния закон на ефективните маси за следните реакции:

а) 2C (tv.) + 02 (g) = 2CO (g);

б) 2HI (g) = H2 (g) + I2 (g).

2. Какво определя скоростта на химичната реакция? Дайте математически израз за зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата.

3. Посочете как влияе на скоростта на реакцията (при постоянен обем):

а) увеличаване на концентрацията на реагенти;

б) смилане на твърдия реагент;
в) понижаване на температурата;
г) въвеждането на катализатора;
д) намаляване на концентрацията на реагенти;
е) повишаване на температурата;
ж) въвеждането на инхибитор;
з) намаляване на концентрацията на продуктите.

4. Изчислете скоростта на химическата реакция

CO (g) + H 2 O (g) = CO 2 (g) + H 2 (g)

в съд с вместимост 1 литър, ако след 1 min 30 s след неговото стартиране количеството на водородното вещество е 0,32 mol, а след 2 min 10 s става 0,44 mol. Как увеличаването на концентрацията на CO ще повлияе на скоростта на реакцията?

5. В резултат на една реакция за определен период от време се образуват 6,4 g водороден йодид, а при друга реакция при същите условия 6,4 g серен диоксид. Сравнете скоростта на тези реакции. Как ще се променят скоростите на тези реакции с повишаване на температурата?

6. Определете скоростта на реакцията

CO (g) + Cl 2 (g) = COCl 2 (g),

ако, 20 s след началото на реакцията, първоначалното количество на веществото въглероден оксид (II) намалява от 6 mol 3 пъти (обемът на реактора е 100 l). Как ще се промени скоростта на реакцията, ако се използва по -малко активен бром вместо хлор? Как ще се промени скоростта на реакцията, когато се прилага
а) катализатор; б) инхибитор?

7. В този случай реакцията

CaO (tv.) + CO 2 (g.) = CaCO 3 (tv.)

работи по -бързо: когато използвате големи парчета или калциев оксид на прах? Изчисли:
а) количеството на веществото; б) масата на калциев карбонат, образувана за 10 s, ако скоростта на реакцията е 0,1 mol / (l s), обемът на реактора е 1 литър.

8. Взаимодействието на проба от магнезий със солна киселина НС1 дава възможност да се получат 0,02 mol магнезиев хлорид 30 s след началото на реакцията. Определете колко време е необходимо, за да получите 0,06 mol магнезиев хлорид.

Д) от 70 до 40 ° C, скоростта на реакцията намалява с 8 пъти;
ж) от 60 до 40 ° С, скоростта на реакцията намалява с 6,25 пъти;
з) от 40 до 10 ° C, скоростта на реакцията намалява 27 пъти.

11. Собственикът на колата я боядиса с нова боя и след това установи, че според инструкциите трябва да изсъхне за 3 часа при 105 ° C. Колко дълго ще изсъхне боята при 25 ° C, ако температурният коефициент на полимеризационната реакция в основата на този процес е: а) 2; б) 3; в 4?

ОТГОВОРИ НА ВЪПРОСИ

1.а) = kc(О 2); б) = kc(HI) 2.

2. T+10 = T .

3. Скоростта на реакцията се увеличава в случаите a, b, d, f; намалява - c, d, g; не се променя - з.

4. 0,003 mol / (l s). С увеличаване на концентрацията на CO скоростта на реакцията се увеличава.

5. Скоростта на първата реакция е 2 пъти по -ниска.

6. 0,002 mol / (l s).

7. а) 1 мол; б) 100 гр.

9. Скоростта на реакциите d, g, h ще се увеличи 2 пъти; 4 пъти - a, b, f; 8 пъти - в, g

10. Температурен коефициент:

2 за реакции b, f; = 2,5 - c, f; = 3 - d, h; = 3,5 - a, d.

а) 768 часа (32 дни, т.е. повече от 1 месец);
б) 19 683 часа (820 дни, тоест повече от 2 години);
в) 196 608 часа (8192 дни, т.е. 22 години).