Учебная литература 

Закономерности изменения свойств атомов простых веществ. Закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений по периодам и группам

Скорость химической реакции зависит от многих факторов, включая природу реагирующих веществ, концентрацию реагирующих веществ, температуру, наличие катализаторов. Рассмотрим эти факторы.

1). Природа реагирующих веществ . Если идёт взаимодействие между веществами с ионной связью, то реакция протекает быстрее, чем между веществами с ковалентной связью.

2.) Концентрация реагирующих веществ . Чтобы прошла химическая реакция, необходимо столкновение молекул реагирующих веществ. То есть молекулы должны настолько близко подойти друг к другу, чтобы атомы одной частицы испытывали на себе действие электрических полей другой. Только в этом случае будут возможны переходы электронов и соответствующие перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ. Таким образом, скорость химических реакций пропорциональна числу столкновений, которое происходит между молекулами, а число столкновений, в свою очередь, пропорционально концентрации реагирующих веществ. На основании экспериментального материала норвежские учёные Гульдберг и Вааге и независимо от них русский учёный Бекетов в 1867 году сформулировали основной закон химической кинетики – закон действующих масс (ЗДМ): при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени их стехиометрических коэффициентов. Для общего случая:

закон действующих масс имеет вид:

Запись закона действующих масс для данной реакции называют основным кинетическим уравнением реакции . В основном кинетическом уравнении k – константа скорости реакции, которая зависит от природы реагирующих веществ и температуры.

Большинство химических реакций является обратимыми. В ходе таких реакций продукты их по мере накопления реагируют друг с другом с образованием исходных веществ:

Скорость прямой реакции:

Скорость обратной реакции:

В момент равновесия:

Отсюда закон действующих масс в состоянии равновесия примет вид:

где K – константа равновесия реакции.

3) Влияние температуры на скорость реакции . Скорость химических реакций, как правило, при превышении температуры возрастает. Рассмотрим это на примере взаимодействия водорода с кислородом.

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О

При 20 0 С скорость реакции практически равна нулю и понадобилось бы 54 млрд.лет, чтобы взаимодействие прошло на 15%. При 500 0 С для образования воды потребуется 50 минут, а при 700 0 С реакция протекает мгновенно.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа : при увеличении температуры на 10 о скорость реакции увеличивается в 2 – 4 раза. Правило Вант-Гоффа записывается:


4) Влияние катализаторов . Скорость химических реакций можно регулировать с помощью катализаторов – веществ, изменяющих скорость реакции и остающихся после реакции в неизменном количестве. Изменение скорости реакции в присутствии катализатора называется катализом. Различают положительный (скорость реакции увеличивается) и отрицательный (скорость реакции уменьшается) катализ. Иногда катализатор образуется в ходе реакции, такие процессы называют автокаталитическими. Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе. Например:

При гетерогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Например:

Гетерогенный катализ связан с ферментативными процессами. Все химические процессы, протекающие в живых организмах, катализируются ферментами, которые представляют собой белки с определёнными специализированными функциями. В растворах, в которых идут ферментативные процессы, нет типичной гетерогенной среды, в связи с отсутствием чётко выраженной поверхности раздела фаз. Такие процессы относят к микрогетерогенному катализу.

Изучением скорости химической реакции и условиями, влияющими на ее изменение, занимается одно из направлений физической химии - химическая кинетика. Она также рассматривает механизмы протекания этих реакций и их термодинамическую обоснованность. Эти исследования важны не только в научных целях, но и для контроля взаимодействия компонентов в реакторах при производстве всевозможных веществ.

Понятие скорости в химии

Скоростью реакции принято называть некое изменение концентраций, вступивших в реакцию соединений (ΔС) в единицу времени (Δt). Математическая формула скорости химической реакции выглядит следующим образом:

ᴠ = ±ΔC/Δt.

Измеряют скорость реакции в моль/л∙с, если она происходит во всем объеме (то есть реакция гомогенная) и в моль/м 2 ∙с, если взаимодействие идет на поверхности, разделяющей фазы (то есть реакция гетерогенная). Знак «-» в формуле имеет отношение к изменению значений концентраций исходных реагирующих веществ, а знак «+» - к изменяющимся значениям концентраций продуктов той же самой реакции.

Примеры реакций с различной скоростью

Взаимодействия химических веществ могут осуществляться с различной скоростью. Так, скорость нарастания сталактитов, то есть образования карбоната кальция, составляет всего 0,5 мм за 100 лет. Медленно идут некоторые биохимические реакции, например, фотосинтез и синтез белка. С довольно низкой скоростью протекает коррозия металлов.

Средней скоростью можно охарактеризовать реакции, требующие от одного до нескольких часов. Примером может послужить приготовление пищи, сопровождающееся разложением и превращением соединений, содержащихся в продуктах. Синтез отдельных полимеров требует нагревания реакционной смеси в течение определенного времени.

Примером химических реакций, скорость которых довольно высока, могут послужить реакции нейтрализации, взаимодействие гидрокарбоната натрия с раствором уксусной кислоты, сопровождающееся выделением углекислого газа. Также можно упомянуть взаимодействие нитрата бария с сульфатом натрия, при котором наблюдается выделение осадка нерастворимого сульфата бария.

Большое число реакций способно протекать молниеносно и сопровождаются взрывом. Классический пример - взаимодействие калия с водой.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Стоит отметить, что одни и те же вещества могут реагировать друг с другом с различной скоростью. Так, например, смесь газообразных кислорода и водорода может довольно длительное время не проявлять признаков взаимодействия, однако при встряхивании емкости или ударе реакция приобретает взрывной характер. Поэтому химической кинетикой и выделены определенные факторы, которые имеют способность оказывать влияние на скорость химической реакции. К ним относят:

  • природу взаимодействующих веществ;
  • концентрацию реагентов;
  • изменение температуры;
  • наличие катализатора;
  • изменение давления (для газообразных веществ);
  • площадь соприкосновения веществ (если говорят о гетерогенных реакциях).

Влияние природы вещества

Столь существенное отличие в скоростях химических реакций объясняется разными значениями энергии активации (Е а). Под ней понимают некое избыточное количество энергии в сравнении со средним ее значением, необходимым молекуле при столкновении, для того чтобы реакция произошла. Измеряется в кДж/моль и значения обычно бывают в границах 50-250.

Принято считать, что если Е а =150 кДж/моль для какой-либо реакции, то при н. у. она практически не протекает. Эта энергия тратится на преодоление отталкивания между молекулами веществ и на ослабление связей в исходных веществах. Иными словами, энергия активации характеризует прочность химических связей в веществах. По значению энергии активации можно предварительно оценить скорость химической реакции:

  • 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);
  • Е а >120, только очень малая часть стол-кновений частиц приведет к реакции, и скорость ее будет низкой.

Влияние концентрации

Зависимость скорости реакции от концентрации вернее всего характеризуется законом действующих масс (ЗДМ), который гласит:

Скорость химической реакции имеет прямо пропорциональную зависимость от произведения концентраций, вступивших в реакцию веществ, значения которых взяты в степенях, соответствующих им стехиометрическим коэффициентам.

Этот закон подходит для элементарных одностадийных реакций, или же какой-либо стадии взаимодействия веществ, характеризующегося сложным механизмом.

Если требуется определить скорость химической реакции, уравнение которой можно условно записать как:

αА+ bB = ϲС, то,

в соответствии с выше обозначенной формулировкой закона, скорость можно найти по уравнению:

V=k·[A] a ·[B] b , где

a и b - стехиометрические коэффициенты,

[A] и [B] - концентрации исходных соединений,

k - константа скорости рассматриваемой реакции.

Смысл коэффициента скорости химической реакции заключается в том, что ее значение будет равно скорости, если концентрации соединений будут равны единицам. Следует отметить, что для правильного расчета по этой формуле стоит учитывать агрегатное состояние реагентов. Концентрацию твердого вещества принимают равной единице и не включают в уравнение, поскольку в ходе реакции она остается постоянной. Таким образом, в расчет по ЗДМ включают концентрации только жидких и газообразных веществ. Так, для реакции получения диоксида кремния из простых веществ, описываемой уравнением

Si (тв) + Ο 2(г) = SiΟ 2(тв) ,

скорость будет определяться по формуле:

Типовая задача

Как изменилась бы скорость химической реакции монооксида азота с кислородом, если бы концентрации исходных соединений увеличили в два раза?

Решение: Этому процессу соответствует уравнение реакции:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 .

Запишем выражения для начальной (ᴠ 1) и конечной (ᴠ 2) скоростей реакции:

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.

Ответ: увеличилась в 8 раз.

Влияние температуры

Зависимость скорости химической реакции от температуры была определена опытным путем голландским ученым Я. Х. Вант-Гоффом. Он установил, что скорость многих реакций возрастает в 2-4 раза с повышением температуры на каждые 10 градусов. Для этого правила имеется математическое выражение, которое имеет вид:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 , где

ᴠ 1 и ᴠ 2 - соответствующие скорости при температурах Τ 1 и Τ 2 ;

γ - температурный коэффициент, равен 2-4.

Вместе с тем это правило не объясняет механизма влияния температуры на значение скорости той или иной реакции и не описывает всей совокупности закономерностей. Логично сделать вывод о том, что с повышением температуры, хаотичное движение частиц усиливается и это провоцирует большее число их столкновений. Однако это не особо влияет на эффективность соударения молекул, поскольку она зависит, главным образом, от энергии активации. Также немалую роль в эффективности столкновения частиц имеет их пространственное соответствие друг другу.

Зависимость скорости химической реакции от температуры, учитывающая природу реагентов, подчиняется уравнению Аррениуса:

k = А 0 ·е -Еа/RΤ , где

А о - множитель;

Е а - энергия активации.

Пример задачи на закон Вант-Гоффа

Как следует изменить температуру, чтобы скорость химической реакции, у которой температурный коэффициент численно равен 3, выроста в 27 раз?

Решение. Воспользуемся формулой

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 .

Из условия ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27, а γ = 3. Найти нужно ΔΤ = Τ 2 -Τ 1 .

Преобразовав исходную формулу получаем:

V 2 /V 1 =γ ΔΤ/10 .

Подставляем значения: 27=3 ΔΤ/10 .

Отсюда понятно, что ΔΤ/10 = 3 и ΔΤ = 30.

Ответ: температуру следует повысить на 30 градусов.

Влияние катализаторов

В физической химии скорость химических реакций активно изучает также раздел, называемый катализом. Его интересует, как и почему сравнительно малые количества тех или иных веществ существенно увеличивают скорость взаимодействия других. Такие вещества, которые могут ускорять реакцию, но сами при этом в ней не расходуются, называются катализаторами.

Доказано, что катализаторы меняют механизм самого химического взаимодействия, способствуют появлению новых переходных состояний, для которых характерны меньшие высоты энергетического барьера. То есть они способствуют снижению энергии активации, а значит и увеличению количества эффективных ударений частиц. Катализатор не может вызвать реакцию, которая энергетически невозможна.

Так пероксид водорода способен разлагаться с образованием кислорода и воды:

Н 2 Ο 2 = Н 2 Ο + Ο 2 .

Но эта реакция очень медленная и в наших аптечках она существует в неизменном виде довольно долгое время. Открывая лишь очень старые флаконы с перекисью, можно заметить небольшой хлопок, вызванный давлением кислорода на стенки сосуда. Добавление же всего нескольких крупинок оксида магния спровоцирует активное выделение газа.

Та же реакция разложения перекиси, но уже под действием каталазы, происходит при обработке ран. В живых организмах находится много различных веществ, которые увеличивают скорость биохимических реакций. Их принято называть ферментами.

Противоположный эффект на протекание реакций оказывают ингибиторы. Однако это не всегда плохо. Ингибиторы используют для защиты металлической продукции от коррозии, для продления срока хранения пищи, например, для предотвращения окисления жиров.

Площадь соприкосновения веществ

В том случае, если взаимодействие идет между соединениями, имеющими разные агрегатные состояния, или же между веществами, которые не способны образовывать гомогенную среду (не смешивающиеся жидкости), то еще и этот фактор влияет на скорость химической реакции существенно. Связано это с тем, что гетерогенные реакции осуществляются непосредственно на границе раздела фаз взаимодействующих веществ. Очевидно, что чем обширнее эта граница, тем больше частиц имеют возможность столкнуться, и тем быстрее идет реакция.

Например, гораздо быстрее идет в виде мелких щепок, нежели в виде бревна. С той же целью многие твердые вещества растирают в мелкий порошок, прежде чем добавлять в раствор. Так, порошкообразный мел (карбонат кальция) быстрее действует с соляной кислотой, чем кусочек той же массы. Однако, помимо увеличения площади, данный прием приводит также к хаотичному разрыву кристаллической решетки вещества, а значит, повышает реакционную способность частиц.

Математически скорость гетерогенной химической реакции находят, как изменение количества вещества (Δν), происходящее в единицу вре-мени (Δt) на единице поверхности

(S): V = Δν/(S·Δt).

Влияние давления

Изменение давления в системе оказывает влияние лишь в том случае, когда в реакции принимают участие газы. Повышение давления сопровождается увеличением молекул вещества в единице объема, то есть концентрация его пропорционально возрастает. И наоборот, понижение давление приводит к эквивалентному уменьшению концентрации реагента. В этом случае подходит для вычисления скорости химической реакции формула, соответствующая ЗДМ.

Задача. Как возрастет скорость реакции, описываемой уравнением

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 ,

если объем замкнутой системы уменьшить в три раза (Т=const)?

Решение. При уменьшении объема пропорционально увеличивается давление. Запишем выражения для начальной (V 1) и конечной (V 2) скоростей реакции:

V 1 = k· 2 ·[Ο 2 ] и

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

Чтобы найти во сколько раз новая скорость больше начальной, следует разделить левые и правые части выражений:

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

Значения концентраций и константы скорости сокращаются, и остается:

V 2 /V 1 = 9·3/1 = 27.

Ответ: скорость возросла в 27 раз.

Подводя итог, нужно отметить, что на скорость взаимодействия веществ, а точнее, на количество и качество столкновений их частиц, влияет множество факторов. В первую очередь - это энергия активации и геометрия молекул, которые практически невозможно скорректировать. Что касается остальных условий, то для роста скорости реакции следует:

  • увеличить температуру реакционной среды;
  • повысить концентрации исходных соединений;
  • увеличить давление в системе или уменьшить ее объем, если речь идет о газах;
  • привести разнородные вещества к одному агрегатному состоянию (например, растворив в воде) или увеличить площадь их соприкосновения.

Основные изучаемые понятия:

Скорость химических реакций

Молярная концентрация

Кинетика

Гомогенные и гетерогенные реакции

Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Катализатор, ингибитор

Катализ

Обратимые и необратимые реакции

Химическое равновесие

Химические реакции – это реакции, в результате которых из одних веществ получаются другие (из исходных веществ образуются новые вещества). Одни химические реакции протекают за доли секунды (взрыв), другие же – за минуты, дни, годы, десятилетия и т.д.

Например: мгновенно с воспламенением и взрывом происходит реакция горения пороха, а реакция потемнения серебра или ржавления железа (коррозия) идёт так медленно, что проследить за её результатом можно лишь по истечении длительного времени.

Для характеристики быстроты химической реакции используют понятие скорости химической реакции – υ.

Скорость химической реакции – это изменение концентрации одного из реагирующих веществ реакции в единицу времени.

Формула вычисления скорости химической реакции:

υ = с 2 – с 1 = ∆ с
t 2 – t 1 ∆ t

с 1 – молярная концентрация вещества в начальный момент времени t 1

с 2 – молярная концентрация вещества в начальный момент времени t 2

так как скорость химической реакции характеризуется изменением молярной концентрации реагирующих веществ (исходных веществ), то t 2 > t 1 , а с 2 > с 1 (концентрация исходных веществ убывает по мере протекания реакции).

Молярная концентрация (с) – это количество вещества в единице объёма. Единица измерения молярной концентрации - [моль/л].

Раздел химии, который изучает скорость химических реакций, называется химической кинетикой . Зная её законы, человек может управлять химическими процессами, задавать им определённую скорость.

При расчёте скорости химической реакции необходимо помнить, что реакции делятся на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные реакции – реакции, которые протекают в одной среде (т.е. реагирующие вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии; например: газ + газ, жидкость + жидкость ).

Гетерогенные реакции – это реакции, протекающие между веществами в неоднородной среде (есть поверхность раздела фаз, т.е. реагирующие вещества находятся в разном агрегатном состоянии; например: газ + жидкость, жидкость + твёрдое вещество ).

Данная выше формула расчёта скорости химической реакции справедлива только для гомогенных реакций. Если реакция гетерогенная, то она может идти только на поверхности разделе реагирующих веществ.

Для гетерогенной реакции скорость вычисляется по формуле:

∆ν – изменение количества вещества

S – площадь поверхности раздела фаз

∆ t – промежуток времени, за который проходила реакция

Скорость химических реакций зависит от разных факторов: природы реагирующих веществ, концентрации веществ, температуры, катализаторов или ингибиторов.

Зависимость скорости реакций от природы реагирующих веществ.

Разберём данную зависимость скорости реакции на примере: опустим в две пробирки, в которых находится одинаковое количество раствора соляной кислоты (HCl), одинаковые по площади гранулы металлов: в первую пробирку гранулу железа (Fe), а во вторую – гранулу магния (Mg). В результате наблюдений, по скорости выделения водорода (Н 2), можно заметить, что с наибольшей скорость с соляной кислотой реагирует магний, чем железо . На скорость данной химической реакции оказывает влияние природа металла (т.е. магний более химически активный металл, чем железо, и поэтому он более энергично взаимодействует с кислотой).

Зависимость скорости химических реакций от концентрации реагирующих веществ.

Чем выше концентрация реагирующего (исходного) вещества, тем быстрее протекает реакция. И наоборот, чем меньше концентрация реагирующего вещества, тем медленнее идёт реакция.

Например: нальём в одну пробирку концентрированный раствор соляной кислоты (HCl), а в другую – разбавленный раствор соляной кислоты. Положим в обе пробирки по грануле цинка (Zn). Пронаблюдаем, по скорости выделения водорода, что реакция быстрее пойдёт в первой пробирке, т.к. концентрация соляной кислоты в ней больше, чем во второй пробирке.

Для определения зависимости скорости химической реакции применяют закон действия (действующих) масс : скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, которые равны их коэффициентам.

Например, для реакции, протекающей по схеме : nA + mB → D , скорость химической реакции определяют по формуле:

υ х.р. = k · C (A) n · C (B) m , где

υ х.р - скорость химической реакции

C (A) – А

C (В) – молярная концентрация вещества В

n и m – их коэффициенты

k – константа скорости химической реакции (справочная величина).

Закон действия масс не распространяется на вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, т.к. их концентрация постоянна (вследствие того, что они реагируют лишь на поверхности, которая остаётся неизменной).

Например: для реакции 2 Cu + O 2 = 2CuO скорость реакции определяют по формуле:

υ х.р. = k · C(O 2)

ЗАДАЧА: Константа скорости реакции 2А + В = D равна 0,005. вычислить скорость реакции при молярной концентрации вещества А = 0,6 моль/л, вещества В = 0,8 моль/л.

Зависимость скорости химической реакции от температуры .

Эта зависимость определяется правилом Вант – Гоффа (1884г.): при увеличении температура на каждые 10 С о скорость химической реакции увеличивается в среднем в 2 – 4 раза.

Так, взаимодействие водорода (Н 2) и кислорода (О 2) при комнатной температуре почти не происходит, так мала скорость этой химической реакции. Но при температуре 500 С о эта реакция протекает за 50 минут, а при температуре 700 С о – почти мгновенно.

Формула расчёта скорости химической реакции по правилу Вант – Гоффа:

где: υ t 1 и υ t 2 - скорости химических реакций при t 2 и t 1

γ – температурный коэффициент, который показывает во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на 10 С о.

Изменение скорости реакции:

2. Подставим данные из условия задачи в формулу:

Зависимость скорости реакций от специальных веществ – катализаторов и ингибиторов.

Катализатор – вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само в ней не участвует.

Ингибитор – вещество, замедляющее химическую реакцию, но само в ней не участвующие.

Пример: в пробирку с раствором 3% перекиси водорода (Н 2 О 2), которую нагрели, внесём тлеющую лучину – она не загорится, т.к. скорость реакции разложения перекиси водорода на воду (Н 2 О) и кислород (О 2) очень мала, и образовавшегося кислорода недостаточно для проведения качественной реакции на кислород (поддержание горения). Теперь внесём в пробирку немного чёрного порошка оксида марганца (IV) (MnO 2) и увидим, что началось бурное выделение пузырьков газа (кислорода), а внесённая в пробирку тлеющая лучина ярко вспыхивает. MnO 2 – катализатор данной реакции, он ускорил скорость реакции, но сам в ней не участвовал (это можно доказать взвесив катализатор до и после проведения реакции – его масса не изменится).

Знание скоростей химический реакций имеет большое теоретическое и практическое значение. Например, в химической промышленности при производстве вещества от скорости реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество получаемого продукта.

У разных химических реакций разная скорость. Некоторые реакции протекают в течение долей секунды, для осуществления других нужны месяцы, а то и годы. Скорость протекания химических реакций изучает химическая кинетика .

Основные понятия, с которыми оперирует химическая кинетика - это химическая система и фаза :

  • Химическая система - вещество (совокупность веществ);
  • Химическая фаза - часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела .

Системы, состоящие из одной фазы, называются однородными или гомогенными , например, газовые смеси или растворы. Реакции, протекающие в гомогенных системах, называются гомогенными реакциями , такие реакции протекают во всем объеме смеси.

Системы, состоящие из нескольких фаз, называютя неоднородными или гетерогенными , например, жидкость+твердое вещество. Реакции, протекающие в гетерогенных системах, называются гетерогенными реакциями , такие реакции протекают толькло на поверхности раздела фаз.

Скорость гомогенной реакции

Скоростью гомогенной реакции называют кол-во вещества (ν), образующегося в результате реакции за единицу времени (t) в единице объема системы (V):

  • ν 1 - кол-во молей вещества в момент времени t 1 ;
  • ν 2 - кол-во молей вещества в момент времени t 2 ;

Мольно-объемная концентрация вещества (С, моль/л) - отношение кол-ва молей вещества (ν) ко всему объему реакционной смеси (V): С=ν/V .

Скорость гомогенной реакции равна изменению концентрации реагирующего вещества в единицу времени.

В том случае, если речь идет о концентрации одного из продуктов реакции, в выражении ставится знак "плюс", если о концентрации одного из искодных веществ - знак "минус".

Скорость гетерогенной реакции

Как уже было сказано выше, главное отличие гетерогенных реакций от гомогенных заключается в том, что реакция происходит на границе раздела фаз.

Скоростью гетерогенной реакции (v гет) называется кол-во вещества (ν), образующегося за единицу времени (t) на единице поверхности раздела фаз (S).

Основные факторы, влияющие на скорость реакций:

  • природа реагирующих веществ;
  • концентрация;
  • температура;
  • катализаторы;
  • размеры частиц реагентов;
  • давление.

Последние два пункта относятся к гетерогенным реакциям.

Природа реагирующих веществ

Необходимым условием химического взаимодействия между молекулами веществ является их столкновение друг с другом на "нужном" участке молекулы, называемом участком с высокой реакционной активностью . Это как в боксе: если удар боксера приходится в перчатки соперника, то реакции не будет; а вот если удар приходится в голову соперника, то вероятность нокаута (реакции) значительно возрастает; а если при этом сила удара (сила соударений молекул) велика, то нокаут (реакция) становится неизбежным.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, чем сложнее молекула, тем ее высокореактивный участок меньше. Отсюда, чем больше и сложнее молекулы реагирующих веществ, тем меньше скорость реакции.

Концентрация реагентов

Скорость реакции прямо пропорциональна числу соударений молекул. Чем выше концентрация реагентов, тем больше соударений, тем выше скорость химической реакции. Например, горение в чистом кислороде происходит гораздо быстрее, чем на обыкновенном воздухе.

Однако, следует сказать, что в сложных реакциях, протекающие в несколько стадий; такая зависимость не соблюдается. Это позволяет определить какой из реагентов не задействован в самой медленной стадии реакции, которая и определяет саму скорость реакции.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс , который был открыт в 1867 г. норвежскими учеными Гульдбергом и Вааге.

Скорость (v) условной реакции, описываемой уравнением aA+bB=cC+dD , в соответствии с законом действующих масс, будет вычисляться по формуле, которая носит название кинетического уравнения реакции :

V=k·[A] a ·[B] b

  • [A], [B] - концентрации исходных веществ;
  • k - константа скорости реакции, равная скорости данной реакции при концентрациях реагирующих веществ, равной 1 моль каждая.

k не зависит от концентрации реагирующих веществ, но зависит от их природы и температуры.

По кинетическому уравнению реакции можно определить скорость изменения реакции в зависимости от изменения концентрации реагирующих веществ.

Примеры кинетических уравнений:

2SO 2 (г)+O 2 (г)=2SO 3 (г) v=k· 2 · CuO(т)+H 2 (г)=Cu(т)+H 2 O(г) v=k·

Обратите внимание, что в кинетические уравнения не входят концентрации твердых веществ, а только газообразных и растворенных.

Температура реагентов

При повышении температуры молекулы движутся быстрее, отсюда возрастает количество их соударений друг с другом. Кроме этого, увеличивается кинетическая энергия молекул, что повышает эффективность соударений, которые в конечном счете и определяют скорость реакции.

Согласно теории активации , в химической реакции могут принять участие лишь молекулы, обладающие энергией, которая превышает некую среднюю величину. Величина превышения средней энергии молекул носит название энергии активации . Эта энергия необходима для ослабления химических связей в молекулах исходных веществ. Молекулы, обладающие необходимой избыточной энергией, что позволяет им вступать в реакцию, называются активными молекулами . Чем выше температура, тем больше активных молекул, тем выше скорость реакции.

Зависимость скорости реакции от температуры характеризуется правилом Вант-Гоффа :

Математически правило Вант-Гоффа выражается следующей формулой:

  • γ - температурный коэффициент, показывающий увеличение скорости реакции при повышении температуры на 10°C;
  • v 1 - скорость реакции при температуре t 1 ;
  • v 2 - скорость реакции при температуре t 2 ;

Катализаторы

Катализаторы - это вещества, которые влияют на скорость реакции, но при этом сами не расходуются.

Реакции, протекающие с участием катализаторов, носят название каталитических реакций .

Основное действие катализатора - снижение энергии активации реакции , в результате чего возрастает количество эффективных соударений молекул.

Катализаторы могут ускорять реакцию в миллионы раз!

Различают два вида катализа:

  • гомогенный (однородный) катализ - катализатор и реагенты образуют одну фазу: газ или раствор;
  • гетерогенный (неоднородный) катализ - катализатор находится в виде самостоятельной фазы.

Механизм каталитических реакций очень сложен и до конца неизвестен. Согласно одной из научных гипотез, в каталитических реакциях катализатор и реагент вступают в реакцию с образованием промежуточного соединения, которое гороаздо активнее реагирует с другим исходным веществом с образованием конечного продукта реакции, при этом сам катализатор выделяется в свободном состоянии.

Обычно под катализаторами понимают вещества, ускоряющие реакцию, но есть вещества, замедляющие течение реакции - они называются ингибиторами .

Биологические катализаторы называются ферментами . Ферменты являются белками.

Размер частиц реагентов

Возьмем спичку и поднесем ее к куску угля. Вряд ли уголь успеет загореться, пока спичка не погаснет. Измельчим уголь и повторим эксперимент - угольная пыль не просто загорится, а очень быстро загорится - произойдет взрыв (основная опасность в угольных шахтах). Что же происходит?

Измельчив уголь, мы тем самым резко увеличим площадь его поверхности. Чем больше площадь поверхности, на которой происходят столкновения молекул, тем выше скорость реакции.

Давление реагентов

Давление газообразных реагентов аналогично их концентрации - чем выше давление - тем выше концентрация - тем выше скорость реакции, т.к. количество соударений молекул возрастает. Как и концентрация, давление реагентов не "работает" в сложных реакциях.

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).