Следните основни фактори влияят върху скоростта на реакцията. Скорост на химична реакция

Скоростта на реакцията зависи от естеството и концентрацията на реагиращите вещества, температурата, налягането, наличието на катализатор и неговите свойства, степента на смилане на твърдата фаза, облъчването със светлинни кванти и други фактори.

1. Естеството на реагиращите вещества... Естеството на реагиращите вещества се разбира като естеството на химическата връзка в молекулите на реагентите и нейната сила. Разкъсването на връзките и образуването на нови връзки определят стойността на константата на скоростта и по този начин влияят върху процеса на реакцията.

Мащабът на енергията на активиране е факторът, чрез който влияе ефектът от естеството на реагиращите вещества върху скоростта на реакцията: ако енергията на активиране е малка, тогава скоростта на такава реакция е висока, например, всички реакции на йонообмен протичат почти мигновено, скоростите на реакции с участието на радикали са много високи; ако енергията на активиране е висока, тогава скоростта на такава реакция е ниска, например, това са много реакции между вещества с ковалентни химически връзки, между газообразни вещества.

2. Концентрация на реагентите... Количествената характеристика на зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията закон за масовите действия (Guldberg and Waage, 1867): скоростта на химична реакция е право пропорционална на концентрацията на реагентите, повишена до степен, равна на стехиометричните коефициенти в уравнението на реакцията.

За реакцията aA + bB \u003d cC + dD математическият израз за закона за масовото действие е:

υ \u003d k · [A] a · [B] bили υ \u003d k C A a C B b,

където v - скоростта на химичната реакция; [И], [AT]или C A, C B- моларни концентрации на реагентите; a, b - стехиометрични коефициенти на реагентите; к - коефициент на пропорционалност.

Извикват се подобни изрази кинетични уравнения на реакциите ... Съотношение кв кинетичното уравнение се нарича скоростна константа ... Константата на скоростта е числено равна на скоростта на реакцията при концентрация на реагент 1 mol / l; к зависи от естеството на реагиращите вещества, температурата, метода за изразяване на концентрацията, но не зависи от големината на концентрацията на реагиращите вещества.

За хетерогенните реакции на концентрацията на твърди вещества не са включени в уравнението на скоростта, тъй като реакцията се осъществява само на интерфейса. Например, кинетичното уравнение за реакцията на изгаряне на въглища C (tv) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g) ще има формата: υ \u003d k · [О 2].

Извиква се сумата от показателите за степента на концентрация на реагентите в кинетичното уравнение на реакцията ред на химична реакция ... Поръчката за това вещество ( частна поръчка ) се определя като степен на концентрация на това вещество. Например, общият ред на реакцията: H2 + I2 \u003d 2HI е равен на два, конкретните порядъци на водород и йод са равни на един, тъй като υ \u003d k · ·.

3. Температура.Изразява се зависимостта на скоростта на реакцията от температурата правилото на Хонт не (1884): когато температурата се повиши на всеки десет градуса, скоростта на реакцията се увеличава с около 2 - 4 пъти... Математически израз van't Hoff правило:

υ 2 \u003d υ 1 γ ∆ t / 10

където υ 1 и υ 2 - скоростта на реакцията при t1 и t2; .T \u003d t 2 - t 1; γ - температурен коефициент, показващ колко пъти се увеличава скоростта на реакцията, когато температурата се повиши с 10 ºС.

Зависимостта на константата на скоростта на реакцията от температурата се изразява чрез уравнението на Арениус (1889):

k \u003d A e - E / RT

където Е е енергията на активиране, кал / мол; J / mol; e е основата на естествения логаритъм; А е константа, независима от температурата; R е газовата константа.

Ефектът от температурата върху скоростта на реакцията се обяснява с факта, че с повишаване на температурата броят на активните молекули се увеличава рязко (експоненциално).

4. Повърхност на реагентите и налягане. AT хетерогенни реакции - взаимодействието на веществата се осъществява на границата на взаимодействието, и колкото по-голяма е площта на тази повърхност, толкова по-висока е скоростта на реакция... В този случай увеличаването на контактната повърхност съответства на увеличаване на концентрацията на реагентите.

Относно скоростта на реакциите, включващи газообразни вещества, промяната засяга натиск... Намаляването или увеличаването на налягането води до съответни промени в обема и тъй като количествата вещества не се променят, концентрациите на реагентите ще се променят.

5. Катализа. Един от методите за ускоряване на химична реакция е катализа, която се извършва чрез въвеждане на катализатори, които увеличават скоростта на реакцията, но не се консумират в резултат на нейната поява. Механизмът на действие на катализатора се свежда до намаляване на енергията на активиране на реакцията, т.е. до намаляване на разликата между средната енергия на активните молекули и средната енергия на молекулите на изходните вещества. В този случай скоростта на химичната реакция се увеличава. По правило терминът „ катализатор »Прилага се за онези вещества, които увеличават скоростта на химична реакция. Извикват се вещества, които намаляват скоростта на реакцията инхибитори .

Катализаторите участват пряко в процеса, но в края му могат да бъдат изолирани от реакционната смес в първоначалното количество. Катализаторите се характеризират с селективност , т.е. способността да влияе на хода на реакцията в определена посока, следователно, различни продукти могат да бъдат получени от едни и същи изходни материали, в зависимост от използвания катализатор.

Биокатализаторите заемат специално място –ензими които са протеини. Ензимите влияят върху скоростта на строго определени реакции, тоест те имат много висока селективност. Ензимите ускоряват реакциите милиарди и трилиони пъти при стайна температура. При повишени температури те губят активността си, тъй като протеините се денатурират.

Има два вида катализа: хомогенна катализа когато катализаторът и изходните материали са в една и съща фаза, и разнородни , когато катализаторът и изходните материали са в различни фази, т.е. реакциите протичат на повърхността на катализатора. Катализаторът не влияе върху състоянието на равновесие в системата, а само променя скоростта, с която това състояние се достига. Това произтича от факта, че равновесието съответства на минимум от изобарно-изотермичен потенциал (енергия на Гибс), а равновесната константа има същата стойност, както в присъствието на катализатор, така и без него.

Хомогенно каталитично действие е, че той реагира с един от изходните материали с образуването на междинно съединение, което от своя страна влиза в химични реакции с друг изходен материал, като дава желания продукт на реакцията и "освобождава" катализатора. По този начин при хомогенна катализа процесът протича на няколко етапа, но с по-ниски стойности на енергията на активиране за всеки етап, отколкото при директния некаталитичен процес.

Оставете веществото A да реагира с вещество B, образувайки съединение AB:

Реакцията протича с незначителна скорост. При добавяне на катализатор К реакциите продължават: A + K \u003d AK и AK + B \u003d AB + K.

Като добавим тези две уравнения, получаваме: A + B \u003d AB.

Пример за реакция, включваща хомогенен катализатор, е реакцията на окисление на серен (IV) оксид до серен (VI) оксид: без катализатор: SO2 + 0.5O2 \u003d SO3;

с катализатор NO2: SO2 + NO2 \u003d SO3 + NO, NO + 0.5O2 \u003d NO2.

Хетерогенно каталитично действие се крие във факта, че газовите (или течните) молекули се адсорбират на повърхността на кристала на катализатора, което води до преразпределение на електронната плътност в адсорбираните молекули и отслабване на химическата връзка в тях до пълното дисоцииране на молекулата в атоми. Това значително улеснява взаимодействието на адсорбираните молекули (атоми) на реагиращите вещества помежду си. Колкото по-голяма е повърхността, толкова по-ефективен е катализаторът. Като хетерогенни катализатори се използват широко метали (никел, платина, паладий, мед), кристални алумосиликати, зеолити, Al 2 O 3, Al 2 (SO 4) 3 и др.

Раздели: Химия

Цел: Да се \u200b\u200bактуализират и задълбочат знанията за скоростта на дадена химична реакция, зависимостта на скоростта на хомогенни и хетерогенни реакции от различни фактори.

Оборудване: Разтвори на Na2S2O3 (0.25N), H2SO4 (2N), хронометър, две бюрети, дестилирана вода, колба с концентрирани водни разтвори на амоняк, платинена тел, две епруветки с разтвори на HCl. Парче гранулиран калай, парче цинк, хронометър.

Учителят съобщава темата на урока, обяснява целта му и предлага на учениците няколко въпроса за дискусия:

1. Какво се нарича скорост в механиката?
2. Дайте примери за химични реакции с различна скорост.
3. Защо да изследваме скоростта, с която се появяват химичните явления?

II Етап на урока - Обяснение на новия материал.

Изследването на скоростите и механизмите на химична реакция се нарича химическа кинетика. Скоростта на химичните реакции варира в широки граници. Някои реакции възникват почти моментално, например взаимодействието на водорода с кислорода при нагряване. Ръждата се образува бавно върху железни предмети, корозионни продукти върху метали.

В този случай, разбира се, не може да се ограничи до чисто качествени разсъждения за „бързи“ и „бавни“ реакции. Количествена характеристика е необходима за такова важно понятие като скоростта на химична реакция (V x. P.)

Скоростта на химична реакция е промяна в концентрацията на един от реагентите за единица време

C (mol / l) - концентрация на вещества,

t (s) - време, V. x. p (mol / L) е скоростта на химична реакция.

Като се има предвид кинетиката на химичните реакции, трябва да се има предвид, че естеството на взаимодействието зависи от състоянието на агрегация на продукти и реактиви. Продуктите и реактивите, взети заедно, образуват т.нар физическа и химическа система. Наборът от хомогенни части на системата, които имат еднакъв химичен състав и свойства и са отделени от останалата част на системата чрез интерфейса, се нарича фаза... Например в чаша вода бяха въведени кристали трапезна сол, след което в първия момент се образува двуфазна система, която ще се превърне в еднофазна след разтварянето на солта. Газовите смеси при нормални условия са еднофазни (вода и алкохол) или многофазни (вода и бензен, вода и живак). Извикват се системи, състоящи се от една фаза хомогенени системи, съдържащи няколко фази - разнородни. Съответно концепцията за хомогенен и разнородниреакции. Реакцията се нарича хомогенна, ако реагентите и продуктите образуват една фаза:

HCI + NaOH \u003d NaCL + H2O

При хетерогенна реакция реагентите и продуктите са в различни фази:

Zn + 2HCL \u003d ZnCL2 + H2

В последния случай както реагентите, така и продуктите представляват различни фази (Zn е твърдо вещество, ZnCL2 е в разтвор и H2 е газ).

Ако реакцията протича между вещества в хетерогенна система, тогава реагиращите вещества са в контакт помежду си не през целия обем, а само на повърхността. В тази връзка определянето на скоростта на хетерогенна реакция е както следва:

Скоростта на хетерогенна реакция се определя от броя на моловете на веществата в резултат на реакцията за единица време на единица повърхност

- промяна в количеството на веществото (реагент или продукт), мол.

- времеви интервал - s, мин.

Фактори, влияещи върху скоростта на реакцията

1. Естеството на реагиращите вещества. Учителят показва опит:

1 ml HCL разтвор се излива в две епруветки. Потопете парче гранулиран калай в едното, а парче цинк със същия размер в другото. Студентите сравняват интензивността на отделянето на газови мехурчета, съставят уравнения за взаимодействието на HCL с цинк и калай и правят заключение за ефекта от естеството на реагентите върху скоростта на реакцията.

2. Концентрация на реагентите.

Опит - Взаимодействие на натриев тиосулфат със сярна киселина.

а) Проведете първо качествено изживяване. За да направите това, изсипете 1 ml разтвор на натриев тиосулфат в епруветка и добавете натрий и добавете 1-2 капки разтвор на сярна киселина. Обърнете внимание на появата след известно време на опалесценция и по-нататъшно помътняване на разтвора от образуването на свободна сяра:

Na2S2O3 + H2SO4 \u003d Na2SO4 + SO2 + S + H2O

Времето, изтекло от изтичането на разтвора до забележима облачност, зависи от скоростта на реакцията.

б) Изсипете 0,25 N от бюретата в три номерирани епруветки. разтвор на натриев тиосулфат: в първия - 1 ml, във втория - 2 ml, в третия - 3 ml. Изсипете 2 ml вода от бюретата към съдържанието на първата епруветка и 1 ml вода към втората. По този начин условната концентрация ще бъде: в епруветки № 1 - С; в епруветки No2 - 2С; в епруветки No3 - 3С.

Добавете 1 капка разтвор на сярна киселина към епруветка № 1 с разтвор на натриев тиосулфат, разклатете я, за да се смеси съдържанието и включете хронометъра. Обърнете внимание на времето от източването на разтворите до забележимата поява на опалесценция.

Повторете експеримента с епруветки № 2 и № 3, добавете по 1 капка разтвор на сярна киселина и определете времето за реакция.

След експеримента учителят на черната дъска изгражда графика на зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите, където върху абсцисата нанася условната концентрация на разтвор на натриев тиосулфат, върху ординатата условната скорост на реакцията. (Графикът може да бъде изготвен предварително).

Студентите анализират графиката и правят изводи за зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите.

Ефектът от концентрацията на реагентите върху скоростта на химическо взаимодействие се изразява чрез основния закон на химическата кинетика.

Скоростта на химичните реакции, протичащи в хомогенна среда при постоянна температура, е пряко пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, повишени до степента на техните стехиометрични коефициенти

= к[A] n [B] m

Това уравнение е кинетичното уравнение на скоростта. [ A], [Б.] (mol / l) - концентрация на изходни вещества; n, m- коефициенти в уравнението на реакцията; k -скоростна константа.

Физическото значение на константата на скоростта ( к):

ако [ A] = [Б.] \u003d 1 mol / L \u003d\u003e \u003d к1 н 1 м. ,тези. \u003d к... Това е скоростта на тази реакция при стандартни условия.

No. 1.2H 2 (g) + O 2 (g) -\u003e 2H 2 O (g)

= к 2

Как ще се промени скоростта на тази реакция, ако концентрацията на всяко от изходните вещества се удвои?

1 = к(2) 2 (2);

2 и 2 - нови концентрации на изходни вещества.

1 = к4 2 2

1 = 8к 2 .

Сравнете с уравнение (1) - скоростта се е увеличила с 8 пъти.

№ 2. 2Сu (твърдо вещество) + О 2 (g) 2СuO (твърдо вещество)

= к 2 обаче концентрацията на твърдото вещество се изключва от уравнението - не може да се променя - константа.

Cu (телевизия) \u003d\u003e [Cu] \u003d const

= к,

3. Температура.

Температурата има голямо влияние върху скоростта на химичните реакции

Ван'т Хоф формулира правилото: п повишаването на температурата на всеки 10 ° C води до увеличаване на скоростта на реакцията с 2-4 пъти (тази стойност се нарича температурен коефициент на реакцията).

С повишаване на температурата средната скорост на молекулите, тяхната енергия и броят на сблъсъците се увеличават незначително, но фракцията на "активните" молекули, участващи в ефективни сблъсъци, които преодоляват енергийната бариера на реакцията, се увеличава рязко.

Математически тази зависимост се изразява чрез релацията

където? t2 ,? t1 е скоростта на реакцията, съответно, при крайните температури t 2 t 1 и е температурният коефициент на скоростта на реакцията с повишаване на температурата на всеки 10 o C.

Примери: колко пъти ще се увеличи скоростта на химична реакция при t o: 50 o -\u003e 100 o, ако \u003d 2?

2 = 1 2 100 –50 10 ; 2 = 1 2 5

т.е. скоростта на химичната реакция ще се увеличи 32 пъти.

4. Катализатор

Едно от най-ефективните средства за въздействие върху скоростта на химичните реакции е използването на катализатори. Както вече знаете от училищния курс по химия, катализатори - това са вещества, които променят скоростта на реакцията и до края на самия процес остават непроменени както по състав, така и по тегло. С други думи, в момента на самата реакция катализаторът участва активно в химичния процес, подобно на реагентите, но до края на реакцията възниква фундаментална разлика между тях: реагентите променят химичния си състав, превръщайки се в продукти и катализаторът се освобождава в първоначалната си форма.

Най-често ролята на катализатора е да увеличи скоростта на реакцията, въпреки че някои катализатори не ускоряват, а забавят процеса. Нарича се феноменът на ускоряване на химичните реакции поради наличието на катализатори катализа,и забавяне - инхибиране.

Катализът е много важен клон на химията и химическата технология. Познавате някои катализатори, докато изучавате химията на азота и сярата. Учителят демонстрира опит.

Ако предварително загрята платинена тел се постави в отворена колба, съдържаща концентриран воден разтвор на амоняк, тя става гореща и остава в състояние на червен огън за дълго време. Но откъде идва енергията, за да поддържа платината гореща? Всичко е обяснено просто. В присъствието на платина амонякът взаимодейства с атмосферния кислород, реакцията е силно екзотермична (Н-900 kJ):

4NH 3 (G) + 5O 2 \u003d 4NO (G) + 6H 2 O (G)

Докато инициираната от платината реакция продължава, генерираната топлина поддържа катализатора при висока температура.

Задачи за изчисление

1. В два еднакви съда за 10 s получихме: в първия - 22,4 литра H 2. Къде е по-висока скоростта на химична реакция? Колко пъти?
2. За 10 s концентрацията на изходното вещество се променя от 1 mol / L. до 0,5 mol / l. Изчислете средната скорост на тази реакция.
3. Какъв е температурният коефициент на реакцията, ако при t o: 30 o -\u003e 60 o скоростта на реакцията се увеличи 64 пъти?

IV Етап на урока - Домашна работа

Упражнение 1

Колко пъти ще се увеличи скоростта на реакцията на взаимодействие на въглероден оксид (II) с кислород, ако концентрацията на изходните вещества се увеличи три пъти?

Задание 2

Колко пъти ще се увеличи скоростта на химична реакция, когато температурата се повиши с 40 ° C, ако температурният коефициент на скоростта на реакцията е 3?

Задание 3

Теория (от резюме)

Библиография

1. Горски М.В. Преподаване на основите на общата химия - М.: Образование, 1991.
2. Дорофеев А.Н., Федотова М.И. Семинар по неорганична химия. L.: Химия, 1990.
3. Третяков Ю., Метлин Й. Г. Основи на общата химия. - М.: Образование, 1985.
4. Улянова Г.М. Химия 11 клас Санкт Петербург "Паритет", 2002
5. Макареня А.А. Нека повторим химията - М.: „Гимназия“ 1993г.
6. Варламова Т.М., Кракова А.И. Обща и неорганична химия: Основен курс. - М.: Ролф, 2000.

Скорост на химична реакция - промяна в количеството на един от реагентите за единица време в единица реакционно пространство.

Следните фактори влияят върху скоростта на химична реакция:

• естеството на реагентите;
• концентрация на реагенти;
• контактна повърхност на реагентите (при хетерогенни реакции);
• температура;
• действието на катализаторите.

Теория за активен сблъсък позволява да се обясни влиянието на някои фактори върху скоростта на химична реакция. Основните разпоредби на тази теория:

• Реакциите възникват при сблъскване на частици от реагенти, които имат определена енергия.
• Колкото повече частици реактив, толкова по-близо са една до друга, толкова повече шансове имат да се сблъскат и реагират.
• Само ефективни сблъсъци водят до реакция, т.е. такива, че „старите връзки“ се разрушават или отслабват и следователно могат да се образуват „нови“. За това частиците трябва да имат достатъчно енергия.
• Нарича се минималният излишък на енергия, необходим за ефективно сблъсък на частици реактив активираща енергия Еа.
• Активността на химикалите се проявява в ниската енергия на активиране на реакциите с тяхно 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 мигновено.

Влияние на концентрацията на реагентите върху скоростта на реакцията

С увеличаване на концентрацията на реагентите скоростта на реакцията се увеличава. За да реагират, две химически частици трябва да се движат по-близо една до друга, така че скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците помежду им. Увеличаването на броя на частиците в даден обем води до по-чести сблъсъци и увеличаване на скоростта на реакцията.

Увеличаването на скоростта на протичащата реакция в газовата фаза ще доведе до увеличаване на налягането или намаляване на обема, зает от сместа.

Въз основа на експериментални данни през 1867 г. норвежките учени К. Гулдберг и П. Вааге и независимо от тях през 1865 г. руският учен Н.И. Бекетов формулира основния закон на химическата кинетика, установявайки зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите

Закон за масовите действия (ZDM):

Скоростта на химична реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите, взети в мощности, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията. ("Активната маса" е синоним на съвременната концепция за "концентрация")

aA +bВ \u003dcC +dD,където к- константа на скоростта на реакцията

ZDM се извършва само за елементарни химични реакции, протичащи в един етап. Ако реакцията протича последователно през няколко етапа, тогава общата скорост на целия процес се определя от най-бавната му част.

Изрази за скоростта на различни видове реакции

ZDM се отнася до хомогенни реакции. Ако реакцията е хетерогенна (реагентите са в различни агрегатни състояния), тогава в уравнението на ZDM влизат само течни или само газообразни реагенти и се изключват твърдите реагенти, засягащи само константата на скоростта k.

Молекулярност на реакцията Е минималният брой молекули, участващи в елементарен химичен процес. По отношение на молекулярността елементарните химични реакции се разделят на молекулярни (A →) и бимолекулни (A + B →); тримолекулните реакции са изключително редки.

Скорост на хетерогенни реакции

• Зависи от повърхност на контакт на вещества, т.е. за степента на смилане на веществата, пълнотата на смесване на реагентите.
• Пример за това е изгарянето на дърва. Цял дънер гори относително бавно във въздуха. Ако увеличите повърхността на контакт на дърво с въздух, разделяйки дървения материал на стружки, скоростта на изгаряне ще се увеличи.
• Пирофорното желязо се излива върху лист филтърна хартия. По време на падането частиците желязо се загряват и запалват хартията.

Влияние на температурата върху скоростта на реакцията

През 19 век холандският учен Вант Хоф експериментално открива, че когато температурата се повиши с 10 ° C, скоростта на много реакции се увеличава с 2-4 пъти.

Правилото на Вант Хоф

С повишаване на температурата на всеки 10 ° C, скоростта на реакцията се увеличава с 2-4 пъти.

Тук γ (гръцката буква "гама") - така нареченият температурен коефициент или коефициент на Van't Hoff, приема стойности от 2 до 4.

За всяка конкретна реакция температурният коефициент се определя емпирично. Той показва колко пъти скоростта на дадена химична реакция (и нейната константа на скоростта) се увеличава с всеки 10 градуса повишаване на температурата.

Правилото на Van't Hoff се използва за приближаване на промяната в константата на скоростта на реакцията с увеличаване или намаляване на температурата. По-точна връзка между константата на скоростта и температурата е установена от шведския химик Сванте Арениус:

Тогава повече ▼ E специфична реакция, по-малко (при дадена температура) ще бъде константата на скоростта k (и скоростта) на тази реакция. Увеличаването на Т води до увеличаване на константата на скоростта, което се обяснява с факта, че повишаването на температурата води до бързо нарастване на броя на "енергийните" молекули, способни да преодолеят активиращата бариера Е а.

Ефект на катализатора върху скоростта на реакцията

Възможно е да се промени скоростта на реакцията, като се използват специални вещества, които променят реакционния механизъм и го насочват по енергийно по-благоприятен път с по-ниска енергия на активиране.

Катализатори- това са вещества, които участват в химична реакция и увеличават нейната скорост, но след края на реакцията те остават непроменени качествено и количествено.

Инхибитори- вещества, които забавят химичните реакции.

Призовава се промяна на скоростта на химична реакция или нейната посока с помощта на катализатор катализа .

Някои химични реакции протичат почти мигновено (експлозия на кислород-водородна смес, реакции на йонообмен във воден разтвор), вторите - бързо (изгаряне на вещества, взаимодействие на цинк с киселина), а други - бавно (ръжда на желязо, разпадане на органични остатъци). Известни са такива бавни реакции, че човек просто не може да ги забележи. Например трансформацията на гранит в пясък и глина се случва в продължение на хиляди години.

С други думи, химичните реакции могат да протичат по различни начини. скорост.

Но какво е това реакция на скоростта? Какво е точното определение на това количество и най-важното - математическият му израз?

Скоростта на реакцията се нарича промяна в количеството на веществото за единица време в една единица обем. Математически този израз е написан като:

Където n 1 и n 2 Е количеството вещество (mol) в момент t 1 и t 2, съответно, в обемна система V.

Кой знак плюс или минус (±) ще стои пред израза за скоростта зависи от това дали гледаме промяната в количеството на това вещество, което гледаме - продукт или реагент.

Очевидно по време на реакцията се получава консумацията на реагенти, т.е. количеството им намалява, следователно за реагентите изразът (n 2 - n 1) винаги има стойност, по-малка от нула. Тъй като скоростта не може да бъде отрицателна, в този случай пред израза трябва да се постави знак минус.

Ако разгледаме промяната в количеството на продукта, а не реагента, тогава знакът минус не се изисква преди израза за изчисляване на скоростта, тъй като изразът (n 2 - n 1) в този случай винаги е положителен, тъй като количеството на продукта в резултат на реакцията може само да се увеличи.

Съотношението на количеството вещество н до обема, в който се намира това количество вещество, се нарича моларна концентрация ОТ:

По този начин, използвайки концепцията за моларна концентрация и нейния математически израз, можете да напишете друга версия за определяне на скоростта на реакцията:

Скоростта на реакцията е промяната в моларната концентрация на вещество в резултат на химична реакция за една единица време:

Фактори, влияещи върху скоростта на реакцията

Често е изключително важно да се знае от какво зависи скоростта на дадена реакция и как да се повлияе върху нея. Например рафиниращата индустрия буквално бие за всеки допълнителен половин процент от продукта за единица време. Всъщност, като се има предвид огромното количество рафинирано масло, дори половин процент се влива в голяма годишна финансова печалба. В някои случаи е изключително важно да се забави всяка реакция, по-специално корозията на металите.

И така, какво определя скоростта на реакцията? Зависи, колкото и да е странно, от много различни параметри.

За да разберем този проблем, първо, нека си представим какво се случва в резултат на химическа реакция, например:

Горното уравнение отразява процеса, при който молекулите на вещества A и B, сблъсквайки се помежду си, образуват молекули на вещества C и D.

Тоест, несъмнено, за да протече реакцията, е необходимо поне сблъсък на молекулите на изходните вещества. Очевидно е, че ако увеличим броя на молекулите на единица обем, броят на сблъсъците ще се увеличи по същия начин, тъй като честотата на вашите сблъсъци с пътници в претъпкан автобус се увеличава в сравнение с полупразен.

С други думи, скоростта на реакцията се увеличава с увеличаване на концентрацията на реагентите.

В случай, че един от реагентите или няколко наведнъж са газове, скоростта на реакцията се увеличава с увеличаване на налягането, тъй като налягането на газа винаги е право пропорционално на концентрацията на съставните му молекули.

Независимо от това, сблъсъкът на частици е необходимо, но напълно недостатъчно условие за реакцията. Факт е, че според изчисленията броят на сблъсъците на молекули на реагиращи вещества при тяхната разумна концентрация е толкова голям, че всички реакции трябва да се осъществят за миг. На практика обаче това не се случва. Какъв е проблема?

Въпросът е, че не всяко сблъскване на молекули реагенти непременно ще бъде ефективно. Много сблъсъци са еластични - молекулите се отскачат една от друга като топки. Молекулите трябва да имат достатъчно кинетична енергия, за да протече реакцията. Минималната енергия, която трябва да притежават молекулите на реагиращите вещества, за да премине реакцията, се нарича енергия на активиране и се обозначава като Е а. В система, състояща се от голям брой молекули, има разпределение на молекулите в енергия, някои от тях имат ниска енергия, други имат висока и средна. От всички тези молекули само малка част от молекулите имат енергия, която надвишава енергията на активиране.

Както е известно от курса по физика, температурата всъщност е мярка за кинетичната енергия на частиците, съставляващи веществото. Тоест, колкото по-бързо се движат частиците, съставляващи веществото, толкова по-висока е неговата температура. По този начин, очевидно, като увеличаваме температурата, ние по същество увеличаваме кинетичната енергия на молекулите, в резултат на което делът на молекулите с енергия, превишаваща E a, се увеличава и тяхното сблъскване ще доведе до химическа реакция.

Фактът за положителния ефект на температурата върху скоростта на реакцията е емпирично установен от холандския химик Вант Хоф през 19 век. Въз основа на своите изследвания той формулира правило, което все още носи неговото име и звучи така:

Скоростта на всяка химична реакция се увеличава с 2-4 пъти, когато температурата се повиши с 10 градуса.

Математическото представяне на това правило се записва като:

където V 2 и V 1 Дали скоростта е съответно при температури t 2 и t 1, а γ е температурният коефициент на реакцията, чиято стойност най-често се намира в диапазона от 2 до 4.

Често скоростта на много реакции може да бъде увеличена чрез използване катализатори.

Катализаторите са вещества, които ускоряват хода на всяка реакция и не се консумират едновременно.

Но как катализаторите успяват да увеличат скоростта на реакцията?

Нека си припомним енергията на активиране E a. Молекулите с енергия, по-ниска от енергията на активиране при липса на катализатор, не могат да взаимодействат помежду си. Катализаторите променят пътя, по който протича реакцията, точно както опитен водач плаща маршрута на експедицията не директно през планината, а използвайки обходни пътеки, в резултат на което дори онези спътници, които не са имали достатъчно енергия за изкачване на планината, могат да се преместят на друг нейната страна.

Въпреки факта, че катализаторът не се консумира по време на реакцията, той все пак взема активно участие в него, образувайки междинни съединения с реагенти, но до края на реакцията се връща в първоначалното си състояние.

В допълнение към горните фактори, влияещи върху скоростта на реакцията, ако има интерфейс между реагентите (хетерогенна реакция), скоростта на реакцията ще зависи и от контактната площ на реагентите. Например, представете си гранула от метален алуминий, хвърлена в епруветка, пълна с воден разтвор на солна киселина. Алуминият е активен метал, който може да реагира с киселини като неоксиданти. При солната киселина уравнението на реакцията е както следва:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Алуминият е твърдо вещество, което означава, че реакцията със солна киселина протича само на повърхността му. Очевидно е, че ако увеличим повърхността, като първо разточим алуминиевата гранула във фолио, по този начин осигуряваме по-голям брой алуминиеви атоми, налични за реакцията с киселината. В резултат на това скоростта на реакцията ще се увеличи. По подобен начин може да се постигне увеличаване на повърхността на твърдото вещество чрез смилането му на прах.

Също така, скоростта на хетерогенна реакция, при която твърдото вещество реагира с газообразно или течно вещество, често се повлиява положително при разбъркване, което се дължи на факта, че в резултат на разбъркването натрупващите се молекули на реакционните продукти се отстраняват от реакционната зона и се внася нова част от молекулите на реагента.

Последният също трябва да отбележи огромното влияние върху скоростта на реакцията и естеството на реагентите. Например, колкото по-нисък е алкалният метал в периодичната таблица, толкова по-бързо той реагира с вода, флуорът реагира най-бързо с газообразен водород сред всички халогени и т.н.

Обобщавайки всичко по-горе, скоростта на реакцията зависи от следните фактори:

1) концентрацията на реагентите: колкото по-висока, толкова по-голяма е скоростта на реакцията.

2) температура: с повишаване на температурата скоростта на всяка реакция се увеличава.

3) контактната площ на реагентите: колкото по-голяма е контактната площ на реагентите, толкова по-висока е скоростта на реакцията.

4) разбъркване, ако реакцията протича между твърдо вещество и течност или газ, разбъркването може да я ускори.

Физическа химия: бележки на лекцията Березовчук А.В.

2. Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция

За хомогенни, хетерогенни реакции:

1) концентрацията на реагентите;

2) температура;

3) катализатор;

4) инхибитор.

Само за хетерогенни:

1) скоростта на подаване на реагенти към интерфейса;

2) площ.

Основният фактор е естеството на реагиращите вещества - естеството на връзката между атомите в реагентните молекули.

NO 2 - азотен оксид (IV) - лисича опашка, CO - въглероден оксид, въглероден оксид.

Ако те се окисляват с кислород, тогава в първия случай реакцията ще продължи незабавно, струва си да отворите запушалката на съда, във втория случай реакцията се удължава във времето.

Концентрацията на реагентите ще бъде разгледана по-долу.

Синята опалесценция показва момента на отлагане на сяра, колкото по-висока е концентрацията, толкова по-висока е скоростта.

Фигура: десет

Колкото по-висока е концентрацията на Na2S2O3, толкова по-малко време отнема реакцията. Графиката (фиг. 10) показва право пропорционална връзка. Количествената зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагиращите вещества се изразява чрез ZDM (закон за действието на масата), който гласи: скоростта на химична реакция е пряко пропорционална на продукта от концентрациите на реагиращите вещества.

Така, основният закон на кинетикатае емпирично установен закон: скоростта на реакцията е пропорционална на концентрацията на реагиращите вещества, пример: (т.е. за реакцията)

За тази реакция H 2 + J 2 \u003d 2 HJ - скоростта може да се изрази чрез промяната в концентрацията на някое от веществата. Ако реакцията протича отляво надясно, тогава концентрацията на H2 и J2 ще намалее, концентрацията на HJ ще се увеличи в хода на реакцията. За моментната скорост на реакциите можете да напишете израза:

концентрацията се обозначава с квадратни скоби.

Физически усет k–молекулите са в непрекъснато движение, сблъскват се, разпръскват се, удрят стените на съда. За да настъпи химическата реакция на образуването на HJ, молекулите H 2 и J 2 трябва да се сблъскат. Броят на такива сблъсъци ще бъде толкова по-голям, колкото повече молекули H2 и J2 се съдържат в обема, т.е. колкото по-големи са стойностите на [H2] и ще бъдат. Но молекулите се движат с различна скорост и общата кинетична енергия на двете сблъскващи се молекули ще бъде различна. Ако най-бързите молекули H 2 и J 2 се сблъскат, тяхната енергия може да бъде толкова висока, че молекулите се разпадат на атоми на йод и водород, разсейвайки се и след това взаимодействайки с други молекули H 2 + J 2 ? 2H + 2J, тогава ще бъде H + J2 ? HJ + J. Ако енергията на сблъскващите се молекули е по-малка, но достатъчно висока, за да отслаби връзките H - H и J - J, ще настъпи реакцията на образуване на водороден йодид:

Повечето от сблъскващите се молекули имат по-малко енергия от необходимото за отслабване на връзките в Н 2 и J 2. Такива молекули "тихо" ще се сблъскат и също "тихо" ще се разпръснат, оставайки това, което бяха, H2 и J2. По този начин не всички, а само част от сблъсъците водят до химическа реакция. Коефициентът на пропорционалност (k) показва броя на ефективните сблъсъци, водещи до реакцията при концентрации [H2] \u003d \u003d 1 mol. Количеството k–const скорост... Как може скоростта да бъде постоянна? Да, скоростта на равномерно праволинейно движение е постоянна векторна стойност, равна на съотношението на изместването на тялото за всеки период от време към стойността на този интервал. Но молекулите се движат хаотично, така че как скоростта може да бъде const? Но постоянната скорост може да бъде само при постоянна температура. С повишаване на температурата фракцията на бързите молекули, чиито сблъсъци водят до реакция, се увеличава, т.е.константата на скоростта се увеличава. Но увеличаването на константата на скоростта не е неограничено. При определена температура енергията на молекулите ще стане толкова висока, че практически всички сблъсъци на реагентите ще бъдат ефективни. Когато две бързи молекули се сблъскат, ще се получи обратната реакция.

Ще дойде момент, когато скоростите на образуване на 2HJ от H 2 и J 2 и разлагането ще бъдат равни, но това вече е химическо равновесие. Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагиращите вещества може да се проследи, като се използва традиционната реакция на взаимодействие на разтвор на натриев тиосулфат с разтвор на сярна киселина.

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 \u003d Na 2 SO 4 + H 2 S 2 O 3, (1)

H2S2O3 \u003d S? + H2O + SO2 ?. (2)

Реакцията (1) протича почти моментално. Скоростта на реакцията (2) при постоянна температура зависи от концентрацията на реагента H2S2O3. Тази реакция наблюдавахме - в този случай скоростта се измерва от времето от началото на източването на разтворите до появата на опалесценция. Статията Л. М. Кузнецова описва реакцията на взаимодействие на натриев тиосулфат със солна киселина. Тя пише, че когато разтворите се източат, настъпва опалесценция (мътност). Но това твърдение на Л. М. Кузнецова е погрешно, тъй като опалесценцията и мътността са две различни неща. Опалесценция (от опал и латиница есценция- суфикс, означаващ слабо действие) - разсейване на светлина от мътна среда поради тяхната оптична нехомогенност. Разсейване на светлината- отклонение на светлинните лъчи, разпространяващи се в средата във всички посоки от първоначалната посока. Колоидните частици са способни да разсейват светлина (ефект на Тиндал-Фарадей) - това обяснява опалесценцията, леко мътност на колоидния разтвор. При провеждането на този експеримент е необходимо да се вземе предвид синята опалесценция и след това коагулацията на колоидната суспензия на сярата. Същата плътност на суспензията се забелязва от очевидното изчезване на какъвто и да е модел (например решетка в дъното на чашата), наблюдавана отгоре през слоя на разтвора. Времето се отчита от хронометър от момента на източване.

Разтвори на Na2S2O3 x 5H2O и H2SO4.

Първият се приготвя чрез разтваряне на 7,5 g сол в 100 ml H 2 O, което съответства на 0,3 М концентрация. За да се приготви разтвор на H 2 SO 4 със същата концентрация, е необходимо да се измерят 1,8 ml H 2 SO 4 (k), ? = = 1,84 g / cm 3 и го разтворете в 120 ml H 2 O. Готовия разтвор на Na 2 S 2 O 3 се изсипва в три чаши: в първата - 60 ml, във втората - 30 ml, в третата - 10 ml. Добавете 30 ml дестилирана H 2 O към втората чаша и 50 ml към третата чаша. По този начин и в трите чаши ще има 60 ml течност, но в първата концентрацията на солта е конвенционално \u003d 1, във втората - Ѕ, а в третата - 1/6. След приготвяне на разтворите, изсипете 60 ml разтвор на H 2 SO 4 в първата чаша солен разтвор и включете хронометъра и др. Като се има предвид, че скоростта на реакцията намалява с разреждане на разтвора Na 2 S 2 O 3, може да се определи като количество, обратно пропорционално на времето v \u003d1 /? и изградете графика, като нанесете концентрацията върху абсцисата и скоростта на реакцията върху ординатата. От това заключението е, че скоростта на реакцията зависи от концентрацията на веществата. Получените данни са изброени в таблица 3. Този експеримент може да се извърши с помощта на бюрети, но това изисква много практика от изпълнителя, тъй като графикът понякога е неправилен.

Таблица 3

Скорост и време за реакция

Потвърждава се законът на Гулдберг-Вааге - професор по химия Гулдерг и млад учен Вааге).

Помислете за следващия фактор - температурата.

С повишаване на температурата скоростта на повечето химични реакции се увеличава. Тази зависимост е описана от правилото на Van't Hoff: "С повишаване на температурата на всеки 10 ° C, скоростта на химичните реакции се увеличава с 2 - 4 пъти."

където ? – температурен коефициент, показващ колко пъти се увеличава скоростта на реакцията, когато температурата се повиши с 10 ° C;

v 1 - скорост на реакция при температура t 1;

v 2 -скорост на реакция при температура t 2.

Например, реакцията при 50 ° C отнема две минути, колко време ще завърши процесът при 70 ° C, ако температурният коефициент ? = 2?

t 1 \u003d120 s \u003d 2 минути; t 1 \u003d50 ° С; t 2 \u003d70 ° C.

Дори леко повишаване на температурата причинява рязко увеличаване на скоростта на реакция при активни сблъсъци на молекулата. Според теорията на активирането в процеса участват само онези молекули, чиято енергия е по-голяма от средната енергия на молекулите с определено количество. Тази излишна енергия е енергия за активиране. Неговото физическо значение е енергията, необходима за активни сблъсъци на молекули (пренареждане на орбитали). Броят на активните частици, а оттам и скоростта на реакцията, се увеличава с температура експоненциално, според уравнението на Арениус, което отразява зависимостта на константата на скоростта от температурата

където И -коефициент на пропорционалност на Арениус;

k–константата на Болцман;

E A -активираща енергия;

R -газова константа;

Т-температура.

Катализаторът е вещество, което ускорява скоростта на реакцията, което само по себе си не се консумира.

Катализа- феноменът на промяна в скоростта на реакцията в присъствието на катализатор. Разграничаване между хомогенна и хетерогенна катализа. Хомогенна- ако реагентите и катализаторът са в едно и също агрегатно състояние. Хетерогенни- ако реагентите и катализаторът са в различни агрегатни състояния. За катализа вижте отделно (по-нататък).

Инхибитор- вещество, което забавя скоростта на реакцията.

Следващият фактор е повърхността. Колкото по-голяма е повърхността на реагента, толкова по-голяма е скоростта. Нека разгледаме като пример влиянието на степента на дисперсия върху скоростта на реакцията.

CaCO 3 - мрамор. Потапяме плочките мрамор в солна киселина HCl, изчакайте пет минути, той ще се разтвори напълно.

Мрамор на прах - ще направим същата процедура с него, той се разтваря за тридесет секунди.

Уравнението и за двата процеса е едно и също.

CaCO3 (s) + HCl (g) \u003d CaCl2 (s) + H20 (l) + CO 2 (g)?

Така че, при добавяне на прахообразен мрамор, времето е по-малко, отколкото при добавяне на плочки мрамор, за същата маса.

С увеличаване на интерфейса между фазите скоростта на разнородните реакции се увеличава.

2. Уравнение на изотермата на химична реакция Ако реакцията е обратима, тогава? G \u003d 0. Ако реакцията е необратима, тогава? G? 0 и промяната? G може да се изчисли. Където? - протичането на реакцията - стойност, която показва колко бенки са се променили по време на реакцията. I cn - характеризира