Етапът, който определя скоростта на химичната реакция, се нарича. Зависимост на скоростта на реакцията от температурата
Една от областите на физическата химия, химическата кинетика, изучава скоростта на химичната реакция и условията, които влияят върху нейната промяна. Той също така изследва механизмите на тези реакции и тяхната термодинамична валидност. Тези изследвания са важни не само за научни цели, но и за наблюдение на взаимодействието на компонентите в реакторите по време на производството на всякакви вещества.
Концепцията за скорост в химията
Скоростта на реакцията обикновено се нарича определена промяна в концентрациите на съединенията, които са влезли в реакцията (ΔC) за единица време (Δt). Математическата формула за скоростта на химичната реакция е следната:
ᴠ = ±ΔC/Δt.
Скоростта на реакцията се измерва в mol/l∙s, ако протича в целия обем (т.е. реакцията е хомогенна) и в mol/m 2 ∙s, ако взаимодействието възниква на повърхността, разделяща фазите (т.е. реакцията е хетерогенна). Знакът „-“ във формулата се отнася за промените в концентрациите на първоначалните реагенти, а знакът „+“ се отнася до променящите се концентрации на продуктите от същата реакция.
Примери за реакции с различни скорости
Химичните взаимодействия могат да протичат с различна скорост. По този начин скоростта на растеж на сталактитите, тоест образуването на калциев карбонат, е само 0,5 mm на 100 години. Някои биохимични реакции протичат бавно, като фотосинтезата и протеиновия синтез. Корозията на металите протича с доста ниска скорост.
Средната скорост може да се използва за описание на реакции, които изискват един до няколко часа. Пример може да бъде готвенето, което включва разлагането и трансформацията на съединенията, съдържащи се в храните. Синтезът на отделни полимери изисква нагряване на реакционната смес за определено време.
Пример за химични реакции, чиято скорост е доста висока, са реакциите на неутрализация, взаимодействието на натриев бикарбонат с разтвор на оцетна киселина, придружено от отделяне на въглероден диоксид. Можете също така да споменете взаимодействието на бариев нитрат с натриев сулфат, при което се наблюдава освобождаване на утайка от неразтворим бариев сулфат.
Голям брой реакции могат да се появят със светкавична скорост и са придружени от експлозия. Класически пример е взаимодействието на калий с вода.
Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция
Струва си да се отбележи, че едни и същи вещества могат да реагират помежду си с различна скорост. Например, смес от газообразен кислород и водород може да не показва признаци на взаимодействие за доста дълго време, но когато контейнерът се разклати или удари, реакцията става експлозивна. Следователно химичната кинетика идентифицира определени фактори, които имат способността да влияят на скоростта на химичната реакция. Те включват:
- естеството на взаимодействащите вещества;
- концентрация на реагенти;
- промяна на температурата;
- наличие на катализатор;
- промяна на налягането (за газообразни вещества);
- зона на контакт между вещества (ако говорим за хетерогенни реакции).
Влияние на природата на веществото
Такава значителна разлика в скоростите на химичните реакции се обяснява с различни стойности на енергията на активиране (Ea). Разбира се като определено излишно количество енергия в сравнение със средната й стойност, необходима на молекула по време на сблъсък, за да настъпи реакция. Измерва се в kJ/mol и стойностите обикновено са в диапазона 50-250.
Общоприето е, че ако E a = 150 kJ/mol за всяка реакция, тогава при n. u. практически не тече. Тази енергия се изразходва за преодоляване на отблъскването между молекулите на веществата и за отслабване на връзките в изходните вещества. С други думи, енергията на активиране характеризира силата на химичните връзки във веществата. Въз основа на стойността на енергията на активиране можете предварително да оцените скоростта на химичната реакция:
- E а< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
- 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
- E a >120, само много малка част от сблъсъците на частици ще доведат до реакция и нейната скорост ще бъде ниска.
Ефект на концентрацията
Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията се характеризира най-точно от закона за масовото действие (LMA), който гласи:
Скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, чиито стойности се вземат в степени, съответстващи на техните стехиометрични коефициенти.
Този закон е подходящ за елементарни едноетапни реакции или всеки етап от взаимодействието на вещества, характеризиращ се със сложен механизъм.
Ако трябва да определите скоростта на химическа реакция, чието уравнение може условно да бъде написано като:
αA+ bB = ϲС, тогава
в съответствие с горната формулировка на закона скоростта може да се намери с помощта на уравнението:
V=k·[A] a ·[B] b , където
a и b са стехиометрични коефициенти,
[A] и [B] са концентрациите на изходните съединения,
k е константата на скоростта на разглежданата реакция.
Значението на коефициента на скоростта на химичната реакция е, че неговата стойност ще бъде равна на скоростта, ако концентрациите на съединенията са равни на единици. Трябва да се отбележи, че за правилното изчисление с помощта на тази формула си струва да се вземе предвид състоянието на агрегиране на реагентите. Концентрацията на твърдото вещество се приема за единица и не се включва в уравнението, тъй като остава постоянна по време на реакцията. Така в изчисленията съгласно ZDM се включват само концентрациите на течни и газообразни вещества. По този начин, за реакцията на производство на силициев диоксид от прости вещества, описана с уравнението
Si (tv) + Ο 2(g) = SiΟ 2(tv) ,
скоростта се определя по формулата:
Типична задача
Как би се променила скоростта на химичната реакция на азотния оксид с кислорода, ако концентрациите на изходните съединения се удвоят?
Решение: Този процес съответства на уравнението на реакцията:
2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2.
Нека запишем изразите за началната (ᴠ 1) и крайната (ᴠ 2) скорости на реакция:
ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[O 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[O 2 ]) / (k·[NΟ] 2 ·[O 2 ]).
ᴠ 2 /ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.
Отговор: увеличен 8 пъти.
Ефект на температурата
Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата е определена експериментално от холандския учен J. H. van't Hoff. Той установява, че скоростта на много реакции се увеличава 2-4 пъти с всяко повишаване на температурата с 10 градуса. Има математически израз за това правило, който изглежда така:
ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10, където
ᴠ 1 и ᴠ 2 - съответните скорости при температури Τ 1 и Τ 2;
γ - температурен коефициент, равен на 2-4.
В същото време това правило не обяснява механизма на влиянието на температурата върху скоростта на определена реакция и не описва целия набор от модели. Логично е да се заключи, че с повишаване на температурата хаотичното движение на частиците се засилва и това провокира по-голям брой сблъсъци. Това обаче не засяга особено ефективността на молекулярните сблъсъци, тъй като зависи главно от енергията на активиране. Също така, тяхното пространствено съответствие помежду си играе важна роля за ефективността на сблъсъците на частици.
Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата, като се вземе предвид естеството на реагентите, се подчинява на уравнението на Арениус:
k = A 0 e -Ea/RΤ, където
A o е множител;
E a - енергия на активиране.
Пример за проблем, използващ закона на van't Hoff
Как трябва да се промени температурата, така че скоростта на химична реакция, чийто температурен коефициент е числено равен на 3, да се увеличи 27 пъти?
Решение. Нека използваме формулата
ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10.
От условието ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27 и γ = 3. Трябва да намерите ΔΤ = Τ 2 -Τ 1.
Преобразувайки оригиналната формула, получаваме:
V 2 /V 1 = γ ΔT/10.
Заменяме стойностите: 27 = 3 ΔΤ/10.
От това става ясно, че ΔΤ/10 = 3 и ΔΤ = 30.
Отговор: температурата трябва да се увеличи с 30 градуса.
Ефект на катализаторите
Във физическата химия скоростта на химичните реакции също се изучава активно от раздел, наречен катализа. Той се интересува от това как и защо относително малки количества от определени вещества значително увеличават скоростта на взаимодействие на други. Веществата, които могат да ускорят реакцията, но не се изразходват сами в нея, се наричат катализатори.
Доказано е, че катализаторите променят механизма на самото химично взаимодействие и допринасят за появата на нови преходни състояния, които се характеризират с по-ниска височина на енергийната бариера. Тоест, те помагат за намаляване на енергията на активиране и следователно увеличават броя на ефективните удари на частици. Катализаторът не може да предизвика реакция, която е енергийно невъзможна.
По този начин водородният пероксид може да се разложи, за да образува кислород и вода:
N 2 0 2 = N 2 0 + 0 2.
Но тази реакция е много бавна и в нашите комплекти за първа помощ тя съществува непроменена доста дълго време. Когато отваряте само много стари бутилки с пероксид, може да забележите лек пукащ звук, причинен от налягането на кислорода върху стените на съда. Добавянето само на няколко зрънца магнезиев оксид ще провокира активно отделяне на газ.
Същата реакция на разлагане на пероксида, но под въздействието на каталаза, възниква при лечение на рани. Живите организми съдържат много различни вещества, които увеличават скоростта на биохимичните реакции. Те обикновено се наричат ензими.
Инхибиторите имат обратен ефект върху хода на реакциите. Това обаче не винаги е лошо. Инхибиторите се използват за защита на метални продукти от корозия, за удължаване на срока на годност на храните, например за предотвратяване на окисляването на мазнините.
Контактна зона с веществото
В случай, че взаимодействието възниква между съединения, които имат различни агрегатни състояния, или между вещества, които не са способни да образуват хомогенна среда (несмесващи се течности), тогава този фактор също значително влияе върху скоростта на химичната реакция. Това се дължи на факта, че хетерогенните реакции протичат директно на границата между фазите на взаимодействащите вещества. Очевидно, колкото по-широка е тази граница, толкова повече частици имат възможност да се сблъскат и толкова по-бърза е реакцията.
Например, той върви много по-бързо под формата на малки чипове, отколкото под формата на труп. За същата цел много твърди вещества се смилат на фин прах, преди да се добавят към разтвора. Така креда на прах (калциев карбонат) действа по-бързо със солна киселина, отколкото парче от същата маса. Но освен увеличаване на площта, тази техника води и до хаотично разкъсване на кристалната решетка на веществото и следователно повишава реактивността на частиците.
Математически, скоростта на хетерогенна химическа реакция се намира като промяната в количеството вещество (Δν), възникващо за единица време (Δt) на единица повърхност
(S): V = Δν/(S·Δt).
Ефект на натиска
Промяната в налягането в системата има ефект само когато в реакцията участват газове. Увеличаването на налягането се придружава от увеличаване на молекулите на веществото на единица обем, т.е. концентрацията му се увеличава пропорционално. Обратно, намаляването на налягането води до еквивалентно намаляване на концентрацията на реагента. В този случай формулата, съответстваща на ZDM, е подходяща за изчисляване на скоростта на химична реакция.
Задача. Как ще се увеличи скоростта на реакцията, описана от уравнението?
2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2,
ако обемът на затворена система се намали три пъти (T=const)?
Решение. Когато обемът намалява, налягането се увеличава пропорционално. Нека запишем изразите за началната (V 1) и крайната (V 2) скорости на реакция:
V 1 = k 2 [Ο 2 ] и
V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[ΝΟ] 2 ·3[O 2 ].
За да намерите колко пъти новата скорост е по-голяма от първоначалната, трябва да разделите лявата и дясната страна на изразите:
V 1 /V 2 = (k 9[ΝΟ] 2 3[Ο 2 ]) / (k [ΝΟ] 2 [Ο 2 ]).
Стойностите на концентрацията и константите на скоростта се намаляват и това, което остава, е:
V 2 /V 1 = 9 3/1 = 27.
Отговор: скоростта се е увеличила 27 пъти.
Обобщавайки, трябва да се отбележи, че скоростта на взаимодействие на веществата, или по-точно, количеството и качеството на сблъсъци на техните частици, се влияе от много фактори. На първо място, това са енергията на активиране и геометрията на молекулите, които е почти невъзможно да се коригират. Що се отнася до останалите условия, за да се увеличи скоростта на реакцията, трябва:
- повишаване на температурата на реакционната среда;
- повишаване на концентрациите на изходните съединения;
- увеличаване на налягането в системата или намаляване на нейния обем, ако говорим за газове;
- доведете различни вещества до едно състояние на агрегация (например, като ги разтваряте във вода) или увеличете площта на техния контакт.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Химична кинетика– изследване на скоростите и механизмите на химичните реакции.
Изследването на скоростта на реакцията, получаването на данни за факторите, влияещи върху скоростта на химичната реакция, както и изследването на механизмите на химичните реакции се извършват експериментално.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Скорост на химична реакция– изменение на концентрацията на един от реагентите или реакционните продукти за единица време при постоянен обем на системата.
Скоростите на хомогенните и хетерогенните реакции се определят по различен начин.
Дефиницията на мярка за скоростта на химическа реакция може да бъде написана в математическа форма. Нека е скоростта на химическа реакция в хомогенна система, n B е броят молове на което и да е от веществата, получени от реакцията, V е обемът на системата и е времето. След това в лимита:
Това уравнение може да бъде опростено - съотношението на количеството вещество към обема е моларната концентрация на веществото n B / V = c B, от което dn B / V = dc B и накрая:
На практика концентрациите на едно или повече вещества се измерват на определени интервали от време. Концентрациите на изходните вещества намаляват с времето, а концентрациите на продуктите нарастват (фиг. 1).
ориз. 1. Промяна в концентрацията на изходното вещество (а) и реакционния продукт (б) във времето
Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция
Факторите, които влияят върху скоростта на химичната реакция, са: природата на реагентите, техните концентрации, температура, наличие на катализатори в системата, налягане и обем (в газовата фаза).
Влиянието на концентрацията върху скоростта на химическата реакция е свързано с основния закон на химическата кинетика - закона за масовото действие (LMA): скоростта на химическата реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на повдигнатите реагиращи вещества на степен на техните стехиометрични коефициенти. ZDM не отчита концентрацията на веществата в твърдата фаза в хетерогенните системи.
За реакцията mA +nB = pC +qD математическият израз на ZDM ще бъде записан:
K × C A m × C B n
K × [A] m × [B] n,
където k е константата на скоростта на химическа реакция, която е скоростта на химическа реакция при концентрация на реагентите от 1 mol/l. За разлика от скоростта на химичната реакция, k не зависи от концентрацията на реагентите. Колкото по-високо е, толкова по-бързо протича реакцията.
Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата се определя от правилото на Вант Хоф. Правилото на Вант Хоф: за всеки десет градуса повишаване на температурата скоростта на повечето химични реакции се увеличава с около 2 до 4 пъти. Математически израз:
(T 2) = (T 1) × (T2-T1)/10,
където е температурният коефициент на Van’t Hoff, показващ колко пъти се увеличава скоростта на реакцията, когато температурата се повиши с 10 o C.
Молекулярност и ред на реакцията
Молекулярността на реакцията се определя от минималния брой молекули, които едновременно взаимодействат (участват в елементарен акт). Има:
- мономолекулни реакции (пример са реакциите на разлагане)
N 2 O 5 = 2NO 2 + 1/2O 2
K × C, -dC/dt = kC
Въпреки това, не всички реакции, които се подчиняват на това уравнение, са мономолекулни.
- бимолекулярни
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH = CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O
K × C 1 × C 2, -dC/dt = k × C 1 × C 2
- тримолекулярни (много рядко).
Молекулярността на реакцията се определя от нейния истински механизъм. Невъзможно е да се определи неговата молекулярност, като се напише уравнението на реакцията.
Редът на реакцията се определя от формата на кинетичното уравнение на реакцията. Тя е равна на сумата от показателите на степените на концентрация в това уравнение. Например:
CaCO 3 = CaO + CO 2
K × C 1 2 × C 2 – трети ред
Редът на реакцията може да бъде дробен. В този случай се определя експериментално. Ако реакцията протича в един етап, тогава редът на реакцията и нейната молекулярност съвпадат, ако в няколко етапа, тогава редът се определя от най-бавния етап и е равен на молекулярността на тази реакция.
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | Реакцията протича съгласно уравнението 2A + B = 4C. Първоначалната концентрация на вещество А е 0,15 mol/l, а след 20 секунди е 0,12 mol/l. Изчислете средната скорост на реакция. | |||||||||||||||
| Решение | Нека напишем формулата за изчисляване на средната скорост на химична реакция: Някои химични реакции протичат почти мигновено (експлозия на кислородно-водородна смес, йонообменни реакции във воден разтвор), други бързо (изгаряне на вещества, взаимодействие на цинк с киселина), трети бавно (ръждясване на желязо, гниене на органични остатъци ). Известно е, че реакциите са толкова бавни, 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 с различни скорост. Но какво е то скорост на реакция? Каква е точната дефиниция на това количество и, най-важното, неговият математически израз? Скоростта на реакцията е промяната в количеството вещество за единица време в единица обем. Математически този израз се записва като: Къде п 1 ип 2 – количество вещество (mol) в момент t 1 и t 2, съответно, в система от обеми V. Кой знак плюс или минус (±) ще се появи пред израза за скоростта зависи от това дали разглеждаме промяна в количеството на вещество - продукт или реагент. Очевидно по време на реакцията реагентите се изразходват, т.е. тяхното количество намалява, следователно за реагентите изразът (n 2 - n 1) винаги има стойност, по-малка от нула. Тъй като скоростта не може да бъде отрицателна стойност, в този случай трябва да поставите знак минус пред израза. Ако разгледаме промяната в количеството на продукта, а не на 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, защото количеството на продукта в резултат на реакцията може само да се увеличи. Количествено съотношение на веществото пкъм обема, в който се намира това количество вещество, се нарича моларна концентрация СЪС: По този начин, използвайки концепцията за моларна концентрация и нейния математически израз, можем да напишем друга опция за определяне на скоростта на реакцията: Скоростта на реакцията е промяната в моларната концентрация на веществото в резултат на химическа реакция за една единица време: Фактори, влияещи върху скоростта на реакциятаЧесто е изключително важно да знаем какво определя скоростта на определена реакция и как да й повлияем. Например, нефтопреработвателната индустрия буквално се бори за всеки допълнителен половин процент продукт за единица време. В крайна сметка, предвид огромното количество преработен петрол, дори половин процент води до голяма финансова годишна печалба. В някои случаи е изключително важно да се забави някаква реакция, по-специално корозията на металите. И така, от какво зависи скоростта на реакция? Това зависи, колкото и да е странно, от много различни параметри. За да разберем този въпрос, нека преди всичко да си представим какво се случва в резултат на химическа реакция, например: A + B → C + D Уравнението, написано по-горе, отразява процеса, при който молекулите на веществата A и B, сблъсквайки се една с друга, образуват молекули на веществата C и D. Тоест несъмнено, за да протече реакцията, е необходим минимум сблъсък на молекулите на изходните вещества. Очевидно, ако увеличим броя на молекулите на единица обем, броят на сблъсъците ще се увеличи по същия начин, по който честотата на вашите сблъсъци с пътници в претъпкан автобус ще се увеличи в сравнение с полупразен. С други думи, скоростта на реакцията нараства с увеличаване на концентрацията на реагентите. В случай, че един или повече от реагентите 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. Сблъсъкът на частици обаче е необходимо, но съвсем не достатъчно условие за протичане на реакцията. Факт е, че според изчисленията броят на сблъсъците на молекулите на реагиращите вещества при тяхната разумна концентрация е толкова голям, че всички реакции трябва да се появят в един миг. На практика обаче това не се случва. какво става Факт е, че не всеки сблъсък на реагентни молекули непременно ще бъде ефективен. Много сблъсъци са еластични - молекулите отскачат една от друга като топки. За да се осъществи реакция, молекулите трябва да имат достатъчна кинетична енергия. Минималната енергия, която трябва да притежават молекулите на реагиращите вещества, за да се осъществи реакцията, се нарича енергия на активиране и се означава с E a. В система, състояща се от голям брой молекули, има разпределение на молекулите по енергия, някои от тях имат ниска енергия, някои имат висока и средна енергия. От всички тези молекули само малка част от молекулите имат енергия, по-голяма от енергията на активиране. Както знаете от курса по физика, температурата всъщност е мярка за кинетичната енергия на частиците, които изграждат дадено вещество. Тоест, колкото по-бързо се движат частиците, които изграждат дадено вещество, толкова по-висока е неговата температура. Така, очевидно, чрез повишаване на температурата ние значително увеличаваме кинетичната енергия на молекулите, в резултат на което делът на молекулите с енергия, надвишаваща E a, се увеличава и техният сблъсък 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 2-4 пъти с повишаване на температурата с 10 градуса. Математическото представяне на това правило е написано като: Къде V 2 и V 1 е скоростта при температури t 2 и t 1, съответно, и γ е температурният коефициент на реакцията, чиято стойност най-често е в диапазона от 2 до 4. Често скоростта на много реакции може да се увеличи с помощта на катализатори. Катализаторите са вещества, които ускоряват хода на реакцията, без да се изразходват. Но как катализаторите увеличават скоростта на реакцията? Нека си спомним за енергията на активиране E a. Молекулите с енергия, по-ниска от енергията на активиране в отсъствието на катализатор, не могат да взаимодействат една с друга. Катализаторите променят пътя, по който протича реакцията, точно както опитен водач ще насочи експедиция не директно през планината, а с помощта на обиколни пътеки, в резултат на което дори онези спътници, които не са имали достатъчно енергия да се изкачат планината ще може да се премести на друга нейна страна. Въпреки факта, че катализаторът не се изразходва по време на реакцията, той все пак участва активно в нея, образувайки междинни съединения с реагентите, 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 реагиращите вещества (хетерогенна реакция), скоростта на реакцията също ще зависи от контактната площ на реагентите. Например, представете си гранула от метален алуминий, която се пуска в епруветка, съдържаща воден разтвор на солна киселина. Алуминият е активен метал, който може да реагира с неокисляващи киселини. Със солна киселина уравнението на реакцията е следното: 2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2 Алуминият е твърдо вещество, което означава, че реакцията със солна киселина протича само на повърхността му. Очевидно, ако увеличим повърхностната площ, като първо навием алуминиевата гранула във фолио, по този начин ще осигурим по-голям брой алуминиеви атоми, достъпни за реакция с киселината. В резултат на това скоростта на реакцията ще се увеличи. По същия начин увеличаването на повърхността на твърдо вещество може да се постигне чрез смилането му на прах. Също така скоростта на хетерогенна реакция, при която твърдо вещество реагира с газообразно или течно вещество, често се влияе положително от разбъркване, което се дължи на факта, че в резултат на разбъркване натрупаните молекули на реакционните продукти се отстраняват от реакцията зона и се „внася“ нова порция молекули на реагентите. И накрая, трябва да се отбележи огромното влияние върху скоростта на реакцията и природата на реагентите. Например, колкото по-нисък е алкалният метал в периодичната таблица, толкова по-бързо той реагира с вода, флуорът, сред всички халогени, реагира най-бързо с водороден газ и т.н. Обобщавайки всичко по-горе, скоростта на реакцията зависи от следните фактори: 1) концентрация на реагентите: колкото по-висока е, толкова по-голяма е скоростта на реакцията 2) температура: с повишаване на температурата скоростта на всяка реакция се увеличава 3) контактна площ на реагентите: колкото по-голяма е контактната площ на реагентите, толкова по-висока е скоростта на реакцията 4) разбъркване, ако възникне реакция между твърдо вещество и течност или газ, разбъркването може да я ускори. Скорост на химична реакцияТемата „Скорост на химична реакция“ е може би най-сложната и противоречива в училищната програма. Това се дължи на сложността на самата химична кинетика, един от клоновете на физическата химия. Публикуваната статия разглежда достатъчно подробно въпросите на химическата кинетика, които могат да се обсъждат в уроците по химия в училище. Изключването на спорни и спорни аспекти на тази тема от училищния курс по химия е особено важно за онези ученици, които ще продължат своето образование по химия в университет. В крайна сметка знанията, придобити в училище, често са в конфликт с научната реалност.Количествена характеристика на това колко бързо протича дадена реакция е скоростта на химическата реакция, т.е. скоростта на разход на реагенти или скоростта на поява на продуктите. В този случай няма значение кои от веществата, участващи в реакцията, се обсъждат, тъй като всички те са свързани помежду си чрез уравнението на реакцията. По промяна на количеството на едно от веществата може да се съди за съответните промени в количествата на всички останали. Скорост на химичната реакция () наречена промяна в количеството на реагент или продукт () за единица време () за единица обем (V): = /(V ). Скоростта на реакцията в този случай обикновено се изразява в mol/(l s). Горният израз се отнася до хомогенни химични реакции, протичащи в хомогенна среда, например между газове или в разтвор: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3, BaCl2 + H2SO4 = BaSO4 + 2HCl. Хетерогенни химични реакции възникват на контактната повърхност на твърдо тяло и газ, твърдо вещество и течност и т.н. Хетерогенните реакции включват например реакции на метали с киселини: Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2. В този случай скоростта на реакцията е промяната в количеството на реагент или продукт () за единица време() на единица повърхност (S): = /(С ). Скоростта на хетерогенна реакция се изразява в mol/(m 2 s). За да контролирате химичните реакции, е важно не само да можете да определите техните скорости, но и да разберете какви условия им влияят. Разделът от химията, който изучава скоростта на химичните реакции и влиянието на различни фактори върху нея, се нарича. химична кинетикаЧестота на сблъсък на реагиращи частици Най-важният фактор, определящ скоростта на химичната реакция, е. концентрация За хомогенни реакции увеличаването на концентрацията на един или повече реагенти ще увеличи скоростта на реакцията. При намаляване на концентрацията се наблюдава обратен ефект. Концентрацията на вещества в разтвор може да се промени чрез добавяне или премахване на реагенти или разтворител от реакционната сфера. В газовете концентрацията на едно от веществата може да се увеличи чрез въвеждане на допълнителни количества от това вещество в реакционната смес. Концентрациите на всички газообразни вещества могат да бъдат увеличени едновременно чрез намаляване на обема, зает от сместа. В същото време скоростта на реакция ще се увеличи. Увеличаването на обема води до обратния резултат. Скоростта на хетерогенните реакции зависи отповърхността на контакт между веществата , т.е. върху степента на смилане на веществата, пълнотата на смесване на реагентите, както и върху състоянието на кристалните структури на твърдите вещества. Всякакви нарушения в кристалната структура предизвикват повишаване на реактивността на твърдите вещества, т.к необходима е допълнителна енергия за разрушаване на силната кристална структура. Помислете за изгарянето на дърва. Цял дънер гори относително бавно на въздух. Ако увеличите повърхността на контакт между дърво и въздух, разделяйки трупа на чипове, скоростта на горене ще се увеличи. В същото време дървото гори в чист кислород много по-бързо, отколкото във въздуха, който съдържа само около 20% кислород. За да възникне химическа реакция, частиците - атоми, молекули или йони - трябва да се сблъскат. В резултат на сблъсъци атомите се пренареждат и възникват нови химични връзки, което води до образуването на нови вещества. Вероятността за сблъсък на две частици е доста висока, вероятността за едновременен сблъсък на три частици е много по-малка. Изключително малко вероятно е четири частици да се сблъскат едновременно. Следователно повечето реакции протичат на няколко етапа, на всеки от които взаимодействат не повече от три частици. Според уравнението на реакцията пет молекули трябва да се сблъскат едновременно. Вероятността от такова събитие обаче е практически нулева. Нещо повече, експериментални изследвания показват, че увеличаването на концентрацията - на кислород или бромоводород - увеличава скоростта на реакцията със същия брой пъти. И това въпреки факта, че за всяка молекула кислород се изразходват четири молекули бромоводород. Подробното разглеждане на този процес показва, че той протича на няколко етапа: 1) HBr + O 2 = HOOBr (бавна реакция); 2) HOOBr + HBr = 2HOVr (бърза реакция); 3) HOWr + HBr = H 2 O + Br 2 (бърза реакция). Горните реакции, т.нарелементарни реакции , отразяватмеханизъм на реакция окисление на бромоводород с кислород. Важно е да се отбележи, че във всяка от междинните реакции участват само две молекули. Добавянето на първите две уравнения и два пъти на третото дава общото уравнение на реакцията. Общата скорост на реакцията се определя от най-бавната междинна реакция, при която взаимодействат една молекула бромоводород и една молекула кислород. Скоростта на елементарните реакции е правопропорционална на произведението на моларните концентрации (Скоростта на елементарните реакции е правопропорционална на произведението на моларните концентрациис Скоростта на елементарните реакции е правопропорционална на произведението на моларните концентрации = /Vе количеството вещество на единица обем, ) реагенти, взети в степени, равни на техните стехиометрични коефициенти (закон за масовото действие за скоростта на химична реакция). Това важи само за уравненията на реакциите, които отразяват механизмите на реални химични процеси, когато стехиометричните коефициенти пред формулите на реагентите съответстват на броя на взаимодействащите частици. Въз основа на броя на молекулите, взаимодействащи в реакцията, реакциите се класифицират като мономолекулни, бимолекулни и тримолекулни. Например, дисоциацията на молекулярен йод на атоми: I 2 = 2I е мономолекулна реакция. Взаимодействие на йод с водород: I 2 + H 2 = 2HI – бимолекулярна реакция. Законът за масовото действие за химични реакции на различни молекули е написан по различен начин. Мономолекулни реакции: = A = B + C, kc Къде а,к – константа на скоростта на реакцията. = A = B + C,Бимолекулярни реакции: А c IN. = A = B + C,Тримолекулни реакции: А c 2 ААктивираща енергия Сблъсъкът на химически частици води до химично взаимодействие само ако сблъскващите се частици имат енергия, надвишаваща определена стойност. По време на химическа реакция възниква пренареждане на атомите, придружено от разкъсване на химичните връзки в изходните вещества и образуване на връзки в продуктите на реакцията. При сблъсък на реагиращи молекули се получава т.нар активиран комплекс, при което електронната плътност се преразпределя и едва тогава се получава крайният реакционен продукт:
Енергията, необходима за преминаването на веществата в състояние на активиран комплекс, се нарича активираща енергия. Активността на химикалите се проявява в ниската енергия на активиране на реакциите, в които участват. 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 малка, така че такива реакции протичат почти мигновено. Ако енергията на активиране е висока, тогава много малка част от сблъсъците водят до образуването на нови вещества. По този начин скоростта на реакцията между водород и кислород при стайна температура е практически нула.Така че скоростта на реакцията се влияе от природата на реагентите . Нека разгледаме като пример реакциите на метали с киселини. Ако пуснете еднакви парчета мед, цинк, магнезий и желязо в епруветки с разредена сярна киселина, можете да видите, че интензивността на отделяне на мехурчета от водороден газ, която характеризира скоростта на реакцията, се различава значително за тези метали. В епруветка с магнезий се наблюдава бързо отделяне на водород; в епруветка с цинк газовите мехурчета се отделят малко по-спокойно. Реакцията протича още по-бавно в епруветка с желязо (фиг.). Медта изобщо не реагира с разредена сярна киселина. По този начин скоростта на реакцията зависи от активността на метала.При замяна на сярна киселина (силна киселина) с оцетна киселина (слаба киселина), скоростта на реакцията във всички случаи се забавя значително. Когато температурата се повиши с десет градуса, скоростта се увеличава с брой пъти, равен на температурния коефициент на скоростта: = Т+10 /Т . При повишаване на температурата от Ткъм Т" Т" /Т = (Т"–Т)/10. За много хомогенни реакции коефициентът на скоростта на температурата е 24 (правилото на Van't Hoff). Зависимостта на скоростта на реакцията от температурата може да се наблюдава на примера на взаимодействието на меден (II) оксид с разредена сярна киселина. При стайна температура реакцията протича много бавно. При нагряване реакционната смес бързо става синя поради образуването на меден (II) сулфат: CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O.Катализатори и инхибитори Много реакции могат да бъдат ускорени или забавени чрез въвеждането на определени вещества. Добавените вещества не участват в реакцията и не се изразходват по време на нейното протичане, но оказват значително влияние върху скоростта на реакцията. Тези вещества променят механизма на реакцията (включително състава на активирания комплекс) и намаляват енергията на активиране, което ускорява химичните реакции. Веществата, които ускоряват реакциите, се наричаткатализатори , а самият феномен на такова ускоряване на реакцията е. катализа Много реакции в отсъствието на катализатори протичат много бавно или изобщо не протичат. Една такава реакция е разлагането на водороден пероксид: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2. Ако пуснете парче твърд манганов диоксид в съд с воден разтвор на водороден прекис, ще започне бързо освобождаване на кислород. След отстраняване на мангановия диоксид реакцията практически спира. Чрез претегляне е лесно да се провери, че мангановият диоксид не се изразходва в този процес - той само катализира реакцията. В зависимост от това дали катализаторът и реагентите са в едно и също агрегатно състояние, се разграничават хомогенна и хетерогенна катализа.
При хомогенна катализа, катализаторът може да ускори реакцията чрез образуване на междинни съединения чрез реакция с един от първоначалните реагенти. Например:
При хетерогенна катализа химическа реакция обикновено протича на повърхността на катализатора: Катализаторите са широко разпространени в природата. Почти всички трансформации на вещества в живите организми се извършват с участието на органични катализатори - ензими.. С помощта на инхибитори, по-специално, металите са защитени от корозия.
Наличие на инхибитор1. ЗАДАЧИ Определете скоростта на химичната реакция. Напишете израз за кинетичния закон за действието на масите за следните реакции: а) 2C (разтвор) + O 2 (g) = 2CO (g); 2. б) 2НI (ж.) = Н 2 (ж.) + I 2 (ж.). 3. Какво определя скоростта на химичната реакция? Дайте математически израз за зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата. Посочете как влияе на скоростта на реакцията (при постоянен обем): а) увеличаване на концентрацията на реагентите; 4. з) намаляване на концентрацията на продуктите. Изчислете скоростта на химична реакция CO (g.) + H 2 O (g.) = CO 2 (g.) + H 2 (g.) 5. в съд с вместимост 1 литър, ако след 1 минута 30 s след стартирането му количеството на водородното вещество е 0,32 mol, а след 2 минути 10 s е станало 0,44 mol. Как увеличаването на концентрацията на CO ще повлияе на скоростта на реакцията? 6. В резултат на една реакция за определен период от време се образуват 6,4 g йодоводород, а при друга реакция при същите условия се образуват 6,4 g серен диоксид. Сравнете скоростите на тези реакции. Как ще се променят скоростите на тези реакции с повишаване на температурата? Определете скоростта на реакцията CO (g.) + Cl 2 (g.) = COCl 2 (g.), 7. а) катализатор; б) инхибитор? В какъв случай е реакцията CaO (tv.) + CO 2 (g.) = CaCO 3 (tv.) 8. Взаимодействието на магнезиева проба със солна киселина HCl позволява да се получат 0,02 mol магнезиев хлорид 30 s след началото на реакцията. Определете колко време е необходимо за получаване на 0,06 mol магнезиев хлорид. E) от 70 до 40 °C скоростта на реакцията намалява 8 пъти; 11. Собственикът на колата я боядисва с нова боя и след това открива, че според инструкциите трябва да съхне 3 часа при 105 ° C. Колко време ще отнеме боята да изсъхне при 25 °C, ако температурният коефициент на реакцията на полимеризация, която е в основата на този процес, е: а) 2; б) 3; в) 4? ОТГОВОРИ НА ЗАДАЧИ1. а) = A = B + C,(О 2); A = B + C,б) = 2. Т+10 = Т . (HI)2. 3. Скоростта на реакцията се увеличава в случаите a, b, d, f; намалява – c, d, g; не се променя - з. 4. 0,003 mol/(l s). С увеличаването на концентрацията на CO скоростта на реакцията се увеличава. 5. Скоростта на първата реакция е 2 пъти по-ниска. 6. 0,002 mol/(l s). 7. а) 1 mol; б) 100 гр. 9. Скоростта на реакциите d, g, h ще се увеличи 2 пъти; 4 пъти – а, б, е; 8 пъти - c, d. 10. Температурен коефициент: 2 за реакции b, e; = 2,5 – c, g; = 3 – d, h; = 3,5 – a, g. |
